雷电波测量用高电压探头频响特性评定方法

2011-12-28吴一叶

河北科技大学学报 2011年2期

关键词：频响阶跃核查

吴一叶，刘娜，钱政

（1．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191；2．中国计量科学研究院电磁所，北京 100013）

雷电波测量用高电压探头频响特性评定方法

吴一叶1，刘娜2，钱政1

（1．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191；2．中国计量科学研究院电磁所，北京 100013）

介绍了针对雷电波测量用高电压探头频响特性评定的阶跃波响应测量方法和以部分响应时间、稳定时间、过冲为主的一套响应参数。由于标准规定的阶跃波响应参数涉及大量积分等复杂计算，为保证软件计算的正确性，文中给出了一种基于指数和正弦函数的模拟响应标准数据的核查方案，解决了响应参数计算软件核查难的问题。

雷电波；高压探头；阶跃波响应

雷电波是一种在自然界普遍存在的高电压脉冲信号，在电力、机械制造、建筑、航空、军事等领域常需要进行大量雷电防护试验［1］。电磁兼容试验中的浪涌发生器开路电压规定的波形是波头时间／半波时间分别为1．2／50μs的标准雷电波［2］。由于雷电波的测量涉及到波形参数，而高电压测量探头又称高电压衰减器或示波器探头，是一种实现高电压脉冲源与低压示波器或数字化仪间连接的关键部件，作为一种商用产品目前在中国雷电波测量和计量部门中获得普遍使用［3］。

显然，与其他测量仪器设备一样，高电压探头也需要定期进行校准，以确保量值的准确可靠。尤其是对于脉冲测量用高电压探头，使用者除了应关注其衰减比指标外，探头的频响特性更需要经过严格的核查，而且据《GB／T 16927．1—1997高电压试验技术第一部分：一般试验要求》规定可知核查暂态信号用高压分压器的频响特性的阶跃波测量方法不同于稳态信号用的幅频特性测量方法，因为通过阶跃响应可以同时核查被测衰减器的幅频和相频特性，而传统扫频方法得到的带宽指标仅反映了幅频特性。部分响应时间、稳定时间、过冲为主体的一套阶跃波响应参数受到重要关注，是评定暂态信号测量用分压器频响特性的重要参数，还被作为国际电磁校准与测量能力（CMC表）中的专有测量值列出，中国计量科学研究院电量磁于2008年参与国际同行评审，为中国的电磁校准与测量能力CMC表中新增了对这些参量的校准与测量能力。

本文中首先介绍了阶跃波法评定高电压探头的测量方法及其测量过程中的注意事项，然后在介绍阶跃波响应参数的基础上重点给出一种核查软件算法正确性的评价方法。在建立阶跃波响应参数测量系统的过程中，不仅需要解决纳秒信号测量过程中来自回路的问题，还需要严格按照标准中有关阶跃波响应参数的定义及流程进行一系列的复杂计算，在算法上很容易出错，软件计算的误差也难于评定。为保证软件计算的正确性，文中给出了一种基于标准数据的核查方法。在分析阶跃波响应参数定义与它和畸变波形包络面积之间关系的基础上，笔者设计出一种基于指数和正弦函数的模拟响应数据作为标准数据对计算软件进行核查，从而解决了响应参数计算软件核查困难的问题。

1 响应参数测量方法

图1所示为高压探头阶跃波响应测量线路的示意图，其中高压探头与低压侧的测量仪（示波器或数字化仪）连接后组成了测量系统，用陡沿阶跃波发生器输出纳秒量级的阶跃信号对测量系统的响应进行核查。

用户或计量部门在核查过程中，首先应注意到送检或核查时最好能配备上测量系统中原配的低压侧测量仪。第二，陡沿阶跃波发生器十分重要。阶跃波发生器除了具有输出陡沿的功能外，应该具有一定的负载能力。标准雷电波的波头最小允许值为0．84μs，所以过于缓的阶跃波，如微秒波，并不能作为核查源。第三，一般高压探头的分压器通常为1 000∶1，所以阶跃波的幅值也不能过低，若峰值为几伏则测量仪上的信号才几毫伏，波形受噪声等影响严重。第四，陡沿阶跃波发生器可以分为截断式和上升式2种，原理图如图2所示。理论上，阶跃波可以是下降的也可以是上升的，选择任何方式都可以。但是，鉴于二者的负载能力不同所以确定发生器时需要结合被检衰减器的输入阻抗来考虑。一般商用高压探头的输入阻抗在几十兆欧以上便可以考虑采用截断式。若按高电压冲击测量标准中规定的标准电阻分压器，其输入阻抗约为几千欧，则需要采用上升式。第五，陡沿信号测量中需要注意回路的连接避免发射等问题。第六，根据所获得的阶跃波响应波形如何准确地评定响应特性的好坏，不仅需要建立响应参数计算软件，还需要注意到综合看待响应参数，不能仅依据一个指标大小来评述频响特性的优劣。

图1 高压探头阶跃波响应测量线路图

图2 阶跃波发生器的原理接线

2 参数概述

把雷电波测量系统看作线性系统，则外加单位阶跃波的激励信号所产生的零状态响应，可用来反映测量系统的电路特性，从而判断该测量系统的优劣。测得阶跃波响应后，利用杜哈美尔（Duhame1）公式［4］，可算出施加任何波形时的分压器或衰减器测量误差。

图3是阶跃响应参数的示意图，主要的3个参数为部分响应时间Tα，过冲β和稳定时间tS。阶跃响应通常都将其幅值标准化为单位1，以便对比和参数计算。

在响应参数计算中需用如下式的积分，称作阶跃响应积分T（t）。它是单位幅值1与标准化阶跃响应g（t）之差从视在零点O1到瞬时t的积分，其中g（t）在切点P以下的起始段由所作的切线顶替［5］，如图3所示。

图3 阶跃响应参数计算示意图

按照定义，阶跃响应的各项参数计算如下：

1）部分响应时间Tα是阶跃响应积分从O1积到t1的值T（t1），t1为g（t）首次达到单位幅值的瞬时：

2）过冲β是振荡型阶跃响应波形峰值UM超过单位幅值1的数量：

3）稳定时间tS是剩余时间TR（ti）的绝对值达到并继续保持不大于0．02ti的最短时间，即ti在tS之后直至tmax的时段内都满足下列条件：

剩余响应时间TR（ti）是实验响应时间TN与积分从O1积到某一瞬时ti的值T（ti）之差，ti小于tmax，此积分值相当于ti之后直至tmax时段内响应波形与单位幅值线之间所围面积代数和所代表的时间：

3 软件核查

目前国际组织并未针对阶跃波响应参数发布响应的标准数据，因此为了对响应参数计算软件做好深入的核验工作，笔者给出了一种基于指数和正弦函数的模拟响应标准数据的核查方案，解决了响应参数计算软件核查难的问题。

1）设计思路

从阶跃响应积分T（t）定义可知，T（t）的数值相当于从O1—t的时段内响应波形与单位幅值线之间所围面积的代数和，其中响应波形在单位幅值线之下的面积为正值，之上的面积为负值。故T（t）又可以表示为如下公式：

基于以上面积特征，为了验证计算软件，笔者提出一种由已知特征参数的函数曲线来模拟阶跃波响应参数曲线对软件进行核验的方案。观察目前所得的测试数据，基本分为初始段、上升段、振荡段和平直段4部分，如图4所示。需结合响应波形，给予不同的函数模型，可以清楚地了解所设计的标准测试数据的各参数指标，最终达到检验软件计算结果正确性目的。现分段处理各阶段波形：

①初始段：直接初始化为0；

②上升段：鉴于波形与指数曲线具有一定程度上的一致性，按可以根据具体情况设置k1，a1，b1各值的大小，如公式（7）。k1值选取需考虑的因素有幅值1，上升段数据个数，以及所需模拟数据的采样率大小；a1值控制x轴的伸缩程度；公式中的b1用来确保曲线从0开始，符合标准化数据的特征，一般设为1。