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，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)，輸出高壓脈沖相對外觸發(fā)的延時隨直流供電電壓的不同而有較大變化，抖動也較大，且長時間工作后，延時和抖動都要增大。
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、延時準確穩(wěn)定、抖動小、抗干擾能力強等性能。
設計高壓脈沖形成級是本機的重點，關(guān)鍵是選擇能滿足本機各項技術(shù)指標要求的高電壓、大電流、快速開關(guān)管。
為了提高觸發(fā)系統(tǒng)的延時精度，采用精度為10ns的數(shù)字延時單元，延時在10ns～99μs范圍，步進10ns，以CPU8031為控制核心的集成電路實現(xiàn)人機對話，增強可靠性和先進性。
直流高壓供電采用DC／DC變換技術(shù)，封裝在金屬盒內(nèi)，實現(xiàn)了電源小型化，增強了抗干擾能力。
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、單片機控制電路、延時電路、驅(qū)動電路、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)信號通過內(nèi)部的比較器進行電壓比較，再通過光電隔離器使外觸發(fā)信號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，增強本機的抗干擾能力。
單片機控制電路、延時電路是通過單片機實現(xiàn)人機對話，來預置延時電路的延時時間，達到延時可控目的。
驅(qū)動電路是將延時電路輸出幅度較低的脈沖信號變?yōu)檩^高幅度的脈沖信號，用以驅(qū)動后級高壓脈沖形成電路。
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，再經(jīng)高頻脈沖變壓器升壓及多級倍壓輸出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重要部分，主要是形成和輸出負高壓脈沖。
2.2 工作原理
由鍵盤鍵入所要求的延時時間，通過8031芯片內(nèi)部程序控制延時器所要求的動作時間。當外觸發(fā)信號輸入時，外觸發(fā)控制電路開始工作，輸出一個脈沖信號觸發(fā)延時電路，延時器開始計數(shù)，當達到所設定的時間時，延時器停止工作，同時輸出一個脈沖信號，觸發(fā)驅(qū)動電路，使驅(qū)動電路輸出一個正脈沖信號，使開關(guān)管S導通，儲能電容C經(jīng)S向負載電阻放電（見圖2），從而在與同軸電纜相匹配的負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 電路的設計
3.1 高壓脈沖形成電路設計
根據(jù)指標要求，在負載電阻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設計的重點。該器件需具有耐壓高、電流大、開關(guān)速度快、抖動小等特點。
美國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，但抖動較大。國產(chǎn)V型管，耐壓達不到要求，且延遲、抖動較大。
國產(chǎn)氫閘流管VE4137A陽極峰值電壓33kV，峰值電流1.5kA，前沿≤10ns，抖動≤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時波形的寬度，取T1/2=0.3×10－6s；
R為負載電阻，75Ω；
C為放電電容。
將數(shù)據(jù)代入式（1）并整理得：
C=
=5.8nF
實取C=6.6nF用兩只3300pF/35kV陶瓷電容并聯(lián)。
3.2 單片機延時電路設計
儀器的控制核心由CPU8031、大規(guī)模集成電路8155和EPROM2732組成。CPU8031是單片機的核心，它實現(xiàn)人機對話并完成對EPLD（可編程邏輯器件）的初始化和數(shù)據(jù)裝入。8155用作鍵盤和顯示器接口。EPROM2732用于存儲延時同步單元的全部程序，開機后CPU從EPROM2732中讀取指令進行程序控制。延遲時間的輸入，顯示以及EPLD器件初始化的完成在CPU8031的控制下進行。
根據(jù)儀器指標，要求延時脈沖時間為10ns～99μs，延時精度為10ns，抖動小于10ns。為了解決通道之間的竄擾，時間精度及傳送數(shù)據(jù)要求高等問題，在線路的設計中選用了Aterla公司的7000系列EPLD，將全部的邏輯電路做在一塊器件中。通過單片機的控制對它進行初始化和數(shù)據(jù)裝入。當觸發(fā)信號到來時觸發(fā)EPLD發(fā)出設定的延時信號，經(jīng)過模擬放大輸出以驅(qū)動后級電路。
3.3 觸發(fā)電路的設計及對高壓回竄干擾的抑制
由于開關(guān)管S導通放電時，產(chǎn)生了高電壓對觸發(fā)電路的反竄干擾及空間電磁波的干擾，使觸發(fā)電路很難正常工作。根據(jù)氫閘流管S導通時反竄到其觸發(fā)控制極上的電壓來設計氫閘流管觸發(fā)電路，如圖3所示。
圖3 開 關(guān) 管 觸 發(fā) 電 路
氫閘流管觸發(fā)電路由觸發(fā)延時控制、脈沖變壓器T、高頻阻斷硅堆D、π型濾波器（C2、L、C1）、開關(guān)管的偏置電阻R2及開關(guān)管S等組成。
外觸發(fā)信號觸發(fā)光電隔離器，經(jīng)觸發(fā)延時控制電路后，輸出約400V的脈沖信號，加到脈沖變壓器T的初級，經(jīng)脈沖變壓器升壓產(chǎn)生1kV以上的脈沖信號，脈寬大于2μs。經(jīng)D、L觸發(fā)S導通后，儲能電容C經(jīng)S向負載電阻R放電，輸出負的高壓脈沖。
S導通瞬間，在其觸發(fā)控制端產(chǎn)生約（2/3）Uc的高壓脈沖，此信號包含多種頻率成分，既有高頻，又有中頻和低頻。高頻干擾信號通過C1小電容旁路和經(jīng)L大電感來衰減；中頻和低頻干擾信號則由高壓硅堆反向阻斷。這樣通過旁路、衰減及阻斷后到脈沖變壓器T的次級約為百伏的干擾電壓，再經(jīng)T的降壓也就只有幾十伏的電壓，從而解決了S開關(guān)導通反竄到控制電路的干擾。
4 性能指標測試
4.1 高壓脈沖波形
高壓脈沖發(fā)生器輸出高壓脈沖波形如圖4所示。
圖 4 高 壓 脈 沖 發(fā) 生 器 輸 出 高 壓 脈 沖 波 形
高壓脈沖輸出經(jīng)TekP6015A1/1000高壓探頭衰減，由TDS774A數(shù)字示波器測量，測試數(shù)據(jù)自動讀出顯示。由圖4可知，高壓脈沖波形光滑無振蕩，下降沿15.7ns，脈寬約300ns。
4.2 主要技術(shù)指標
表1列出了本機及以往研制的同類產(chǎn)品對應的主要技術(shù)性能指標，以對二者進行比較。
表1 高壓脈沖發(fā)生器主要性能指標
| 輸出高壓脈沖Vo/kV | 相對外觸發(fā)延時tedl/ns | 抖動Δt/ns | 前沿tr/ns | 可預置延時tp/ns | |
|---|---|---|---|---|---|
| 本機 | 5～30 | 400～10 | 10 | 16 | 10～99000 |
| 以往研制同類產(chǎn)品 | 10～15 | 2500～500 | 80 | 25 | —— |
從表1所列數(shù)據(jù)可以看出，本機的性能指標先進，較以往研制的同類產(chǎn)品有較大的改進和提高。
1）高壓脈沖幅度提高1倍且調(diào)節(jié)范圍寬，在5～30kV連續(xù)可調(diào)；
2）對不同的高壓脈沖相對外觸發(fā)延時基本固定不變；
3）增加可預置延時功能，延時10ns～99μs，具有較高的精度；
4）抖動是高壓脈沖發(fā)生器一個重要指標，本機的抖動很小，而以往研制的抖動很大。
5 結(jié)語
本機輸出高壓脈沖調(diào)節(jié)范圍寬，從5kV至30kV連續(xù)可調(diào)，可預置，前沿快、抖動小、延時準確，又增加了可預置延時，從而拓寬了應用范圍，提高了測量精度?？煽匮訒r采用了先進技術(shù)，應用單片機，實現(xiàn)了人機對話，操作簡便，增加了可靠性，且具有先進性。
高壓脈沖形成級采用高壓大電流，快前沿、低抖動、長壽命快速氫閘流管，在設計上留有較大余量，確保運行可靠。
采用光耦、變壓器隔離、地隔離、多層金屬屏蔽等措施，對抑制高壓放電產(chǎn)生的電磁干擾以及地電流干擾有明顯效果；對高壓開關(guān)管導通瞬間在觸發(fā)驅(qū)動級產(chǎn)生的多種頻率成分的高壓回竄強干擾，采用旁路、衰減、阻斷等相應的有效方法，保證了觸發(fā)電路的正常工作。
該機已交付使用，所有技術(shù)指標均符合和滿足設計規(guī)定的指標及使用要求，長期運行工作穩(wěn)定可靠。