高電壓脈沖校準裝置研究

顏曉軍, 金海彬, 王書強

(北京東方計量測試研究所,北京 100086)

1 引 言

脈沖電壓源不僅廣泛應用于航天、航空、武器制造等方面,也在醫(yī)學研究、工業(yè)應用、環(huán)境保護等民用方面應用廣泛。因此作為重要的電子儀器設備,脈沖電源的校準技術研究對保障脈沖技術的發(fā)展具有重要的意義。脈沖電源設備的輸出波形質量影響負載設備的工作,因此需要對脈沖電源輸出的高電壓進行校準檢定。但目前脈沖校準技術的發(fā)展無法滿足校準需求,沒有通用的校準規(guī)范能對高電壓脈沖進行校準,沒有校準設備能夠滿足較高準確度和輸出范圍較大的脈沖電源的校準需要,也沒有溯源渠道可以對校準設備進行溯源[1]。

本文基于脈沖電源的校準需求,研究高電壓脈沖的校準方法,研建高電壓脈沖校準裝置,編寫脈沖電壓測量軟件,對脈沖電壓幅度、脈沖頻率、脈沖寬度、上升時間和下降時間進行測量;通過實驗室標準儀器設備,對整套校準裝置進行測試,保障數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

2 脈沖校準方法

脈沖參數(shù)有脈沖幅度、脈沖頻率、脈沖寬度、脈沖占空比、上升時間、下降時間、脈沖上沖、脈沖下沖、脈沖頂部不平度、脈沖預沖等[2],在多個脈沖參數(shù)中,脈沖幅度的準確測量是其它脈沖參數(shù)測量的基礎,見圖1所示。

圖1 脈沖參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulse parameters

脈沖幅度是脈沖的重要參數(shù),其校準方法主要包括示波器測量法、脈沖電壓表測量法、取樣數(shù)字多用表測量法、高速數(shù)據(jù)記錄儀測量法。

2.1 示波器測量法

脈沖高電壓通過高壓探頭進行分壓后,直接使用示波器進行測量[3]。但受示波器內部測量元器件精度影響,測量準確度不高；并且高壓探頭的分壓準確度又進一步降低了測量的精度,因此使用示波器測量高電壓脈沖的方法,無法滿足高準確度測量需求。

2.2 脈沖電壓表測量法

脈沖電壓表[4]測量高電壓脈沖幅度時,需要通過外接高靈敏度示波器和高分辨力的直流數(shù)字電壓表,來測量脈沖幅度。該方法是一種較為精確的脈沖幅度測量方法,但是測量脈沖幅度的量程小,且不能對脈沖電壓的其他參數(shù)進行測量。

2.3 取樣數(shù)字多用表測量法

取樣數(shù)字多用表測量法利用數(shù)字多用表的高速取樣功能和觸發(fā)延遲設置,分別測量脈沖的頂量值和底量值,得到脈沖的幅度值[5]。取樣數(shù)字多用表測量法具有較高的測量準確度,并且測量電壓范圍寬、最高可測脈沖頻率10 kHz;但是該方法受取樣數(shù)字多用表自身采樣率的限制,只適合周期低頻脈沖信號幅度測量。

2.4 數(shù)據(jù)記錄儀測量法

數(shù)據(jù)記錄儀測量法是基于高速高性能數(shù)據(jù)記錄儀的脈沖測量方法,具有較高測量帶寬和較高測量準確度的優(yōu)點,并且不僅可以測量脈沖幅度,還可以測量脈沖頻率、脈沖寬度、上升時間和下降時間等參數(shù);但是數(shù)據(jù)記錄儀的輸入信號量程較小,一般不超過10 V,需要引入脈沖分壓器和信號調理器進行電壓變換和阻抗匹配,因此脈沖分壓器和信號調理器的指標直接影響整個測量系統(tǒng)的指標。

通過比較幾種脈沖校準方法的優(yōu)缺點,本文采用數(shù)據(jù)記錄儀測量法,基于NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PXI5922,進行高電壓脈沖校準。

3 高電壓脈沖校準裝置

高電壓脈沖校準裝置包括脈沖分壓器、信號調理器和數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)。脈沖分壓器將脈沖電壓源輸出的高電壓脈沖信號轉化為低電壓脈沖信號,通過信號調理器進行阻抗匹配后,數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)對低電壓脈沖信號進行數(shù)據(jù)采集,測量軟件根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行脈沖參數(shù)計算,得到高電壓脈沖的脈沖幅度、脈沖頻率、脈沖寬度、脈沖上升及下降時間。校準原理圖如圖2所示。

圖2 脈沖測量原理圖Fig.2 Principle diagram of pulse measurement

3.1 脈沖分壓器

脈沖分壓器的準確度影響整個測量裝置的性能[6],本文研制的脈沖分壓器采用同軸結構[7],同軸結構的分布參數(shù)一般較小,結構中的感性和容性部分程度上可以相互抵消,因此整體上呈現(xiàn)出較好的交流特性,可以用來測量脈沖電壓。根據(jù)輸出電壓范圍設計脈沖分壓器的分壓比,使低壓臂輸出電壓在數(shù)據(jù)記錄儀的輸入范圍內,并且使用無感電阻元件搭建電阻分壓網(wǎng)絡,從而達到較高的技術指標。

3.2 信號調理器

當脈沖電壓信號幅度較高時,脈沖分壓器下臂阻值需要合理選擇,過高或過低都會導致阻抗不匹配問題,從而在測量過程中引入較大不確定度。因此脈沖分壓器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的阻抗匹配是影響測量不確定度的重要因素之一。

本文利用緩沖放大器輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點,將緩沖放大器作為中間級,解決阻抗不匹配的問題?？紤]單級緩沖放大器的幅值和相位偏差較大,本文采用三級緩沖放大器[7,8],對輸出電壓的相位和幅值偏差進行逐級修正,提高信號調理器的輸出準確性,原理如圖3所示。

圖3 緩沖放大器原理圖Fig.3 Principle diagram of buffer amplifier

3.3 數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)

數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡和測量軟件2部分,分別進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)計算。數(shù)據(jù)采集卡使用NI公司的PXI5922,為高精度數(shù)據(jù)采集卡,對脈沖電壓進行數(shù)據(jù)采集。測量軟件使用對采集的數(shù)據(jù)依次進行濾波、掃頻、估算脈沖幅度、設置采樣頻率和采樣點數(shù)、設置采樣量程、數(shù)據(jù)采集、波形處理、計算脈沖頻率、計算脈沖幅度[9]、計算脈沖寬度[10]、計算上升時間和下降時間,完成脈沖電壓波形的1次測量。軟件測量界面如圖4所示。

圖4 脈沖測量軟件程序界面圖Fig.4 Interface of pulse measurement software

4 測試方法及測試數(shù)據(jù)

測試高電壓脈沖校準裝置,需要分別對脈沖分壓裝置(脈沖分壓器和信號調理器)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)進行測試。

4.1 脈沖分壓裝置測試方法

脈沖分壓裝置包括脈沖分壓器和信號調理器,使用高精度電壓源、2臺高精度數(shù)字多用表與脈沖分壓裝置組成測量線路[11],如圖5所示。

圖5 脈沖分壓裝置測試原理圖Fig.5 Principle diagram of pulse voltage divider

利用高精度數(shù)字多用表的短期穩(wěn)定性[12],采用同1臺數(shù)字多用表,分別測量脈沖分壓裝置的輸入端電壓和輸出端電壓,則脈沖分壓裝置的分壓比即為兩個電壓的比值。同時,為保證電壓源負載一致性,需要使用另1臺數(shù)字多用表,以保證電壓比例測試的準確性。

4.2 數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)測試方法

使用函數(shù)發(fā)生器作為替代裝置,示波器作為脈沖寬度、上升時間與下降時間標準,數(shù)字多用表作為脈沖幅度標準,頻率計作為脈沖頻率標準[13],對數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)進行校準,如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)測試原理圖Fig.6 Measurement principle diagram of test system

數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)對函數(shù)發(fā)生器輸出的脈沖電壓波形進行數(shù)據(jù)采集,通過軟件計算,得到各脈沖參數(shù)；使用示波器、數(shù)字多用表、頻率計分別對函數(shù)發(fā)生器輸出的脈沖電壓波形的各參數(shù)進行測量；通過比對,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)。注意使用數(shù)字多用表測量脈沖幅度時,應將函數(shù)發(fā)生器的脈沖寬度設置為最大值、上升時間和下降時間設置為最小值,利用數(shù)字多用表的直流電壓測試功能,測量脈沖幅度值。

4.3 整體測試

對高電壓脈沖校準裝置的脈沖分壓裝置和數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)進行測試后,使用高電壓脈沖校準裝置,采用直接測量法,對脈沖高電壓源進行整體測試,測量原理如圖2所示。

4.4 測試數(shù)據(jù)

以高電壓脈沖1 000 V為例,使用1 000:1脈沖分壓器,在10 Hz～1 kHz下,脈沖分壓裝置和數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)幅值測試數(shù)據(jù)分別如表1～表5所示,整體測試如表6所示。

表1 脈沖分壓裝置測試數(shù)據(jù)Tab.1 Measured value of pulse voltage divider

表2 數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)設定值(示波器和數(shù)字表)Tab.2 Measured value of test system

表3 數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)標準值(函數(shù)信號發(fā)生器)Tab.3 Measured value of test system

表4 數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)測量值(采集系統(tǒng))Tab.4 Measured value of test system

表5 數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)測量誤差Tab.5 Measured value of test system (%)

表6 整體測試數(shù)據(jù)Tab.6 Measured value of overall test

5 結 論

本文通過脈沖電壓校準方法的研究,建立了高電壓脈沖校準裝置,研制脈沖分壓器、信號調理器,基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),編制高電壓脈沖測量軟件；對高電壓脈沖校準裝置進行測試,分別對脈沖分壓裝置(脈沖分壓器和信號調理器)和數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)的測試方法進行研究,并對脈沖分壓裝置和數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)進行校準測試。測試結果表明在頻帶范圍10 Hz～1 kHz、電壓范圍1～1 600 V內,對脈沖電壓幅度、脈沖頻率、脈沖寬度、上升時間和下降時間各參數(shù)進行測量。通過對高電壓脈沖校準裝置的測試,脈沖幅度的測量誤差為0.02%～0.4%,可得校準裝置具有測量誤差小、測量量程寬、測量頻帶寬的優(yōu)點,能夠滿足高電壓脈沖的測試需要。

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