CN105932989A - 一种可调脉冲信号发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调脉冲信号发生装置，包括可调高压直流电源模块、双脉冲输出模块、智能控制模块和液晶显示电路，能够产生脉冲宽度、脉冲幅度、信号延迟等脉冲参数，充分可控的脉冲信号以满足特定的测试要求，可以产生大量的高速高精度的脉冲信号和数字激励，用于雷达、电子对抗以及计算机硬件系统等的研发与测试，同时可以与其他的测试设备共同检验设备的正确性和其性能指标的合格与否，采用TMS320F2812芯片作为可调脉冲信号发生装置的核心控制系统,稳定性高，精度高，能够满足电子通信、国防科技以及医疗等行业的不同需求,具有广泛的工程应用前景和理论学术意义。

Description

一种可调脉冲信号发生装置
技术领域
本发明涉及应用于现代测量与控制技术领域的脉冲信号发生器，特别是一种可调脉冲信号发生装置。
背景技术
脉冲信号在自然界中非常常见，比如打雷闪电，或者是某些爬行动物的瞬间捕食过程都包含了脉冲的信息。脉冲指的是某一个物理信号经过段时间的运动又回到原来的状态的活动，脉冲信号是一种离散信号，形状多种多样，与普通模拟信号(如正弦波)相比，波形之间在时间轴不连续(波形与波形之间有明显的间隔)但具有一定的周期性是它的特点。最常见的脉冲波是矩形波(也就是方波)。脉冲信号可以用来表示信息，也可以用来作为载波，比如脉冲调制中的脉冲编码调制(PCM)，脉冲宽度调制(PWM)等等，还可以作为各种数字电路、高性能芯片的时钟信号。脉冲的形成也是多种多样的，在电子信息技术领域内，我们经常需要制造出脉冲信号，来合成其他的信号源。
随着现代数字电子技术，计算机和数字信号处理技术朝着智能化、高速化的方向发展，以及它们在通信导航，航天航空等民用或军用领域的广泛应用，对于高精度，性能优良的脉冲信号发生器产生了很大的需求。高速脉冲发生器是非常重要的信号源，可以产生各种复杂的数字激励以及幅度可控、脉宽可调的高速、稳定且稳定度高的脉冲信号。根据其输出信号频率的高低可以分成高频脉冲信号发生器和低频脉冲信号发生器。脉冲信号发生器的原理很简单,但是要得到相对高的精度,采用传统的元器件构成的电路却是非常庞大和复杂的。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种高性能的可调脉冲信号发生装置。
为实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种可调脉冲信号发生装置，其特征在于，包括：
一个可调高压直流电源模块，该可调高压直流电源模块由整流滤波电路、BUCK调压电路，逆变升压电路，十倍压整流电路构成；
一个双脉冲输出模块，用于将可调高压直流电源模块的输出端的正负两极与脉冲放电载体连接，形成输出双脉冲辉光放电；
一个智能控制模块，用于检测输出脉冲电压的幅值并加以显示，或者根据输入改变脉冲参数的值，从而控制频率、占空比，实现有级调节；
一液晶显示电路，用于实时监测脉冲信号当前运行状态；
智能控制模块分别连接BUCK调压电路、逆变升压电路、十倍压整流电路、直流斩波电路、液晶显示电路以及直流斩波输出端。
其中，所述的智能控制模块选择TMS320F2812芯片。
所述的双脉冲输出模块采用开关管S和两个电阻构成，所述的开关管S为两个串联的开关管IGBT。
所述的液晶显示电路由液晶模块、两个单片机和多路选择器构成。
所述的BUCK调压电路采用BUCK降压型斩波电路，主要由全控型开关器件VT1，续流二极管VD1，电感线圈L1，滤波电容器C1以及负载组成。所述的整流滤波电路采用桥式整流电路。
本发明设计的可调脉冲信号发生装置；具有脉冲的上升沿时间短，脉冲频率可调，脉冲占空比可调，体积小；通过调节电路的输出从而达到调节整个脉冲电源输出的电压幅值等特点。可以用于驱动放电装置辉光放电的快速可调脉冲电源，由于加入了双脉冲输出模块，其优点就是快速可调脉冲电源在大气压中进行辉光放电时，能够产生更长的电晕，这样就可以产生更多的等离子体。双脉冲输出模块采用开关管S和两个电阻构成，开关管S为两个串联的开关管IGBT进行分压，解决了单个开关管耐压不够的问题，与此同时还设计了一种缓冲电路以及防浪涌热敏电阻，使得该装置的可靠性能大大提升，在各种干扰条件下保证线路器件不会损坏。该可调脉冲信号发生装置稳定性高，精度高，能够满足电子通信、国防科技以及医疗等行业的不同需求,具有广泛的工程应用前景和理论学术意义。
附图说明
图1是本发明的可调脉冲信号发生装置总体结构框图；
图2是桥式整流滤波电路图；
图3是BUCK斩波电路图；
图4是隔离式半桥逆变电路图；
图5是倍压整流电路图；
图6是双脉冲输出电路图；
图7是缓冲电路图；
图8是液晶接口电路图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
1、可调脉冲信号发生装置总体结构设计
本实施例给出一种可调脉冲信号发生装置，总体结构框图如图1所示，包括H.V.DC(可调高压直流电源)模块，双脉冲输出模块和智能控制模块，其中，H.V.DC(可调高压直流电源)模块由整流滤波电路、BUCK调压电路、逆变升压电路、十倍压整流电路组成。
双脉冲输出模块,用于将可调高压直流电源模块的输出端的正负两极与脉冲放电载体连接，形成脉冲电源输出；
智能控制模块，用于检测输出脉冲电压的幅值并加以显示，或者根据输入改变脉冲参数的值，从而控制频率、占空比，实现有级调节；
一液晶显示电路，用于实时监测脉冲信号当前运行状态；
智能控制模块分别连接BUCK调压电路、逆变升压电路、十倍压整流电路、直流斩波电路、液晶显示电路以及直流斩波输出端。
图中220V工频交流电经可调高压直流电源模块中的整流滤波电路后，通过BUCK调压电路后转变为可调直流电，再通过逆变升压电路转换成高频电压，高频变压器的次级输出连接十倍压整流电路，输出高压直流电，再经过直流斩波电路将直流电压斩波成频率和占空比可调的脉冲电源输出供应给负载。图1中的上半部分为可调高压直流电源和双脉冲输出模块，下半部为智能控制模块，智能控制模块以数字信号处理器(DSP)为核心，本申请中，智能控制模块采用TMS320F2812芯片，用于检测输出脉冲电压的幅值并加以显示，也可以根据输入改变脉冲参数的值，从而控制频率、占空比等，实现有级调节。
2、可调高压直流电源(H.V.DC)模块设计实现
本申请所设计的可调高压直流电源(H.V.DC)模块是基于数字信号处理器(DSP)所设计，包括整流滤波电路、BUCK调压电路，逆变升压电路，十倍压整流电路，以下分别进行介绍。
2.1整流滤波电路设计
整流滤波电路采用桥式整流电路，该电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源在正、负半周内都有电流供给负载，电源得到了充分的利用，效率较高。如图2所示为桥式整流滤波电路的结构图，包括四个二极管(VD1～VD4)、电感线圈L和两个电容(Cd和Cin)，该电路中的两个电容起滤波的作用。
2.2BUCK调压电路的设计
本申请中，BUCK调压电路采用BUCK降压型斩波电路，BUCK降压型斩波电路是将直流电变成另外一种固定电压或电压可调的直流电。本申请选用BUCK型降压电路作为快速可调脉冲电源系统中的直流调压电路，该电路主要由全控型开关器件(开关管VT1)，续流二极管VD1，电感线圈L1，滤波电容器C1以及负载组成，电路图如图3所示，其工作原理是当开关管VT1导通时，直流电源向负载供电U0＝E，当开关管VT1关断时负载电流经二极管VD1续流，负载电压近似为0，为了使负载电流连续且脉动小，通常使串接的电感线圈L1值较大。通过PWM信号控制电路中幵关管VT1的开通与关断进而达到直流调压的目的。
3、逆变升压电路设计
可调高压直流电源属于特种开关电源，而特种开关电源须采用隔离式逆变电路保证高压侧与低压侧隔离，因此本方案中采用的逆变电路采用的是隔离式逆变电路，该电路里面含有高频变压器(图中的T1)。逆变电路的输出特性主要受其工作频率和电路结构的影响，根据经验选择15kHz最好。逆变电路主回路要避免让高频变压器工作时产生直流偏磁现象。目前大多数逆变电路为全桥逆变电路，但是全桥式逆变电路有个缺点，就是通常在电路工作时就会产生偏磁积累现象，并且很难消除，这样肯定会对电路稳定工作产生很大的影响。因此为了提高高压脉冲电源系统的输出的可靠性，本设计方案采用了隔离式半桥式的逆变电路。电路结构如图4所示。该电路的两个桥臂各有一个全控型开关管(VT1和VT2)，分别由可调脉冲信号发生装置的智能控制模块输出控制信号控制，直流侧串联两个足够大的电容(C1和C2)，半桥逆变电路的输出端为桥臂间连接点和两个电容间的连点，开关管VT1和VT2选择的是英飞凌公司生产的型号为IKB06N60T的IGBT开关管。其工作原理是，IGBT开关管VT1和VT2采用相同型号相同耐压等级，IGBT开关管VT1和VT2的工作状态受驱动脉冲控制，电容C1和C2也是相同型号相同耐压等级。直流电经过逆变后与高频变压器T1相连，C3是直流隔离电容，二极管VD1和VD2用于变压器漏感储能释放，能量再生通路，线圈L1和电容C4的作用是滤波。
4、十倍压整流电路设计
十倍压整流电路如图5所示，该十倍压整流电路能够将1000V的脉冲交流电输出转变成10KV直流电输出。每个电容器上的电压不会超过变压器峰值的2倍，即2U，所以可以选用耐压等级低的电容，而且纹波很小。
5、双脉冲输出电路设计
图6所示是双脉冲输出电路，该双脉冲输出电路的设计是将两个IGBT串联，对其进行同步的开关断，进而对直流电压进行斩波，最终形成脉冲电源的输出。可调高压直流电路的正负极通过开关管S(两个串联的IGBT)再与一个电阻值很大的电阻R相连，最后再与放电载体连接。当系统运行时，可调高压直流输出最高为10kV的电压，使3个脉冲放电载体的正负级之间在空气中放电形成双路电流脉冲输出。本方案中选择不锈钢针尖作为脉冲放电载体，因为它可以获得前沿陡峭的窄脉冲。
6、保护电路的设计
为了使脉冲电源能够安全有效的工作，各种各样的保护电路是必不可少的，它们能改善元器件的工作环境，在发生故障时，也能将损失降低到最小。
6.1缓冲电路
由于变压器中存在漏感，在IGBT管导通瞬间，变压器漏感很大的瞬时阻抗使开关管IGBT两端电压迅速下降到0，并减缓了电流的上升速率。在开关管IGBT关断时，由于开关管IGBT的电流下降速度很快，在开关管IGBT两端的电压开始显著上升之前，其电流基本己经下降到0，设置缓冲电路的主要目的是降低变压器的漏感尖峰电压，以减小开关管IGBT的开关应力。缓冲回路如图7所示。
6.2防浪涌热敏电阻
开关电源在上电工作的瞬间，由于滤波电容上的初始电压为0，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流，这个大电流很容易导致输入部分的元器件发生损坏，为了保护元器件不受大电流的损坏，可在熔断器后串接一负温度系数的功率热敏电阻。当开机工作时，随着工作温度的升高热敏电阻被加热，阻值降低，它消耗的功率可以忽略不计，不会对正常的工作电流造成影响。
7、液晶显示电路
为了让用户可以便捷地操作界面，并且能正确地显示系统当前的运行状态，液晶显示电路采用液晶模块、两个单片机(AT89C52、AT89C51)和多路选择器CD4052构成，其中，拥有3个定时器的单片机AT89C52来执行输出信息采集及其数据处理和液晶模块的显示工作，同时需要多路选择器CD4052选择两个单片机与液晶模块的通路。液晶显示电路如图8所示：单片机AT89C51的Pl.1和Pl.2引脚与CD4052的A、B引脚相连，在单片机AT89C52程序的控制下，通过改变单片机AT89C51上P1.1与P1.2引脚上的高低电平，即可实现使多路选择开关选通不同的数据通路。
由于采取以上技术方案，本实施例的可调脉冲信号发生装置具有以下特性：
1、采用基于DSP技术的可调脉冲信号发生装置结构简单，稳定性高，精度也高，可以满足不同领域的需求，可以广泛应用于各行各业特别是通信、导航，航空航天，国防以及医疗等行业。
2、系统在设计时加入了缓冲电路以及防浪涌热敏电阻，使得该装置的可靠性能大大提升，在各种干扰条件下保证线路器件装置不会损坏。
3、增加了液晶显示电路，可以让使用者实时监测脉冲信号当前运行情况，使整个可调脉冲信号发生装置具有可视化的界面，更加有利于信号的精确化控制。同时也让用户可以更加便利地操作该可调脉冲信号发生装置。

Claims (7)

1.一种可调脉冲信号发生装置，其特征在于，包括：
一个可调高压直流电源模块，该可调高压直流电源模块由整流滤波电路、BUCK调压电路，逆变升压电路，十倍压整流电路构成；
一个双脉冲输出模块，用于将可调高压直流电源模块的输出端的正负两极与脉冲放电载体连接，形成输出双脉冲辉光放电；
一个智能控制模块，用于检测输出脉冲电压的幅值并加以显示，或者根据输入改变脉冲参数的值，从而控制频率、占空比，实现有级调节；
一液晶显示电路，用于实时监测脉冲信号当前运行状态；
智能控制模块分别连接BUCK调压电路、逆变升压电路、十倍压整流电路、直流斩波电路、液晶显示电路以及直流斩波输出端。
2.如权利要求1所述的可调脉冲信号发生装置，其特征在于，所述的智能控制模块选择TMS320F2812芯片。
3.如权利要求1所述的可调脉冲信号发生装置，其特征在于，所述的双脉冲输出模块采用开关管S和两个电阻构成，所述的开关管S为两个串联的开关管IGBT。
4.如权利要求1所述的可调脉冲信号发生装置，其特征在于，所述的液晶显示电路由液晶模块、两个单片机和多路选择器构成。
5.如权利要求1所述的可调脉冲信号发生装置，其特征在于，所述的BUCK调压电路采用BUCK降压型斩波电路，主要由全控型开关器件VT1，续流二极管VD1，电感线圈L1，滤波电容器C1以及负载组成。
6.如权利要求1所述的可调脉冲信号发生装置，其特征在于，所述的整流滤波电路采用桥式整流电路。
7.如权利要求1所述的可调脉冲信号发生装置，其特征在于，进一步还包括有缓冲电路以及防浪涌热敏电阻。
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