利用高压探头和电阻分压器进行高压测量的性能比较

2014-03-22杨彦李磊弓捷

计量技术 2014年6期

杨　彦　李　磊　弓　捷

(天津市电子仪表实验所，天津 300210)

0　引言

干扰敏感度测试是评价电子设备电磁兼容性的一项重要指标。进行敏感度测试首先需要模拟各种脉冲干扰量，其中包括电快速瞬变脉冲群、浪涌、静电放电等形式，要想获得正确的分析结果，就需要对这些模拟量进行测量。

本文旨在规范高压脉冲瞬态信号的测量方法，提高高压脉冲瞬态信号的测量能力和测量准确度。通过分析比较，选择较为理想的仪器设备组成高压脉冲瞬态测量系统，保证高压脉冲瞬态参数传递的准确性和可靠性，从而为各种脉冲干扰量的研究提供科学依据，具有现实指导意义。

1　测量高压脉冲瞬态信号的方法选择

脉冲或瞬态干扰电压一般可达数千伏，需要选择合适的衰减器将高压信号衰减为低压信号后再获取、测量。测量的数据是否准确一般与信号传输线及高压负载的高频特性参数直接相关。由于数字示波器具有高速采样与存贮、预触发观察、多波形显示与比较、支持与计算机的数据通讯等特点，适用于对单次脉冲波形或随机脉冲波形的测量，因此，可用于对高压脉冲信号衰减后的波形读取和测量。

以NS61000-4K电快速瞬变脉冲群发生器为例，分别对电阻型高压分压器和高压探头两种高压衰减器的性能进行比较，通过原理分析及实验，选择更为科学有效的高压脉冲瞬态信号的测量方法。

1.1　电快速瞬变脉冲群发生器的原理

电快速瞬变脉冲群发生器的原理与冲击电压发生器的原理相似，如图1所示。直流高压电源U经充电电阻Rc向储能电容C1充电。当C1上电压大于火花间隙的击穿电压时，火花间隙击穿，回路导通，C1首先经波头电阻R1向波头电容C2充电，C2两端电压上升，形成冲击电压的波头；同时C1和C2经过波尾电阻R2放电，C2两端电压将下降，形成冲击电压的波尾。脉冲群发生器通过C2输出的单个冲击电压波形如图2所示(其中，η为实际冲击电压与峰值电压的比值，随时间t变化)。

图1　电快速瞬变脉冲群发生器的原理图

图2　单个冲击电压波形图

图2中，冲击波形的上升时间tr为5ns，脉冲持续时间t1为50ns，由于上升时间tr=0.35/Bw(式中，Bw为示波器频带宽度)，为了满足测量要求，需要选择频带宽度为200MHz及以上的示波器。

当火花间隙中的电弧随放电电流的减小逐渐熄灭后，U再次对C1充电，然后，再形成下一次放电，循环往复，形成脉冲群。通过控制U的输出电压，可以使脉冲群按照设定的重复率产生，如图3所示(其中，u为实际冲击电压)。

图3　冲击脉冲群电压波形图

通常标准规定的脉冲群持续时间为15(1±20％)ms，脉冲群周期为300(1±20％)ms；单个脉冲的重复频率一般为2.5kHz或5kHz(按实际需要选择)。

1.2　高频信号对导体的影响

电场中的任何一个导体都要受到其他带电导体的影响。当物体带电荷时，电荷周围存在电场。电场中的导体在外部电场作用下，其内部的电荷将重新分布，导体周围的电场发生变化，即产生电容性耦合。当回路中流过变化的电流时，在它周围的空间就会产生变化的磁场，这个变化磁场又会在相邻回路中感应电压，即产生电感性耦合，如图4所示。

图4　交变电路的容性和感性耦合示意图

由于脉冲群发生器输出的是电压随时间变化的交变信号，且频率越高，经过负载的电流变化越快，从而感性耦合效应越大，在其上的感性耦合电压越大。此外，由于寄生分布电容的存在，当频率到达一定值时，便会产生谐振效应，此时，谐振电压将是原输入电压的数倍。

1.3　使用电阻型高压分压器对高压脉冲瞬态信号进行衰减后的结果分析

电阻型高压分压器的分布电感和分布电容均很小，对频率在100Hz以下的信号影响不大。而脉冲群发生器的输出电压具有脉冲上升时间短、重复率高、能量低和频谱分布较宽等特点。考虑若使用电阻型高压分压器对其输出信号进行衰减，可能会产生错误的结果。

通过datron公司的多功能校准器4805对电阻型高压分压器(分压比1000:1)的频率响应进行验证，得到如下结果：当信号频率大于1kHz且随着频率的升高，实际分压比将逐渐偏离标称分压比，且会产生一定的失真，频率响应如图5所示。

图5　使用电阻型高压分压器进行衰减后的实际分压比

1.4　使用高压探头对高压脉冲瞬态信号进行衰减后的结果分析

高压探头一般具有线性好、抗干扰能力强、性能稳定、能够捕捉快速高压信号等特点，其电压测量范围一般为几十千伏。高压探头采用中间补偿电阻，且都带有衰减器,从而克服了高压探头和所连接的示波器输入端的寄生电容对测量信号频率特性的影响。

通过4805多功能校准器对Tektronix的P6015A型无源高压探头(分压比1000:1，最高测量电压DC：20kV，AC：40kV)的频率响应进行验证，结果如图6所示。

图6　使用高压探头进行衰减后的实际分压比

可以看出，用高压探头对具有一定频率的高压脉冲瞬态信号进行分压，其测量结果与标称分压比基本相符，受被测量信号频率影响较小。

1.5　高压脉冲瞬态信号通过衰减后的波形比较

以NS61000-4K脉冲群发生器输出1kV脉冲信号为例，分别通过电阻型高压分压器以及高压探头进行衰减，然后将衰减信号分别接入数字存储示波器进行测量，可得到如图7所示的波形图。

由图7可以看出，使用电阻型高压分压器对1kV脉冲信号进行衰减，由于脉冲信号频率对其分布电容和电感的影响，产生了耦合电压叠加效应，使得测量结果与实际输出信号相差较大。而使用高压探头对1kV脉冲信号进行衰减，测量结果能够如实反映被测量信号。

图7　衰减信号波形图

1.6　结论

上述对比结果表明，对于脉冲群发生器输出的脉冲波形，推荐使用高压探头和适当频带宽度的示波器进行测量(通过发生器输出波形的上升时间计算)。此外，浪涌发生器、静电放电发生器以及高频噪声模拟器等在电磁兼容领域抗扰度研究中使用的仪器设备，同样可以选用此方法进行测量。通过实验验证，此方法具有测量可靠性高、频率响应好、对脉冲波形畸变小、所需标准仪器成本低等优点，适用范围比较广。

同时，利用相关软件可以完成对示波器的通信与控制、数据采集、波形绘制、图形文件保存及文件间转化。