延時(shí)可控高壓脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)

摘要：將數(shù)字延時(shí)及高壓脈沖形成電路結(jié)合在一起構(gòu)成高精度的高壓脈沖發(fā)生器，用于觸發(fā)Marx發(fā)生器及高壓脈沖觸發(fā)裝置，也適用于高壓雷管起爆裝置。以CPU8031為控制核心，采用VE4137A型高電壓、大電流、低抖動(dòng)、快速氫閘流管構(gòu)成高壓脈沖形成級(jí)，MOSFET作為驅(qū)動(dòng)級(jí)。延時(shí)可控，延時(shí)范圍為10ns至99μs，連續(xù)可調(diào)，數(shù)顯；高壓脈沖幅度為5～30kV，前沿小于16ns，脈寬大于300ns，抖動(dòng)小于10ns。

關(guān)鍵詞：高壓脈沖；脈沖發(fā)生器；快速高壓開關(guān)管；延時(shí)控制

Design of Controllable Delay High Voltage Pulse Generator

LIU Yun-tao, XIE Min, Gao Ping, etc

Abstract:A high precision high voltage pulse generator is designed by combining a digital delay and a high voltage pulse generating circuit to trigger Marx generator and high voltage pulse triggering device.The generator can also be used for high voltage detonator initiating device.CPU 8031 is used as the central controller and VE4137A quick hydrogen thyratron with high voltage,large current and low jitter is used as the high voltage pulse generator,and MOSFET is used as the driver.The delay with digital display is controllable in the range of 10ns～ 99μ s.The high voltage pulse amplitude ranges in 5～ 30kV with a front of 16ns,a pulse width of >300ns and a jitter of 10ns.

Keywords:High voltage pulse; Pulse generator; Quick high voltage switching tube; Delay control

1 引言

以往研制的高壓脈沖發(fā)生器采用V型管作為高壓脈沖形成級(jí)，該管為冷陰極結(jié)構(gòu)形式，一般工作電壓在10～15kV范圍內(nèi)，輸出高壓脈沖相對(duì)外觸發(fā)的延時(shí)隨直流供電電壓的不同而有較大變化，抖動(dòng)也較大，且長(zhǎng)時(shí)間工作后，延時(shí)和抖動(dòng)都要增大。

用于觸發(fā)Marx發(fā)生器及高電壓脈沖觸發(fā)裝置需要更高的高壓觸發(fā)脈沖，且需在5～30kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，具有前沿快、延時(shí)準(zhǔn)確穩(wěn)定、抖動(dòng)小、抗干擾能力強(qiáng)等性能。

設(shè)計(jì)高壓脈沖形成級(jí)是本機(jī)的重點(diǎn)，關(guān)鍵是選擇能滿足本機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求的高電壓、大電流、快速開關(guān)管。

為了提高觸發(fā)系統(tǒng)的延時(shí)精度，采用精度為10ns的數(shù)字延時(shí)單元，延時(shí)在10ns～99μs范圍，步進(jìn)10ns，以CPU8031為控制核心的集成電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，增強(qiáng)可靠性和先進(jìn)性。

直流高壓供電采用DC／DC變換技術(shù)，封裝在金屬盒內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了電源小型化，增強(qiáng)了抗干擾能力。

2 發(fā)生器的構(gòu)成及其工作原理

2.1 高壓脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)

延時(shí)可控高壓脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，是由外觸發(fā)控制電路、單片機(jī)控制電路、延時(shí)電路、驅(qū)動(dòng)電路、直流高壓電路及高壓脈沖形成及輸出電路等組成。

圖1 高 壓 脈 沖 發(fā) 生 器 組 成 框 圖

外觸發(fā)控制電路是將外觸發(fā)信號(hào)通過內(nèi)部的比較器進(jìn)行電壓比較，再通過光電隔離器使外觸發(fā)信號(hào)的地與控制線路的地分開，以屏蔽和減弱外界的電磁干擾及地干擾，增強(qiáng)本機(jī)的抗干擾能力。

單片機(jī)控制電路、延時(shí)電路是通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，來預(yù)置延時(shí)電路的延時(shí)時(shí)間，達(dá)到延時(shí)可控目的。

驅(qū)動(dòng)電路是將延時(shí)電路輸出幅度較低的脈沖信號(hào)變?yōu)檩^高幅度的脈沖信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)后級(jí)高壓脈沖形成電路。

直流高壓電路采用DC／DC變換，低壓24V經(jīng)振蕩電路產(chǎn)生頻率較高交流信號(hào)，再經(jīng)高頻脈沖變壓器升壓及多級(jí)倍壓輸出5～30kV連續(xù)可調(diào)的直流高壓，為高壓脈沖形成電路供電。

高壓脈沖形成輸出電路是本機(jī)重要部分，主要是形成和輸出負(fù)高壓脈沖。

2.2 工作原理

由鍵盤鍵入所要求的延時(shí)時(shí)間，通過8031芯片內(nèi)部程序控制延時(shí)器所要求的動(dòng)作時(shí)間。當(dāng)外觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)，外觸發(fā)控制電路開始工作，輸出一個(gè)脈沖信號(hào)觸發(fā)延時(shí)電路，延時(shí)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的時(shí)間時(shí)，延時(shí)器停止工作，同時(shí)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，使驅(qū)動(dòng)電路輸出一個(gè)正脈沖信號(hào)，使開關(guān)管S導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容C經(jīng)S向負(fù)載電阻放電（見圖2），從而在與同軸電纜相匹配的負(fù)載上獲得與直流高壓幅度相同，極性相反的高電壓脈沖。

圖2 高 壓 脈 沖 形 成 電 路

3 電路的設(shè)計(jì)

3.1 高壓脈沖形成電路設(shè)計(jì)

根據(jù)指標(biāo)要求，在負(fù)載電阻75Ω上，輸出最大幅度Vomax為30kV，前沿tr≤16ns，脈寬T1/2≥300ns的高壓脈沖，則選擇高壓脈沖形成器件是本機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。該器件需具有耐壓高、電流大、開關(guān)速度快、抖動(dòng)小等特點(diǎn)。

美國(guó)EG＆G公司生產(chǎn)的GP－12B管，工作電壓、電流、前沿均可滿足要求，但抖動(dòng)較大。國(guó)產(chǎn)V型管，耐壓達(dá)不到要求，且延遲、抖動(dòng)較大。

國(guó)產(chǎn)氫閘流管VE4137A陽極峰值電壓33kV，峰值電流1.5kA，前沿≤10ns，抖動(dòng)≤5ns，是較理想的高壓脈沖形成器件。

高壓脈沖形成電路如圖2所示。圖中VH為高壓脈沖形成電路的直流供電電源，5～30kV，極性為正、連續(xù)可調(diào)、組件式。

脈寬主要取決于儲(chǔ)能電容C的大小，按式（1）

V1/2=Vo (1)

式中：Vo為輸出高壓脈沖幅度；

V1/2為Vo的50％，即，V1/2=Vo；

T1/2為半高寬，即幅度為V1/2時(shí)波形的寬度，取T1/2=0.3×10－6s；

R為負(fù)載電阻，75Ω；

C為放電電容。

將數(shù)據(jù)代入式（1）并整理得：

C==5.8nF

實(shí)取C=6.6nF用兩只3300pF/35kV陶瓷電容并聯(lián)。