耐射频高电位电压测试仪的高频高压测量

张志谦

(西安精为电子技术有限公司，陕西西安710068)

1 引言

自从上世纪八十年代起，等同采用美军标MILC－39012B编制了国标、国军标后，由于美军标中编有“耐射频高电位电压”项目内容，这个技术检测项目在我国逐渐开展起来了。该项目的关键就是解决“耐射频高电位电压测试仪”。在项目的技术规定中，要求制作仪器能够输出频率为5～7.5MHz，输出的正弦电压有效值必须达到1500V以上。由于这样的要求，使这个项目的难度非常大。因为对这样的频率在电子技术中常使用低电压，如此高的电压不见使用，故开发这个仪器本身就很难，在测量这个高频高压上也是很难的。我们在产品的研制过程中，烧毁示波器探头10多支，在计量部门测试时，由于示波器探头的高频效应太差而根本无法测试。为此，伴随着项目的研发，我们不断的从测试技术上创新，采取多种测试方法。下面，我们将介绍一个“间接测量方法”。同时，采用技术创新的方法，研制了“耐射频高电位电压测试仪专用探头”，获得了中国计量院的认可，在中国计量院用“专用探头”对“耐射频高电位电压测试仪”进行了测试。

2 对高频高压信号测量采用间接测量法

耐射频高电位电压项目从开始起步就伴随着要进行测量。开始，我们用高压探头进行测量。在此过程中，我们烧坏掉不少的示波器高压探头。有些探头，刚放上去，立即就烧毁。为此，我们不断地摸索，在实践中找到了多种测量方法。下面，介绍一种我们常用的一种测量方法－间接测量方法。

图1 高频电压电路图

图1 是个高频高压电路，ù为高频信号源电压，C1为负载电容。为了测试C1上的高压，串入一只电容量比C1大几百倍电容C2。例如，设定C1=4PF，C2=3200PF;高频高压信号源将高压加在两个相串联的电容上，而且两个电容的差值非常大。

我们对这个电路进行分析计算:从信号源看去两个串联电容的总等效电容C=C1C2/(C1+C2) (1)

ù、i、ù1、ù2 大写字母上加一点是复数表示方法，对交流电路采用复数电路来计算。根据欧姆定律有:i=ù/(1/jωС)=jùωС =jùω［C1C2/(C1+C2)］ (2)

(3)、(4)式等号两边相除得:ù1/ù2=C2/C1 取幅度得:

(5)式表示，两个电容器上的电压比和两个电容器的电容量成反比。由于C2和C1两只电容器的电容量差别相当大，所以，C1上的电压U1为高压，而C2上的电压非常小。在上述例子中，C2=3200pF，C1=4pF，故 U1/U2=800，即 U1=800U2。利用这一特点，要测试C1上的高压，我们可以用X1和X10两个档位的低压通用示波器探头接在C2上测得其电压值，乘以800倍计算得到C1上的高压值。这实际上是将高电压的测试变成一个低电压的测试。

3 对于高频高压直接测试时遇到的问题

虽然有多种方法能间接测得高压，但是直接测量高压总是会遇到。特别是整机在计量部门测试时，会用示波器高压探头直接测量。我公司第一次在计量站检测时，计量局使用了美国泰克公司的P6015A高压示波器探头检测。该探头的技术指标如下:频率带宽 75MHz，输入电容 3pF，阻抗100MΩ。仪器很顺利通过了计量站的检测，而且给出了“校准报告”。而且报告显示，高频电压的有效值大于1500V。此后，发现仪器的电压示值和实际测量值差别大，对仪器的指示度盘重新进行了刻度。第二次送计量站检测，计量站未找到原检测探头，更换了同型号(仍是美国泰克公司P6015A型探头)探头。仪器中高频高压的有效值原高于1500V以上的数值根本看不到了，只能检测到1050V或更小。这种检测已大大失准。查其原因，有两个:①该示波器高压探头的输入电容比较大，查其输入电容为3.5pF，发现其它同型号探头有的输入电容达到4pF或更大;②该探头的高频响应很差。由于这些原因的存在，致使无法检测到“耐射频高电位电压测试仪”的高频高压信号。我们仪器的输出电容约为2.35pF，采用输入电容为3pF来检测是极不合适的，相当于给耐射频高电位电压测试仪引入了高频负载，甚至对耐射频高电位电压测试仪的工作状态造成影响。

4 创新研制了耐射频高电位电压测试仪专用探头

创新研制的“耐射频高电位电压测试仪专用探头”是将本文中介绍的间接测量方法的有关电原理注入其中形成的。新的专用探头的输入电容一般小于2pF。同时，其高频响应好，能满足对耐射频高电位电压测试仪的高频高压信号测量要求，有效地克服了通用高压探头高频测试缺陷。这种专用探头已获中国计量院的认可，中国计量院用“耐射频高电位电压测试仪专用探头”对耐射频高电位电压测试仪进行了测试，计量院出了XDdj2014－1986号“测试报告”证书。

“测试报告”测试数据择录如下:

5 “专用探头”衰减系数的检测与分析

今年，国家颁布了《示波器电压探头校准规范》(JJF1437－2013)。当然，这个规范是讲示波器通用探头，而且通用探头是依据直流电压和脉冲技术的原理制作的。只要按脉冲参数严格考核，当然就可以保证对交流正弦信号的检测。我们的专用探头是按交流电的原理设计制作的。其目的是为了测试“耐射频高电位电压测试仪”的交流正弦高频高压信号。虽然说这标准中有些测试细节不适用我们的“专用探头”。但是，这个标准对直流电压的衰减系数的定义的精神是适于我们专用探头的，我们只需将标准中的直流电压改为交流电压即可。对于专用探头，由于被测对象是交流信号，所以这里讲的衰减比是交流电压衰减比，是用来衡量专用探头输入交流电压和输出交流电压之间的比率。定义为在专用探头测量电压范围内，输入交流电压和输出交流电压之比。由于专用探头在用示波器测试时用在X1000档位，故衰减比取1000:1。

我们制作的“耐射频高电位电压测试仪专用探头”就是用来测试耐射频高电位电压测试仪的输出信号的，而测试仪输出的是交流高频高压正弦信号。测试仪实际就是射频高压交流正弦信号源。专用探头就是一个交流电压传感器。它的输入端接在测试仪的高频高压输出端，测试的强高压信号送入专用探头，在探头的输出端输出交流电压，专用探头输入输出的交流电压比值为1000:1。将探头的输出信号从示波器的X1000档位送入示波器，示波器上显示的电压就是“耐射频高电位电压测试仪”输出电压的真实值。

专用探头制作过程是伴随着调试同步是进行的，我们是这样做的。首先，用本文开始介绍的间接的测试方法测量“耐射频高电位电压测试仪”输出的高频高压数值;然后，按测试仪的“信号断按键”，关掉高压信号，此时测试仪的红灯亮，无高频高压信号输出。将“专用探头”的输入端和“耐射频高电位电压测试仪”的高频高压输出的“检测端口”连接;将“专用探头”的输出端(BNC连接器端口)和示波器的输入端口连接(示波器的档位放在X1)。再按测试仪的“信号通按键”，测试仪输出高频高压信号，高频高压信号经专用探头后送入示波器，经过探头衰减的电压数据就会在示波器上显示出来。输入探头的高电压数据(即开始测试的数据)同示波器上显示的电压数据比值应为1000:1。例如，我们现在制作的探头的衰减倍数的调试数据如下:用间接法测量“耐射频高电位电压测试仪”的输出信号的频率为5.3MHz，正弦电压信号的峰峰值Vp－p=4900V，连接专用探头后在示波器的电压读数Vp－p=4.9V，专用探头的输入、输出交流电压信号的比值为:A=4900V/4.9V=1000。

对专用探头的衰减比A再作深刻分析:A值不仅是决定于“专用探头”本身衰减电路的一个参数，同时还受到其它因数的影响。为此，我们画出用“专用探头”测试时，和被测信号源、示波器连接的整体电路图，见图2所示。

图2 用专用探头测试“耐射频高电位电压测试仪”的整体电路图

在图2中，ù0是“耐射频高电位电压测试仪”的输出高频高压;

Z0是信号源的内阻(耐射频高电位电压测试仪可看作信号源);

专用探头可看成四端网络。

Z1专用探头的输入阻抗;

A'是专用探头本身的衰减系数;

ù1在专用探头输入端电压;

ù2专用探头输出端电压;

Z2示波器的输入阻抗。

ù0、Z0、Z1、A'、ù1、ù2、Z2均为复数，按复数电路进行分析计算:

根据复数电路欧姆定律:

完成复数计算后取模，就得到总衰减倍数A。从(3)式可以看出，专用探头的总衰减系数不仅决定专用探头本身的电路参数及衰减系数，被测信号源的内阻的影响也是很大的。在具体测试时，必须注意这一点。由于受计量设备的限制，我们对专用探头按JJF1437－2013“示波器电压探头校准规范”的定义作了技术测试认证。

［1］ JJF1437－2013示波器电压探头校准规范.

［2］ 电路(第4版)邱关源主编，高等教育出版.