纳秒级高压窄脉冲发生器的设计

1、【摘摘 要要】 脉冲技术在电力系统高压绝缘监测、激光技术、微波技术和电磁兼容性等 试验方面得到了广泛的应用，如固体绝缘空间电荷分布的测试装置、超宽带 （uwb）无线电通讯技术、电火花加工表面粗糙度检测和除尘技术等。目前， 产生这种纳秒级高压脉冲的方法有两种：第一，利用波传输的原理，这种方法 能得到的脉冲波形电路简单，易于实现，但波形的对称性有待提高；第二，通 过控制火化间隙放电得到窄脉冲，利用这种方法制成的脉冲源，其脉冲的频率 不易调节，脉冲波形不稳定。 在本文中，研制的便携式纳秒级高压脉冲发生器中，以 rlc 振荡电路替换 rc 充电电路，通过控制 mosfet 的导通和关断，使振荡回路中的

2、电感上产生 高压脉冲。所制成的是一种高压窄脉冲发生器，具有输出脉冲宽度在 20ns100ns 可调，输出电压幅值在 5001000 v 可调，且具体积小、重量轻、 脉冲频率可调等优点。 关键词：高压窄脉冲；rlc 振荡；纳秒级；nec555 目录 1 1 引言引言.3 3 2 2 脉冲发生器的种类和各自的优缺点脉冲发生器的种类和各自的优缺点.5 5 2.1 高压脉冲发生器 .5 2.1.1 高压脉冲发生工作原理 .5 2.1.2 高压脉冲形成电路 .5 2.1.3 高压脉冲发生器的优缺点 .6 2.2 毫微秒脉冲发生器 .6 2.2.1 毫微秒脉冲发生器的原理 .7 2.2.2 毫微秒脉冲发生

3、器的优缺点 .8 2.3 基于单片机的高压脉冲发生器 .8 2.3.1 基于单片机的高压脉冲发生器原理 .9 2.3.1 基于单片机的高压脉冲发生器的优缺点 .10 2.4 超短脉冲发生器 .10 2.4.1 超短脉冲发生器原理 .10 2.4.2 超短脉冲发生器的原理 .12 2.4.3 超短脉冲发生器的优缺点 .13 2.5直接耦合式高压脉冲电源 .13 2.5.1 直接耦合式高压脉冲电源原理 .14 2.5.2 直接耦合式高压脉冲电源优缺点 .15 2.6 利用 mosfet 产生纳秒级窄脉冲（半导体器件为开关）.15 3 3 集成集成 555555 定时器的介绍定时器的介绍.1717

4、3.1 555 定时器的电路结构与工作原理.17 3.2 555 定时器内部结构简化图.18 3.2.1 分压器： .18 3.2.2 比较器 .18 3.2.3 基本 rs 触发器 .19 3.2.4 放电器与输出缓冲器 .19 3.3 集成 555 定时器的引脚介绍 .20 3.4 集成 555 定时器构成的多谐振荡器 .21 3.4.1 多谐振荡器电路的构成 .21 3.4.2 振荡频率的估算 .22 3.4.3 多谐振荡器的功能及应用 .23 4 4 纳秒级高电压脉冲发生器的主电路设计及试验结果纳秒级高电压脉冲发生器的主电路设计及试验结果.2424 4.1 高压脉冲装置的组成 .24

5、4.1.1 直流稳压电源部分 .24 4.1.2 高压脉冲成形电路 .25 4.2 产生的脉冲形状及分析以及对此发生器的评价 .27 4.3 开关电路的设计与试验 .28 4.4开关驱动电路设计 .32 4.4.1开关驱动电路 .32 4.5 主回路电路设计 .33 4.5.1 电路的仿真分析 .34 4.6 电路参数的确定及实测结果 .35 4.6.1 电路参数对波形影响的分析 .35 4.6.2 实验结果及分析 .37 4.7 结论 .37 5 5 总结总结.3838 致谢致谢.3939 参考文献参考文献.4040 附录附录.4141 1 1 引言引言 最近几年，随着科学技术的发展，人们研

6、制出了新的测试技术，以迎接业 界新标准快速发展所带来的挑战，例如各种信号发生器，半导体和通信技术， 脉冲测试技术在许多领域中得到了广泛应用。 比如高压脉冲发生器在实际生活中被得以广泛的应用。在静电除尘方面， 脉冲供电技术是静电除尘中一种先进的供电方式；在通信领域，被用于超宽带 uwb 无线通信技术；还用于测量空间电荷的分布；在食品灭菌领域，高压脉冲 电场杀菌是一种全新的非热处理杀菌方法；以及在医疗领域，可利用体外高电 压脉冲放电产生震波来粉碎人体内的结石；当然，高压脉冲发生器也可应用于 一些储能设备中高压脉冲放电开关的触发，引爆高压火花隙雷管等场所。 毫微秒脉冲发生器在电子能谱测量的飞行时间（

7、tof）技术中有着重要的 应用。基于单片机的高压脉冲发生器，在产生脉冲宽度、脉冲个数、脉冲电压 强度均需要调节的高压脉冲电场中有着广泛应用。而对于超高分辨率雷达、扩 频通信技术以及其它许多需要宽带辐射的应用来说，超短脉冲发生器是十分重 要的，从某种程度上来讲，超短脉冲的形成技术已成为许多宽带应用中的核心 技术。 在静电除尘中脉冲供电等技术是一种先进的供电方式，而开关元件是脉冲 装置的关键部件。高压脉冲电源种类有多种，按高压脉冲电源的实现的方法其 可分为机械开关式，高压固态开关式，和 marx 网络（marx 发生器）等。其中 高压固态开关式，和 marx 网络可实现纳秒级的窄脉冲和很高的脉冲频

8、率。 集成 555 定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路，是一种将模拟功 能和逻辑功能集成在同一硅片上的单片时基电路。该集成电路是美国 signetics 公司在 1972 年推出并投放市场的，目前世界上几乎所有的半导体厂家都有同类 产品，而且型号上都有“555”三个字（例如国产的 fx555，5g555，j555 及国 外的a555，ne555 等） 。 集成 555 定时器使用灵活方便，只需外接少量的电阻和电容元件，就可以 构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器，可以应用于仪器、仪表、自 动装置、防火防盗报警器、民用电子产品等。多谐振荡器则巧妙地运用了电容 的冲放电及与非门的通断条

9、件把直流电转换成脉冲信号，此脉冲信号经放大， 再经变压器变压可实现直流电转换成交流电。根据 555 定时器的功能特性，利 用电容的充电需要一定的时间，经元件组合，可成为一个定时智能电路，如门 铃，以及其它智能开关报警器等。 自从 takada 教授在 1983 年提出的电声脉冲法，现已发展成为研究固体介 质中空间电荷分布的一种成熟的测量技术，其基本原理是受电脉冲作用的介质 试样内部有空间电荷存在，故会产生不均匀形变，测量声信号可从中得到空间 电荷分布的信息，测量灵敏度及分辨力与电脉冲的形状密切相关，故电压脉冲 发生器为该装置的关键部件，但传统的电压脉冲发生器由火花间隙产生电脉冲， 其缺点是脉冲

10、频率不易调节，脉冲波形易变化。在本论文中介绍介绍了一种体 积小，重量轻的新型 ns 级电压脉冲发生器，它可用于电声脉冲法测量空间电荷 的试验装置中，该发生器采用以开关电路为基础的电源代替原来的工频整流电 源，以湿簧管代替火花间隙，使得电源的重量下降到原来的体积也大缩小 d 1 5 经试验可输出脉冲宽度为 20ns 幅值最高为 2000v 的可调纳秒级脉冲电压。 本论文主要研制的是高压 ns 级高压脉冲发生器，开关电路的设计是本文 研究的重点。采用由高频开关电路和脉宽调制原理制成的直流高压电源，代替 传统的由工频高压变压器和整流电路制成的直流电源作为脉冲发生器电源，使 输出的直流电压基本不受电网

11、波动而波动,从而得到稳定的直流电压。并且以 rlc 振荡电路作为主电路, 通过控制开关电路的导通和关断,使振荡回路中的电 感上产生高压脉冲。该脉冲发生器具有输出脉冲宽度 20100 ns 可调、最高输 出电压 1000 v 、体积小、脉冲频率可调等优点。 2 2 脉冲发生器的种类和各自的优缺点脉冲发生器的种类和各自的优缺点 脉冲发生器的种类很多，用途广泛，本章节主要介绍五种发生器，即高压 脉冲发生器，毫微秒脉冲发生器，基于单片机的高压脉冲发生器， 2.1 高压脉冲发生器 随着科学技术的发展，各种信号发生器己在许多领域中得到了广泛应用。 这里所介绍的高压脉冲发生器可应用于一些储能设备中高压脉冲放

12、电开关 的触发，引爆高压火花隙雷管等场所。由于高压脉冲发生器可以被其它信号产 生器触发，且在高压脉冲产生的同时有一路输出幅度较低与它只有几个 ns 延迟 的同步信号输出，因此在某些要求进行时间控制的场合更为适用。另外此高压 脉冲发生器有一路直流高压输出，也可作为高压充电电源对高压储能电容充电。 2.1.1 高压脉冲发生高压脉冲发生工作原理 高压脉冲发生器主要由低压电源、高压组件、高压脉冲形成、触发控制电 路、同步信号输出、触发指示电路六部份组成。 （如图 2-5）所示。 图 2-5 高压脉冲发生器方框图 2.1.2 高压脉冲形成电路 高压脉冲形成电路包括储能电容、触发管、限流电阻等几部分。 图

13、 2-6 高压脉冲电路 高压组件通过限流电阻 r13 对储能电容 c9 充电，触发时触发控制电路输出 的触发脉冲使触发管导通，储能电容通过触发管、负载放电，产生一负高压脉 冲。 2.1.3 高压脉冲发生器的优缺点 优点：高压脉冲发生器可以被其它信号产生器触发，且在高压脉冲产生的 同时有一路输出幅度较低与它只有几个 ns 延迟的同步信号输出，所以在某些要 求进行时间控制的场合比较适用。另外此高压脉冲发生器有一路直流高压输出， 也可作为高压充电电源对高压储能电容充电。 缺点：高压脉冲的延迟是指从外触发输入到高压脉冲输出这段时间内各部 分电路延迟时和，容易引起引起高压脉冲延迟和晃动。高压脉冲的晃动是

14、指任 意两次高压脉冲之间的时间差。原因有多方面，主要包括触发控制电路和触发 管产生的延迟和晃动。 高压脉冲形成电路中触发管前级的电路引起的脉冲晃动较小，而触发管的 阳极高压对晃动的影响则较为明显。另外触发控制电路产生的延迟较稳定，而 触发管的阳极高压对延迟的影响较大，因此在使用过程中，特别是对于高压脉 冲输出信号有严格的的时间要求时，应根据需要合理选择高压，以减小高压脉 冲的延迟和晃动带来的误差。 2.2 毫微秒脉冲发生器 毫微秒脉冲发生器在电子能谱测量的飞行时间（tof）技术中有重要的应用。 由于需要定时，tof 谱仪必须使用脉冲电子束，采用把脉冲偏转系统产生的高 能脉冲电子束打在二次电子靶

15、上，产生宽能区的二次脉冲电子谱， 需要在 tof 谱仪偏转系统上加毫微秒脉冲，实现对脉冲电子束的调制。为了获得 tof 谱仪 测量需要的高能脉冲电子束，本文利用晶体管的雪崩特性设计制作可以按需要 改变输出脉冲宽度的毫微秒脉冲发生器。 2.2.1 毫微秒脉冲发生器的原理 晶体管工作在雪崩状态可以产生大幅度、毫微秒上升时间的高速脉冲。图 2-7 是利用晶体管的雪崩特性设计的脉宽由成形电缆决定的毫微秒脉冲电路。 利用此简单的雪崩电路和通用脉冲发生器可获得上升时间 1ns、50 负载下最 大输出脉冲幅度 35v、脉冲成形宽度 20ns、最大重复频率 60khz 的毫微秒脉冲， 其输出波形如图 2-8

16、所示。 图 2-7 毫微秒脉冲电路 图 2-8 所示脉冲的峰顶及后沿都较差，而且尾部出现 5v 的伴随脉冲。为 克服这些缺陷，设计出如图 3 所示的两级平行连接的毫微秒脉冲发生器。 图 2-8 毫微秒脉冲电路输出波形 图 2-9 中，通用脉冲发生器输出的上升时间为 10ns 的正脉冲，经过 r1c1， 组成的微分网络微分后成为 1ns 的尖脉冲，从而使静态时处于截止状态的三极 管 t1产生雪崩。静态时电源对小电容 c2充电，使其储存一定量的电荷。雪崩时 使 t1，处于低阻状态，c2中的电荷极快释放出来。因时间常数 较小，因此在 输出 1 端得到的是一个尖脉冲。其上升时间决定于雪崩晶体管的开关性

17、能及与 之相关电路的匹配（为 0.8-0.9 ns） 。脉冲高度取决于电容 c2的触发信号到达 前的充电电压（可得到 10v 高度) 。 图 2-9 通用脉冲发生器 在另一路，由 t1射极输出的 ns 正脉冲又成为三极管 t2的触发信号，正信 号的输人导致 t2雪崩， 使作为储能元件的成形电缆 dl 放出所储电荷，从而在 t2 射极产生一正的快前沿脉冲。该脉冲的宽度决定于成形电缆（特性阻抗为 50 的同轴电缆)的延迟时间 t=2dl，而电缆延迟时间为 5ns/m，因此可以按 需要改变输出脉冲的宽度。 2.2.2 毫微秒脉冲发生器的优缺点 可以输出两种脉冲。 一种是：尖脉冲输出（输出 1） ，上

18、升时间 tr，a 输入为高电平，即=1（逻辑 1） ，而若 6vcc 2 3v av 使，输出为低电平，即=0（逻辑 0） ，当输入信号使，则=0； cc 2 3v ov 若，则=0；tr cc 1 3v ov 若 th，则保持原态。 cc 2 3v tr cc 1 3v ov 并且得到：不允许输入 th， “1” cc 2 3v cc 1 3v 高（h）低（l）导通 cc 1 3v 高（h）原状态原状态 “0” cc 2 3v 0.5 时 q 对电路也起到了升压 1 0 q nq u u （1- ） 作用。若将输出模式控制端接地，则输出 q50%,且 q 越大，升压作用越强。q 为其最大值

19、96%时相当于升压 24 倍。 在此发生器中此电路为升压电路，适当地调节 q 和 n 可得到相应的升压； 因所需要的功率很小，并且在变压器的副边输出电压远远大于 d 的压降，故不 考虑对仪器效率的影响。 考虑到电路复杂性和成本等，选择常用的脉宽调制方式控制开关电源中功 率 mos 管 t。 4.1.2 高压脉冲成形电路 选择结构简单，性能稳定的传输线储能脉冲发生器电路为 ns 级脉冲形成电 路，用同轴电缆变换和传输脉冲，在负载电阻 rh和传输线波阻抗 相同的理 想匹配时负载上出现矩形脉冲。但通常两者不是严格相同的。当 rh 时，脉 冲呈现阶梯状,同极性；当 rh() udd时，端子 3 输出电

20、压低，c1将通过端子 3 缓慢放 2 3 电；c1上电压() udd时，端子 3 极性反转，重新对 c1充电，因端子 7 与 3 极 1 3 性相反，故充放电过程中，端子 7 控制的三极管也将相应地导通和截止； （3）当端子 7 电压为高时，555 定时器内部 mos 管导通，三极管 2n2222 截 止；当端子 7 电压为低时，555 定时器内部 mos 管截止，图 10 中的二极管导通。 快速二极管 fr1.5 作为续流电路，保护开关的晶体管。电阻 r1使续流电流幅值 减小，持续时间增加，避免电感上出现二次过电压。 图 4-5 555 定时器控制电路图 4.2 产生的脉冲形状及分析以及对此

21、发生器的评价 控制 mos 管的导通时间可调节 占空比 q 以调节输出脉冲电压。这 里介绍的仪器输出脉冲范围为几 v2kv。当 r1=r2时，用分压比为 1：100 的阻容式分压器测得的脉冲 波形示于图 4-6。 由图 4-6 可见总体上脉冲波形 较好，但仍可见有很小的抖动，原 因可能是：传输线不可能完全均 匀；仪器元器件的参数误差； 脉冲发生器产生的电脉冲波形很窄， 其高频成分引起的常规元器件高频 效应影响脉冲电路匹配；元器件 的尺寸使各部件引线的微小电感影响波形。脉冲 图 4-6 输出的脉冲波形 初始波形的负值是因在此频率下元件分布参数的时延及残余电感的影响所致。 用 tl494 脉宽调制

22、型控制器为 mos 管的驱动电路，其单端反激型开关电路 输出的直流电压经过脉冲成形线及脉冲传输线可产生幅值最高达 2kv 脉冲宽度 20ns 的可调 ns 级脉冲电压。 4.3 开关电路的设计与试验 根据前面 3.4 节对集成 555 定时器构成的多谐振荡器的说明，以及各种不 同脉冲发生器的介绍，本论文需要设计的控制脉冲为占空比 50%，频率为 1- 10hz，因此在设计的过程中， ，其中选用的电阻，可调电 b r a r a r10k b r 阻选用 01m,固定电阻用 100k，c 取 1f，上的电压加+5v。 cc u 根据上述的参数和 555 多谐振荡器的基本电路，制作相应的电路，并对

23、波形 进行测试。 1） 当 中的可调电阻为时，即， b r 1 a 1001000 b rkr 0.777 1 0.7 (101001000)tkkk1 f =0.77 2 0.7 (1001000)tkk 1 f 12 1.547ttts 1 646fmhz t 的输出波形如下图 4-7 和 4-8 所示。 0 u 图 4-7 t=1.513s f=661.0mhz 占空比 +49.92% -50.08% 图 4-8 t=1.5s f=666.7mhz 占空比 +49.93% -50.07% 由图可知，当 中的可调电阻为时， b r 1 t 1.5s， f 666mhz， 占空比约为 50%

24、， （示波器每格单位为 5v，即幅值约为 4.8v。 ） 2）当 中的可调电阻调到时，即 b r 500k100500 b rk =0.427， 1 0.7 (10100500)tkkk1 f ， 2 0.7 (100500) 10.42tkkf ， 12 847tttms ， 1 1.1806fhz t 所以在改变可调电阻后，的输出波形如下图 4-9 所示 0 u 图 4-9 t=559.6ms f=1.787hz 占空比 +50.32% -49.68% 由上图可知，当 中的可调电阻改变阻值后，测得的数据如下： b r t 559.6ms， f 1.787hz， 占空比约为 50% 幅值约为

25、 4.8v。 3）当 中的可调电阻为时 b r0k ， 1 0.7 (10100) 10.077tkkf ， 2 0.7 10010.07tkf ， 12 147tttms ， 1 6.802fhz t 的输出波形如图 4-10 所示。 0 u 图 4-108 t=153.5ms f=6.515hz 占空比 +51.99% -48.01% 由上图可知，当 中的可调电阻为时，测得数据如下： b r0k t 153.5ms， f 6.515hz， 占空比约为 50% （图 3-8 每格单位为 2v，幅值约为 4.8v） 由此可见，对于振荡电容固定的电路来讲，可以通过改变电阻的阻值实 b r 现对震

26、荡频率的调节。本论文中对于 rb 电阻采用可调电阻和固定电阻组成，实 现振荡频率大约在 1-10hz 的调节范围内。为了对 ne555 振荡电路工作电路更深 的了解，对处和处的波形进行了测量。 0 uvc 图 4-11 t=431.8ms f=2.316hz 占空比 +509.53% -49.47% 由图 4-11 可知，当电容 c 被充电时，上升，当上升到时，触发器 c c 2 3 vcc 被复位；当电容 c 通过放电时，下降。在下降到时，触发器又被置 c c 1 3vcc 位。可见图像显示于之前的理论说明一致。 4.4开关驱动电路设计 对于 555 振荡器产生的信号，其功率小，不足以去驱动

27、开关，因此在驱动 开关之前，需要对控制信号进行放大，本论文采用 npn 三极管对控制信号进行 放大。 4.4.1开关驱动电路 根据上述三级管的放大原理，本论文采用共基极的电路，电路如图 4-12 所 示。 图 4-12 共基极放大电路 其控制过程为：当 1 号点的电平为低电平（0）时，三极管处在截至状态， 2 点与地点的阻抗为无穷大，因此在 2 点的电压为+15v，反之，当 1 号点的电 平为高电平（5v）时，三极管处在导通状态，2 点与地点的阻抗很小，因此在 2 点的电压为 0.7v。并对该电路进行了不同频率测试，测试结果如图 4-13、4- 14 所示。从测试的结果可以看出，测试的结果和设

28、计相一致。 图 4-13 t=428.8ms f2.332hz 占空比 +50.54% -49.46% 图 4-14 t=154.1ms f=0.489hz 占空比+51.98% -48.02% 4.5 主回路电路设计 纳秒级高压脉冲发生器的基本工作原理如图 4-15 所示。 图 4-15 高压脉冲发生器的基本电路原理图 从图 4-15 中可以看出整个电路由直流高压电源 dc、充电电阻 rt、脉冲电 容器 c、阻尼电阻 rv、高压开关 k（本文利用 mosfet 作为开关）和电感 l 组成。 其工作过程为：控制高压开关断开，利用直流高压电源通过充电电阻向脉冲电 容器充电，当电容充满电后，控制高

29、压开关导通，使 rlc 回路发生振荡，这时 在电感上就产生了纳秒级的高压脉冲，通过调节 rlc 的参数、直流电源的输出 电压和高压开关的工作频率，从而在电感上得到了不同电压、不同频率和不同 脉宽的脉冲信号。从上述的整个电路来看，高压开关的导通速度对整个电路是 否能得到纳秒级的高压脉冲起到了至关重要的作用，为了得到纳秒级脉冲，就 需要采用导通速度非常快的开关。因此，本文采用高速 mosfet，其导通时间为 10ns。此外，还使用加快 mosfet 导通速度的方法使 mosfet 的导通时间大大缩 短。 4.5.1 电路的仿真分析 为了确保这种振荡电路是否能产生窄脉冲，本文利用 pspice3.0

30、 版本的仿 真软件在 windowsxp 下对上述的整个电路进行了仿真。其仿真的电路及电路中 各个参数如下，见图 4-16。 图 4-16 仿真电路及各电路参数 仿真的程序如下： a pulse generate v1 1 0 dc 1000v 电压值 r1 2 1 rmod 2e6 电阻值 c1 2 0 cmod 10pf ic=0 电容值 r2 2 3 rmod 300 电阻值 l1 4 0 lmod 4uh ic=0 电感值 w1 3 4 5 6 smod 开关 v2 5 6 pulse（0 15 0 0 0 0.1s 0.2s）脉冲控制电源 .model rmod res(r=1 tc

31、1=0 tc2=0) .model cmod cap(c=1 vc1=0 vc2=0 tc1=0 tc2=0) .model lmod ind(l=1 il1=0 il2=0 tc1=0 tc2=0) .model smod vswitch ron=5 roff=5e+12 von=12 voff=0.8v .tran 5ns 10s 瞬态分析 .probe 图形显示 .end 电路中充电电容和电感上的仿真电压波形如图 4-17 所示。 图 4-17 充电电容和电感上的仿真电压波形图 从仿真的结果来看，在充电电容 c 和电感 l 上都得到了理想的波形，电感 上的电压是在充电电容上电压的下降沿产

32、生，即在 mosfet 导通后，充电电容 c 和阻尼电阻 rv、电感 l 发生串联振荡形成的，这与实际的情况相一致，并在电 感 l 上得到了非常理想的 20ns 高压脉冲信号。因此，利用这种振荡的原理是可 以获得超窄高压脉冲的。 4.6 电路参数的确定及实测结果 4.6.1 电路参数对波形影响的分析 从图 4-15 可以看出，整个电路可以分为 rc 充电回路和 rlc 串联振荡回路 两部分，以下对电路中各个器件的参数对波形的影响进行了分析。 1）电阻 rt 由原理图可知，振荡回路的能量完全来源于充电电容所储存的能量，因此， 充电电容在 mosfet 导通前是否充分充电是非常重要，而对于电路的前

33、部分 rc 充电回路来讲，时间常数 是一个重要的参数, 值越大，充电速度愈慢； 反之则速度愈快。充电时间常数 和电容上的电压可分别用下式表达: (1)rc (2)1 ( rc t euu dcc 充电回路的时间常数 决定了电容器能否被充分充电，也就是在 mosfet 导通前电容器上的电压是否达到稳态。通常电容器充电到它稳态值的 95%，就 认为充电完成，即所需的充电时间大约为 3。因此，在选择充电电阻 rt 时， 使 rc 回路的时间常数远小于电路中所给的充电时间，使电容得到充分充电。对 于上述的仿真电路，mosfet 工作频率为 50hz，占空比 50%，则充电时间为 10ms。这对于充电电

34、阻为 2m 和电容为 100pf 的 rc 回路来讲，其时间常数为 0.2ms，充电时间远大于时间常数 ，显然电容器可充分充电，这与仿真结果 相一致。 2）电容 c 和电感 l 由脉冲发生器的工作原理图可知，高压脉冲是由后面的振荡回路产生，其 固有的振荡频率的计算公式为 (3) lc f 2 1 由此可知，其固有的振荡周期决定了脉冲脉宽的大小，故本文采用调节 lc 振荡的固有周期的方法来实现对脉冲宽度的调节。在实际的制作过程中采用固 定电容值，调节回路中电感量来实现脉冲宽度的调节。然而，在实际的过程中， 当电容首次向电感放电的过程中，电感上的电压并不是按照振荡的原则上升， 而是快速上升，故所得

35、到的脉冲宽度比理论上的振荡波的脉宽小的多，这与上 述的仿真结果相符。此外，由于所形成的脉冲很窄，其相应的 lc 振荡回路的参 数都很小，输出电感上的分布电容会对原有振荡回路的参数产生影响，从而对 脉冲波形造成一定的影响。但是，通过选择合适的 l 值可以将电感上的分布电 容对 lc 回路的影响减小。因此，对振荡回路中的 l、c 要选择合适的值，从而 在输出电感上得到良好的脉冲波形。 3）电阻 rv 对于振荡回路的阻尼电阻 rv 来讲，其值决定了最终所得到的脉冲波形。 如果其值过小，在电感上会产生一系列的振荡波，即振荡回路处在欠阻尼状态； 如果其值过大，即电路处在过阻尼状态，则在电感上得到的脉冲，

36、其幅值小， 波形发生畸变。故要选择合适的阻尼电阻 rv，使得在电感上所得到的脉冲具有 幅值大、波形好等优点。 4.6.2 实验结果及分析 在经过上述的仿真分析和电路中各参数对波形影响的分析，本文选择合适 的器件研制了一台纳秒级高压脉冲发生器，利用带宽为 200mhz 的 ds 5202ca 型 数字示波器和阻容分压器（分压比为 1:3）对其波形进行了测量，下面给出了 20ns 和 50ns 的波形如图 4-18 所示。与仿真所得到的波形相比，其波形的上升 慢一些，下降快一些，造成这种现象的原因：在实际上，mosfet 的导通和关断 的过程中，其导通和关断是需要一定的时间，其它相应的参数也有一个

37、变化的 过程，并不是象在仿真中所采用的理想参数，从而造成了仿真结果与实际的波 形存在一定的差异。此外，与文献1所给出的利用电缆传输线的原理所得到的 脉冲波形相比，这种利用振荡原理所研制的脉冲发生器具有波形对称、光滑、 过冲小的优点。因此，利用振荡的原理去研制窄脉冲的一种良好的方法。 图 4-18 20ns 和 50ns 的波形如图 4.7 结论 通过上述的研究，可以得出如下结论： 1）利用振荡的方法是可以得到 ns 级的高压脉冲，并且由此方法得到的脉冲具 有波形光滑、对称性好等优点。 2）采用由高频开关电路和脉宽调制原理制成的直流电源作为脉冲发生器的电源， 可以得到幅值稳定的脉冲波形。此外，可以使脉冲发生器的体积和重量大大降 低，并便于携带。 3）采用 ne555 振荡器可以实现对开关的可靠控制。 5 总结 脉冲技术在电力系统高压绝缘监测、激光技术、微波技术和电磁兼容性等 试验方面得到了广泛的应用，如固体绝缘空间电荷分布的测试装置、超宽带 （uwb）无线电通讯技术、电火花加工表面粗糙度检测和除尘技术等。目前，产 生这种纳秒级高压脉冲的方法有两种：第一，利用波传输的原理，这种方法能 得到的脉冲波形电路简单，易于实现，但波形的对称性有待提高；第二，通过 控制火化间隙放电得到窄脉冲，利用这种