CN103746673A

CN103746673A - 脉冲信号发生器

Info

Publication number: CN103746673A
Application number: CN201310699588.XA
Authority: CN
Inventors: 郭恩全; 王浩; 苗胜; 张海东
Original assignee: Shaanxi Hitech Electronic Co Ltd
Current assignee: Shaanxi Hitech Electronic Co Ltd
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: CN103746673B

Abstract

本发明涉及一种脉冲信号发生器，包括直流高压源、电压显示单元、同轴限流单元、TLP电路、脉冲控制单元、驱动放大单元、频率计数与显示单元；直流高压源用于将交流市电转换为连续可调的直流电；同轴限流单元用于控制TLP电路的充电电流大小；TLP电路用于产生纳秒级大电流脉冲信号；脉冲控制单元输出的频率信号经过驱动放大单元放大后控制TLP电路的工作模式；频率计数与显示单元对脉冲控制单元发出的频率信号进行统计与显示。本发明解决了现有的脉冲信号发生器无法输出上升时间快、作用时间短的脉冲信号，本发明的脉冲信号发生器可以产生上升时间快、作用时间短、幅度动态范围大的脉冲信号生成装置，满足电子设备抗干扰性能评估的需求。

Description

脉冲信号发生器

技术领域

本发明涉及一种干扰信号生成装置，尤其涉及一种可以产生上升时间和下降时间快、作用时间短、幅度动态范围大的脉冲信号装置。

背景技术

随着电子技术的发展，各种装备普遍实现了电气化。电子设备的抗干扰性能越来越引起人们的重视。设计制造的电子设备，其抗干扰性能如何，当然可以在各种现场的噪声环境下进行考验来认定。然而，由于在现场产生的干扰大多是偶然的随机的，测试很长时间，很可能不重复出现。而一旦出现，再用种种手段去寻找究竟哪部分电路发生误动作，往往是来不及的。所以，需要一种干扰源装置，它不但能重复地频繁模拟现场的干扰，而且还可以定量地连续调节强度大小，使人们能根据电路各部分受干扰而产生的现象，从容不迫地寻找干扰的原因和干扰的途径，以及对比确认采取措施之后抗干扰性能提高的程度。

脉冲信号发生器是一种为了模拟电子设备在现场受到噪声干扰的实际情况而人为制造的一个噪声源。这种脉冲信号发生器通过大电流注入的方式专用于评估高功率电磁脉冲对电子设备的的破坏作用（例如雷电、核电磁脉冲模拟器输出的功率信号）。现有的脉冲信号发生器无法输出上升时间快（纳秒级）、作用时间短（纳秒级）、幅度动态范围大（从零伏特到数千伏特）的脉冲信号，现有的脉冲信号发生器也无法用于评估电子设备的抗高功率电磁脉冲干扰的能力。

发明内容

为了解决现有的脉冲信号发生器无法输出上升时间快、作用时间短、幅度动态范围大的脉冲信号，无法用于评估电子设备抗电磁脉冲干扰能力的技术问题，本发明提供一种脉冲信号发生器，它可以产生上升时间快、作用时间短、幅度动态范围大的脉冲信号生成装置，满足电子设备抗干扰性能评估的需求。

本发明的技术解决方案：

脉冲信号发生器，其特殊之处在于：包括直流高压源、电压显示单元、同轴限流单元、TLP电路、脉冲控制单元、驱动放大单元、频率计数与显示单元；

所述直流高压源用于将交流市电转换为连续可调的直流电，直流高压源为TLP电路提供工作电压；

所述同轴限流单元用于控制TLP电路的充电电流大小；

TLP电路用于产生上升沿极陡、且脉宽固定的纳秒级大电流脉冲信号；

所述脉冲控制单元输出的频率信号经过驱动放大单元放大后控制TLP电路的工作模式；

所述频率计数与显示单元对脉冲控制单元发出的频率信号进行统计与显示。

上述直流高压源包括依次连接的交流电源滤波器、接触调压器、电源变压器以及倍压整流电路，所述交流电源滤波器的输入端接市电，所述倍压整流电路的输出直流电压。

上述交流电源滤波器包括电感L1、电感L2、电容（C1-C4），电源线L端接电容C2、电容C3、电感L1的一端；电源线N端与电容C2的另一端、电容C4的一端、电感L2的一端想接；电容C3的另一端与电容C4的另一端接地；电感L1的另一端接电容C1的一端；电感L2的另一端接电容C1的另一端；电容C1两端的电压为滤波后输出的电源电压。

上述倍压整流电路包括整流二极管D1、整流二极管D2、电容C5、电容C6，整流二极管D1的阳极接整流二极管D2的阴极；整流二极管D1的阴极接电容C5的一端，整流二极管D2的阳极接电容C6的一端，电容C5的另一端和电容C6的另一端连接，输入交流电分别从整流二极管D1和整流二极管D2的公共端、电容C5和电容C6的公共端引入。

还包括用于显示直流高压源的输出直流电压大小的电压显示单元；

所述电压显示单元包括分压电阻R_div、DM数字面板表，所述分压电阻R_div对直流高压源输出的直流电压进行分压，所述DM数字面板表的一端与分压电阻R_div的一个固定端连接，所述DM数字面板表的另一端与分压电阻R_div的滑动端连接。

上述同轴限流单元包括多个串联的电阻、金属壳体以及两个BNC连接器，所述多个串联的电阻放置在金属壳体内，所述两个BNC连接器均固定在金属壳体上，串联的电阻的两端分别接两个BNC连接器的内导体，所述两个BNC连接器的外导体均与金属壳体导通，其中一个BNC连接器的外导体与直流高压源负极连接，另一个BNC连接器的外导体与TLP电路连接。

上述TLP电路包括依次连接的储能开路传输线L₄、开关组件和脉冲延迟传输线L₅，所述储能开路传输线L₄的长度为L₄，特性阻抗为Z₀，所述脉冲延迟传输线L₅的另一端连接有负载R₀，

所述TLP电路中的储能开路传输线L₄与同轴限流单元连接；所述同轴限流单元的阻值远远大于Z₀，所述储能开路传输线L₄的特性阻抗Z₀等于负载，

所述脉冲控制单元通过驱动放大单元控制开关组件的开合。

上述开关组件包括继电器K1、金属壳体、固定在金属壳体上的输入端BNC连接器以及输出端BNC连接器，所述继电器放置在金属壳体内，所述输入端BNC连接器的内导体与继电器的信号输入端连接，所述输出端BNC连接器的内导体与继电器K1的信号输出端连接，输入端、输出端BNC连接器的外导体均与金属壳体导通，输入端BNC连接器与储能开路传输线L₄连接，输出端BNC连接器与脉冲延迟传输线L₅连接；

所述继电器为水银湿式舌簧继电器，所述水银湿式舌簧继电器的控制端线圈接二极管D3。

上述脉冲控制单元包括脉冲单次触发电路、脉冲连续触发电路以及选择开关K4；所述脉冲单次触发电路包括开关K3；所述脉冲连续触发电路包括555定时器、电阻R6、电阻R7、开关K2以及电容（C7-C9），

所述555定时器的1脚接地，555定时器的2脚、6脚、电阻R7的滑动端、电阻R7的一个固定端连接于公共点Uc，公共点Uc接开关K2的公共端；电容C7、电容C8、电容C9的一端连接到一起后，其公共点接地,电容C7、电容C8、电容C9的另一端分别接开关K2的三个信号路由分支端，555定时器的3脚接开关K4,用于输出振荡器波形；555定时器的4脚和8脚接电源Ucc，555定时器的7脚通过串联电阻R6后接电源Ucc，电阻R7的另一固定端接电阻R6和555定时器的7脚，开关K4的公共端接驱动单元，开关K4的另一个信号路由分支端接开关K3的一端，开关K3的另一端接正电源。

上述储能开路传输线L₄由电缆在圆筒骨架上绕制而成，所述脉冲延迟传输线L₅包括一根同轴电缆以及固定在同轴电缆两端的阴极BNC连接器和阳极BNC连接器，所述阴极BNC连接器固定在脉冲信号发生器箱体前面板上，所述阳极BNC连接器与开关组件中的输出端BNC连接器对接。

本发明所具有的优点：

本发明脉冲信号发生器输出矩形脉冲信号，经验证，达到以下技术指标：

1.本发明脉冲信号发生器输出矩形脉冲信号边沿陡峭。输出脉冲信号上升沿小于2ns，下降沿小于2ns。

2.本发明输出矩形脉冲信号作用时间短。输出脉冲信号的持续时间为30ns到40ns（脉冲持续时间可选配）。

3.本发明输出矩形脉冲信号的幅度动态范围。输出脉冲信号的幅度在0V到2000V范围内可调。

4.本发明输出矩形脉冲信号的方式灵活。可以单次输出脉冲信号（按一下触发按钮输出一个脉冲）；也可以自动连续输出脉冲信号，输出频率在1Hz到60Hz连续可调。

5.本发明脉冲信号发生器输出负载为标准负载-50欧姆负载。

附图说明

图1为脉冲信号发生器的原理框图；

图2为直流高压源的结构框图；

图3为交流电源滤波器原理图；

图4为接触调压器原理图；

图5为倍压整流电路图；

图6为电压显示单元的结构图；

图7为同轴限流单元的结构图；

图8为同轴限流单元安装示意图；

图9为TLP电路原理图；

图10为TLP电路实现图；

图11为储能开路传输线的结构图；

图12为脉冲延迟传输线的结构图；

图13为脉冲控制单元结构图；

图14为振荡器波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的实施方式不限于此。

脉冲信号发生器采用传输线方式来实现。如图1所示，脉冲信号发生器由直流高压源、电压显示单元、同轴限流单元、TLP电路（TLP，transmission-linepulse）、脉冲控制单元、驱动放大单元、频率计数与显示单元构成。其中：

直流高压源将交流市电转换为直流电，输出直流电压连续可调，直流高压源为TLP电路提供工作电压。电压显示单元用于显示直流高压源的输出直流电压，同轴限流单元用于控制TLP电路的充电电流大小。

TLP电路产生上升沿极陡、且脉宽固定的纳秒级大电流脉冲信号。

脉冲控制单元输出频率信号经过驱动放大单元放大后，对TLP电路进行控制，使TLP电路能够按照特定的频率连续产生上升沿极陡、且脉宽固定的高压脉冲信号，输出脉冲频率连续可调；或者使TLP电路单次输出上升沿极陡、且脉宽固定的大电流脉冲信号。

频率计数与显示单元对脉冲控制单元发出的控制信号进行统计与显示。

如图2所示，直流高压源由交流电源滤波器、接触调压器、电源变压器、倍压整流电路构成。直流高压源将220V交流电转换为直流电后输出，输出直流电压大小可调，调节范围为0～2000V。为方便试验，输出直流电压大小在显示单元上进行显示。

如图3所示，交流电源滤波器由L1，L2，C1～C4组成。电源线的一端（L端）接电容C2、C3、电感L1的一端；电源线的另一端（N端）接电容C2、C4、电感L2的一端；电容C3、C4的公共端接地；电感L1的另一端接电容C1的一端；电感L2的另一端接电容C1的另一端；电容C1两端的电压为滤波后输出的电源电压。电源滤波器是一种让电源频率附近的频率成分通过，而高于这种频率成分则衰减很大的电路。电源输入部分安装电源滤波器，对于抑制电网中的各种噪声起了关键作用，大大提高了脉冲信号发生器自身的抗干扰能力。L1和L2对于噪声源来说是高阻抗，C1为低阻抗。L1和L2是共模扼流圈，可以对滤除共模噪声起很大作用，C1、C2对滤除差模噪声起作用，C3、C4对滤除共模噪声起作用。

如图4所示，接触调压器就是匝比连续可调的自耦变压器，其核心部件是电感线圈L3，其中U1表示输入电压，U2表示输出电压。当调压器电刷在手轮主轴和刷架的作用下，沿电感线圈L3的磨光表面滑动时，就可连续地改变匝比，从而使输出电压平滑地从零调节到最大值。接触调压器产品由电感线圈、电刷、手轮、刻度盘以及底壳、外罩等组成。选用具有波形不失真、体积小、重量轻、效率高、能可靠地运作的成熟接触调压器产品，实现高质量电压调节。接触调压器的手轮对应脉冲信号发生器面板上的幅度调节旋钮。

电源变压器的功能是进行电压变换。电源变压器是单相、升压变压器。脉冲信号发生器需要一个220V/2000V升压电源变压器。

倍压整流电路输入交流电压，输出直流电压。如图5，倍压整流电路由一组线圈及两个整流二极管，两只电容所组成整流二极管D1的阳极接整流二极管D2的阴极；D1的阴极接电容C5的一端，D2的阳极接电容C6的一端，C5的另一端和C6的另一端连接。输入交流电分别从D1和D2的公共端、C5和C6的公共端引入；输出直流电从A、C端输出。当线圈上端为正时，电流流经D1回到线圈负端，这时对C5充电，C5两端达到1.414e2的电压，并基本保持不变；当线圈上端为负时，电流流经D2对C6充上1.414e2的电压，因而在AC及BC之间分别获得正、负1.414e2的直流输出电压，在AB之间则得到2.828e2的直流输出电压，每个二极管所承受的最大方向电压为2.828e2，电容器C5、C6上承受的电压各为1.414e2。C5，C6电容器为高压储能电容器，D1，D2为大电流高压二级管。(图5中的T1为电源变压器，对应图2中的电源变压器)

直流高压源可产生0V到2000V的直流电压，为了方便仪器使用，设计了电压显示功能。如图6所示，通过电压显示单元进行直流电压显示。通过分压电阻R_div对直流高压源输出的直流电压进行分压，采用成熟的3位半DM数字面板表对分压后的直流电压进行显示。调整DM数字面板表显示范围为0～1999（对应直流高压源输出的直流电压0～1999V），数字电压表设计使用+5V电源供电，简化配电设计。DM数字面板表对应面板上的充电电压显示屏。

如图7所示，同轴限流单元由5个240kΩ、1W的电阻串联而成。如图8所示，5个电阻通过焊接方式串联，串联后的电阻放入金属壳体内，串联后电阻的两端分别接两个BNC连接器的内导体。BNC连接器直接固定在金属壳体上，BNC连接器的外导体与金属壳体导通。输入端的BNC连接器接直流高压源，输入端的BNC连接器的内导体接直流高压源正极，输入端的BNC连接器的外导体接直流高压源负极。输出端的BNC连接器接TLP电路的储能传输线，储能传输线也为BNC接口，两者直接对插即可实现互连。

如图9所示，TLP电路由储能开路传输线L₄、脉冲延迟传输线L₅和开关组件构成。开关组件内部包含一个继电器K1。在继电器K1未闭合时，直流高压通过同轴限流单元R_eq(R_eq是电阻R1～R5的串联等效电阻)对长度为L₄，特性阻抗Z₀的传输线L₄充电，直至传输线上充电到E。若传输线L₅右端接有与特定阻抗Z₀相等的负载R₀，当继电器K1闭合时，由于R_eq远远大于Z₀，即可把传输线L₄的左端看做开路，脉冲经过传输线L₅延时后（延时时间为L₅/v，v为电压波的传播速度），在负载R₀上即可获得维持时间为2L₄/v、幅值为E/2的方波电压。

如图10所示,TLP电路的开关组件通过水银湿式舌簧继电器K1实现。水银湿式舌簧继电器K1安装在金属壳体内，继电器K1的两端（信号输入端和信号输出端）分别接两个BNC连接器的内导体。BNC连接器直接固定在金属壳体上，BNC连接器的外导体与金属壳体导通。输入端的BNC连接器接储能开路传输线，输出端的BNC连接器的接延时传输线。水银湿式舌簧继电器K1的控制端线圈并联二极管D3进行保护。水银湿式舌簧继电器K1的控制端线圈接驱动放大单元。驱动放大单元是一个三极管，用于将脉冲控制单元的输出信号进行电压放大后施加到水银湿式舌簧继电器的控制端线圈上。三极管Q1基极接脉冲控制单元（开关K4的公共端，见图13），三极管Q1发射极接地（低压地），三极管Q1集电极接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极接24V直流电源。

如图11所示,储能开路传输线由电缆在圆筒骨架上绕制而成。电缆为同轴电缆，特性阻抗50Ω，圆筒骨架由环氧玻璃布管制成，同轴电缆在空心骨架上绕制一层，绕线10圈。线圈之间排列紧凑，不留缝隙，用胶粘接同轴电缆，使整个线圈牢靠固定在空心骨架上。同轴电缆的两端安装BNC连接器，与外部电路进行连接。储能开路传输线的圆筒骨架固定在箱体底板上。

如图12所示，延时传输线为一根同轴电缆，同轴电缆特性阻抗为50Ω，同轴电缆的两端安装BNC连接器，其中一端为BNC（阴极），另一端为BNC（阳极），BNC（阴极）端通过螺钉安装在面板上，对应面板上的信号输出端口。BNC（阳极）端的内导体接TLP电路的继电器（对应图10中的继电器K1），BNC（阳极）端的外导体接TLP电路开关组件安装的金属壳体。

如图13所示，脉冲控制单元由脉冲单次触发电路和脉冲连续触发电路组成。连续触发方式下，脉冲控制单元可控制脉冲的触发频率。单次触发通过按钮进行触发，每按下按钮一次，脉冲信号发生器便输出一个脉冲信号。连续触发通过振荡器进行触发，脉冲信号发生器输出脉冲信号个数与振荡器的频率相同。振荡器由555定时器构成。555定时器的1脚接地（低压地），555定时器的2脚、6脚和电阻R7的滑动端、R7的一个固定端连接到一起后，其公共点Uc接开关K2的公共端；电容C7、C8、C9的一端连接到一起后，其公共点接地（低压地）,电容C7、C8、C9的另一端分别接开关K2的三个信号路由分支端，555定时器的3脚接开关K4,用于输出振荡器波形；555定时器的4脚和8脚接电源Ucc，555定时器的7脚串联电阻R6和接电源Ucc，电阻R7的另一端接电阻R6和555定时器的7脚的公共端。开关K4的公共端接驱动单元，K4的另一个信号路由分支端接开关K3的一端，开关K3的另一端接+5V电源。

振荡器波形如图14所示。振荡周期为T=t_ph+t_pl=0.7（R₆+R₇）C。通过调整电阻R₇和电容C大小，可以改变振荡周期。电阻R₇为可调电阻，通过改变R₇的值可以精调振荡周期，电容C的值通过开关在电容C7、C8、C9中切换，通过改变电容C粗调振荡周期。电阻R₇的调节端对应面板上的频率调节旋钮，电容选择开关K2对应面板上PPS范围下的三个按钮。单次触发电路的开关K3对应面板上单次触发按钮。选择开关K4对应面板上频率调节按钮（频率调节按钮是带开关功能的电位器旋钮）。

频率计数与显示单元用于测量和显示输出脉冲信号的频率，方便脉冲信号发生器的使用。设计采用成熟的商业化频率计对脉冲触发信号进行频率测量，采用成熟的商业化数字面板仪表进行频率显示。频率计的显示器对应面板上的脉冲频率显示屏。

Claims

1.脉冲信号发生器，其特征在于：包括直流高压源、同轴限流单元、TLP电路、脉冲控制单元、驱动放大单元、频率计数与显示单元；

所述同轴限流单元用于控制TLP电路的充电电流大小；

2.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于：所述直流高压源包括依次连接的交流电源滤波器、接触调压器、电源变压器以及倍压整流电路，所述交流电源滤波器的输入端接市电，所述倍压整流电路的输出直流电压。

3.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于：所述交流电源滤波器包括电感L1、电感L2、电容（C1-C4），电源线L端接电容C2、电容C3、电感L1的一端；电源线N端与电容C2的另一端、电容C4的一端、电感L2的一端想接；电容C3的另一端与电容C4的另一端接地；电感L1的另一端接电容C1的一端；电感L2的另一端接电容C1的另一端；电容C1两端的电压为滤波后输出的电源电压。

4.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于：所述倍压整流电路包括整流二极管D1、整流二极管D2、电容C5、电容C6，整流二极管D1的阳极接整流二极管D2的阴极；整流二极管D1的阴极接电容C5的一端，整流二极管D2的阳极接电容C6的一端，电容C5的另一端和电容C6的另一端连接，输入交流电分别从整流二极管D1和整流二极管D2的公共端、电容C5和电容C6的公共端引入。

5.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于：还包括用于显示直流高压源的输出直流电压大小的电压显示单元；

6.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于：所述同轴限流单元包括多个串联的电阻、金属壳体以及两个BNC连接器，所述多个串联的电阻放置在金属壳体内，所述两个BNC连接器均固定在金属壳体上，串联的电阻的两端分别接两个BNC连接器的内导体，所述两个BNC连接器的外导体均与金属壳体导通，其中一个BNC连接器的外导体与直流高压源负极连接，另一个BNC连接器的外导体与TLP电路连接。

7.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于：所述TLP电路包括依次连接的储能开路传输线L₄、开关组件和脉冲延迟传输线L₅，所述储能开路传输线L₄的长度为L₄，特性阻抗为Z₀，所述脉冲延迟传输线L₅的另一端连接有负载R₀，

所述脉冲控制单元通过驱动放大单元控制开关组件的开合。

8.根据权利要求7所述的脉冲信号发生器，其特征在于：所述开关组件包括继电器K1、金属壳体、固定在金属壳体上的输入端BNC连接器以及输出端BNC连接器，所述继电器放置在金属壳体内，所述输入端BNC连接器的内导体与继电器的信号输入端连接，所述输出端BNC连接器的内导体与继电器K1的信号输出端连接，输入端、输出端BNC连接器的外导体均与金属壳体导通，输入端BNC连接器与储能开路传输线L₄连接，输出端BNC连接器与脉冲延迟传输线L₅连接；

9.根据权利要求1-8任一所述的脉冲信号发生器，其特征在于：

所述脉冲控制单元包括脉冲单次触发电路、脉冲连续触发电路以及选择开关K4；所述脉冲单次触发电路包括开关K3；所述脉冲连续触发电路包括555定时器、电阻R6、电阻R7、开关K2以及电容（C7-C9），

10.根据权利要求7所述的脉冲信号发生器，其特征在于：所述储能开路传输线L₄由电缆在圆筒骨架上绕制而成，所述脉冲延迟传输线L₅包括一根同轴电缆以及固定在同轴电缆两端的阴极BNC连接器和阳极BNC连接器，所述阴极BNC连接器固定在脉冲信号发生器箱体前面板上，所述阳极BNC连接器与开关组件中的输出端BNC连接器对接。