高电压脉冲校准装置研究

颜晓军, 金海彬, 王书强

(北京东方计量测试研究所,北京 100086)

1 引 言

脉冲电压源不仅广泛应用于航天、航空、武器制造等方面,也在医学研究、工业应用、环境保护等民用方面应用广泛。因此作为重要的电子仪器设备,脉冲电源的校准技术研究对保障脉冲技术的发展具有重要的意义。脉冲电源设备的输出波形质量影响负载设备的工作,因此需要对脉冲电源输出的高电压进行校准检定。但目前脉冲校准技术的发展无法满足校准需求,没有通用的校准规范能对高电压脉冲进行校准,没有校准设备能够满足较高准确度和输出范围较大的脉冲电源的校准需要,也没有溯源渠道可以对校准设备进行溯源[1]。

本文基于脉冲电源的校准需求,研究高电压脉冲的校准方法,研建高电压脉冲校准装置,编写脉冲电压测量软件,对脉冲电压幅度、脉冲频率、脉冲宽度、上升时间和下降时间进行测量;通过实验室标准仪器设备,对整套校准装置进行测试,保障数据的准确性和可靠性。

2 脉冲校准方法

脉冲参数有脉冲幅度、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲占空比、上升时间、下降时间、脉冲上冲、脉冲下冲、脉冲顶部不平度、脉冲预冲等[2],在多个脉冲参数中,脉冲幅度的准确测量是其它脉冲参数测量的基础,见图1所示。

图1 脉冲参数示意图Fig.1 Schematic diagram of pulse parameters

脉冲幅度是脉冲的重要参数,其校准方法主要包括示波器测量法、脉冲电压表测量法、取样数字多用表测量法、高速数据记录仪测量法。

2.1 示波器测量法

脉冲高电压通过高压探头进行分压后,直接使用示波器进行测量[3]。但受示波器内部测量元器件精度影响,测量准确度不高；并且高压探头的分压准确度又进一步降低了测量的精度,因此使用示波器测量高电压脉冲的方法,无法满足高准确度测量需求。

2.2 脉冲电压表测量法

脉冲电压表[4]测量高电压脉冲幅度时,需要通过外接高灵敏度示波器和高分辨力的直流数字电压表,来测量脉冲幅度。该方法是一种较为精确的脉冲幅度测量方法,但是测量脉冲幅度的量程小,且不能对脉冲电压的其他参数进行测量。

2.3 取样数字多用表测量法

取样数字多用表测量法利用数字多用表的高速取样功能和触发延迟设置,分别测量脉冲的顶量值和底量值,得到脉冲的幅度值[5]。取样数字多用表测量法具有较高的测量准确度,并且测量电压范围宽、最高可测脉冲频率10 kHz;但是该方法受取样数字多用表自身采样率的限制,只适合周期低频脉冲信号幅度测量。

2.4 数据记录仪测量法

数据记录仪测量法是基于高速高性能数据记录仪的脉冲测量方法,具有较高测量带宽和较高测量准确度的优点,并且不仅可以测量脉冲幅度,还可以测量脉冲频率、脉冲宽度、上升时间和下降时间等参数;但是数据记录仪的输入信号量程较小,一般不超过10 V,需要引入脉冲分压器和信号调理器进行电压变换和阻抗匹配,因此脉冲分压器和信号调理器的指标直接影响整个测量系统的指标。

通过比较几种脉冲校准方法的优缺点,本文采用数据记录仪测量法,基于NI公司的数据采集卡PXI5922,进行高电压脉冲校准。

3 高电压脉冲校准装置

高电压脉冲校准装置包括脉冲分压器、信号调理器和数据测量系统。脉冲分压器将脉冲电压源输出的高电压脉冲信号转化为低电压脉冲信号,通过信号调理器进行阻抗匹配后,数据测量系统对低电压脉冲信号进行数据采集,测量软件根据采集的数据进行脉冲参数计算,得到高电压脉冲的脉冲幅度、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲上升及下降时间。校准原理图如图2所示。

图2 脉冲测量原理图Fig.2 Principle diagram of pulse measurement

3.1 脉冲分压器

脉冲分压器的准确度影响整个测量装置的性能[6],本文研制的脉冲分压器采用同轴结构[7],同轴结构的分布参数一般较小,结构中的感性和容性部分程度上可以相互抵消,因此整体上呈现出较好的交流特性,可以用来测量脉冲电压。根据输出电压范围设计脉冲分压器的分压比,使低压臂输出电压在数据记录仪的输入范围内,并且使用无感电阻元件搭建电阻分压网络,从而达到较高的技术指标。

3.2 信号调理器

当脉冲电压信号幅度较高时,脉冲分压器下臂阻值需要合理选择,过高或过低都会导致阻抗不匹配问题,从而在测量过程中引入较大不确定度。因此脉冲分压器与数据采集系统的阻抗匹配是影响测量不确定度的重要因素之一。

本文利用缓冲放大器输入阻抗高、输出阻抗低的特点,将缓冲放大器作为中间级,解决阻抗不匹配的问题。考虑单级缓冲放大器的幅值和相位偏差较大,本文采用三级缓冲放大器[7,8],对输出电压的相位和幅值偏差进行逐级修正,提高信号调理器的输出准确性,原理如图3所示。

图3 缓冲放大器原理图Fig.3 Principle diagram of buffer amplifier

3.3 数据测量系统

数据测量系统包括数据采集卡和测量软件2部分,分别进行数据采集和数据计算。数据采集卡使用NI公司的PXI5922,为高精度数据采集卡,对脉冲电压进行数据采集。测量软件使用对采集的数据依次进行滤波、扫频、估算脉冲幅度、设置采样频率和采样点数、设置采样量程、数据采集、波形处理、计算脉冲频率、计算脉冲幅度[9]、计算脉冲宽度[10]、计算上升时间和下降时间,完成脉冲电压波形的1次测量。软件测量界面如图4所示。

图4 脉冲测量软件程序界面图Fig.4 Interface of pulse measurement software

4 测试方法及测试数据

测试高电压脉冲校准装置,需要分别对脉冲分压装置(脉冲分压器和信号调理器)、数据测量系统进行测试。

4.1 脉冲分压装置测试方法

脉冲分压装置包括脉冲分压器和信号调理器,使用高精度电压源、2台高精度数字多用表与脉冲分压装置组成测量线路[11],如图5所示。

图5 脉冲分压装置测试原理图Fig.5 Principle diagram of pulse voltage divider

利用高精度数字多用表的短期稳定性[12],采用同1台数字多用表,分别测量脉冲分压装置的输入端电压和输出端电压,则脉冲分压装置的分压比即为两个电压的比值。同时,为保证电压源负载一致性,需要使用另1台数字多用表,以保证电压比例测试的准确性。

4.2 数据测量系统测试方法

使用函数发生器作为替代装置,示波器作为脉冲宽度、上升时间与下降时间标准,数字多用表作为脉冲幅度标准,频率计作为脉冲频率标准[13],对数据测量系统进行校准,如图6所示。

图6 数据测量系统测试原理图Fig.6 Measurement principle diagram of test system

数据测量系统对函数发生器输出的脉冲电压波形进行数据采集,通过软件计算,得到各脉冲参数；使用示波器、数字多用表、频率计分别对函数发生器输出的脉冲电压波形的各参数进行测量；通过比对,实现对数据测量系统。注意使用数字多用表测量脉冲幅度时,应将函数发生器的脉冲宽度设置为最大值、上升时间和下降时间设置为最小值,利用数字多用表的直流电压测试功能,测量脉冲幅度值。

4.3 整体测试

对高电压脉冲校准装置的脉冲分压装置和数据测量系统进行测试后,使用高电压脉冲校准装置,采用直接测量法,对脉冲高电压源进行整体测试,测量原理如图2所示。

4.4 测试数据

以高电压脉冲1 000 V为例,使用1 000:1脉冲分压器,在10 Hz～1 kHz下,脉冲分压装置和数据测量系统幅值测试数据分别如表1～表5所示,整体测试如表6所示。

表1 脉冲分压装置测试数据Tab.1 Measured value of pulse voltage divider

表2 数据测试系统设定值(示波器和数字表)Tab.2 Measured value of test system

表3 数据测试系统标准值(函数信号发生器)Tab.3 Measured value of test system

表4 数据测试系统测量值(采集系统)Tab.4 Measured value of test system

表5 数据测试系统测量误差Tab.5 Measured value of test system (%)

表6 整体测试数据Tab.6 Measured value of overall test

5 结 论

本文通过脉冲电压校准方法的研究,建立了高电压脉冲校准装置,研制脉冲分压器、信号调理器,基于数据采集系统,编制高电压脉冲测量软件；对高电压脉冲校准装置进行测试,分别对脉冲分压装置(脉冲分压器和信号调理器)和数据测量系统的测试方法进行研究,并对脉冲分压装置和数据测量系统进行校准测试。测试结果表明在频带范围10 Hz～1 kHz、电压范围1～1 600 V内,对脉冲电压幅度、脉冲频率、脉冲宽度、上升时间和下降时间各参数进行测量。通过对高电压脉冲校准装置的测试,脉冲幅度的测量误差为0.02%～0.4%,可得校准装置具有测量误差小、测量量程宽、测量频带宽的优点,能够满足高电压脉冲的测试需要。

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