畢業(yè)設(shè)計(jì)---電磁脈沖測(cè)量用電阻分壓器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</b></p><p>　　題 目 電磁脈沖測(cè)量用電阻分壓器的設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　院 系 </p><p>　　專

2、 業(yè) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　X年 X 月 X 日</p><p>　　目 錄</p><p><b>　　引言1</b></p><p>　　1 電磁脈沖測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.1

3、常用測(cè)量方法1</p><p>　　1.1.1 測(cè)量球隙法1</p><p>　　1.1.2 分壓器與數(shù)字存儲(chǔ)示波器2</p><p>　　1.1.3 D/I與示波器法2</p><p>　　1.1.4 光電測(cè)量系統(tǒng)3</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p><p>　

4、　2 基于電阻分壓器的電磁脈沖測(cè)量系統(tǒng)的性能分析4</p><p>　　2.1 測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求4</p><p>　　2.1.1 測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成4</p><p>　　2.1.2 測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求5</p><p>　　2.2 電阻分壓器的性能影響因素分析6</p><p>　　2.3 測(cè)量系統(tǒng)

5、的影響因素仿真分析8</p><p>　　2.3.1 阻抗匹配8</p><p>　　2.3.2 測(cè)量電纜對(duì)測(cè)量的影響11</p><p>　　2.4 脈沖電阻分壓器的補(bǔ)償方法14</p><p>　　2.4.1 電感補(bǔ)償14</p><p>　　2.4.2 供給式補(bǔ)償15</p><p

6、>　　2.4.3 收集式補(bǔ)償16</p><p>　　2.4.4 綜合補(bǔ)償18</p><p>　　3 脈沖電阻分壓器的設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.1 電阻分壓器原理及分析19</p><p>　　3.2 電阻分壓器的設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.2.1 電阻分壓器中參數(shù)的選取以及分壓比的計(jì)算

7、20</p><p>　　3.2.2 電阻分壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化21</p><p>　　3.2.3 電阻分壓器的階躍響應(yīng)及其仿真22</p><p>　　4 電阻分壓器性能試驗(yàn)25</p><p><b>　　5 結(jié)束語(yǔ)27</b></p><p>　　ABSTRACT29</p&g

8、t;<p>　　電磁脈沖測(cè)量用電阻分壓器的設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：介紹了電磁脈沖測(cè)量的基本方法，理論和仿真分析了電阻分壓器及測(cè)量系統(tǒng)的性能影響因素，包括對(duì)地分布電容、固有電感、阻抗匹配、測(cè)量電纜等。分析了分壓器性能補(bǔ)償?shù)?種方法，包括電感補(bǔ)償、供給式補(bǔ)償、收集式補(bǔ)償和綜合補(bǔ)償。設(shè)計(jì)了一種測(cè)量高壓脈沖的電阻分壓器，分壓比為4982，并選用綜合補(bǔ)償對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)設(shè)計(jì)的分壓器進(jìn)行試驗(yàn)分析。&

9、lt;/p><p>　　關(guān)鍵詞：電磁脈沖測(cè)量；分壓器；性能分析；補(bǔ)償</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　在受控核聚變、強(qiáng)流電子加速、高功率微波和自由電子激光等高科技領(lǐng)域中, 脈沖高電壓的測(cè)量存在諸多的難點(diǎn)。其一般測(cè)量方法有：測(cè)量球隙法、微分積分環(huán)節(jié)與存儲(chǔ)示波器組成的測(cè)量系統(tǒng)、光電測(cè)量系統(tǒng)、分壓器與數(shù)字存儲(chǔ)示波器組成的測(cè)量

10、系統(tǒng)。測(cè)量球隙法只能測(cè)量電壓峰值，并不能測(cè)量電壓波形，而且容易受溫度、濕度、大氣壓力的影響，而且準(zhǔn)確率較低，故目前很少用。微分積分環(huán)節(jié)與存儲(chǔ)示波器組成的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)微分環(huán)節(jié)的電阻無(wú)感要求很高，對(duì)積分器的要求也很高。光電測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。分壓器與數(shù)字存儲(chǔ)示波器組成的測(cè)量系統(tǒng)中的脈沖分壓器分為電阻型、電容型和阻容型3種，其中電阻分壓器內(nèi)部電阻理論上是純電阻，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，被廣泛使用。分壓器的性能好壞直接影響系統(tǒng)整體性能的好壞，因此，

11、研究電阻分壓器的性能改善以及對(duì)測(cè)量的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　1 電磁脈沖測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介</p><p>　　1.1 常用測(cè)量方法</p><p>　　一般測(cè)量方法有：測(cè)量球隙法、分壓器與數(shù)字存儲(chǔ)示波器組成的測(cè)量系統(tǒng)、微分積分環(huán)節(jié)與存儲(chǔ)示波器組成的測(cè)量系統(tǒng)、光電測(cè)量系統(tǒng)。</p><p>　　1.1.1 測(cè)量球隙法</

12、p><p>　　測(cè)量球隙法自20世紀(jì)初已經(jīng)開始研究和應(yīng)用。測(cè)量原理是利用球間隙放電來測(cè)量高電壓。測(cè)量裝置主要包括兩個(gè)相同直徑的金屬球極及球桿、操作機(jī)構(gòu)、絕緣支持物以及連接到被測(cè)電壓處的引線。</p><p>　　測(cè)量球隙是一對(duì)直徑相同的金屬球，金屬球一般用紫銅或黃銅制造，球面要光滑，曲率要均勻。兩個(gè)球極之間的距離成為球隙(S)，兩個(gè)球極相距最近的點(diǎn)稱為放電點(diǎn)。當(dāng)球隙發(fā)生放電時(shí)，不一定正好發(fā)生在

13、球極放電處，而可能發(fā)生在放電點(diǎn)附近的地方，這塊地方叫做放電點(diǎn)區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，特別要求精密加工，表面光潔，對(duì)表面不規(guī)則度提出嚴(yán)格要求。</p><p>　　在一定的大氣狀況下,兩球間隙有一比較固定的放電電壓。由此可用來測(cè)量一個(gè)未知高電壓的峰值。GB311.6-83等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了球隙的放電電壓及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所推薦的球隙放電電壓表的數(shù)值，這些數(shù)值是事先經(jīng)過許多國(guó)家用實(shí)驗(yàn)方法獲得的。若測(cè)量時(shí)的空氣狀態(tài)不同于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，需要根

14、據(jù)當(dāng)時(shí)的氣壓－氣溫加以校正[1]。</p><p>　　測(cè)量球的直徑從2厘米到2米甚至3米,可測(cè)峰值電壓范圍從2千伏到高于2000千伏。球隙的布置有垂直和水平兩種。圖1-1所示為垂直布置的狀況。GB311.6-83對(duì)各種尺寸，如圖中的A、B距離及球的表面狀態(tài)，使用方法等，都有具體技術(shù)規(guī)定。S/D≤0.5條件下，測(cè)量交流電壓及沖擊電壓的誤差為≤3％；測(cè)量直流高壓時(shí),由于灰塵、纖維等雜質(zhì)影響特別嚴(yán)重，測(cè)量誤差較大，S

15、/D≤0.5時(shí)，誤差為≤5％。 　　測(cè)量球隙可用于交流電壓、正負(fù)極性的標(biāo)準(zhǔn)雷電全波沖擊電壓、長(zhǎng)波尾沖擊電壓及直流電壓等高電壓的測(cè)量。近年來，各國(guó)研究采用棒間隙來測(cè)量直流高壓，它可減小放電分散性和測(cè)量誤差。 </p><p>　　測(cè)量球隙法只能測(cè)量電壓峰值，并不能測(cè)量電壓波形，并且容易受溫度、濕度、大氣壓力的影響，并且準(zhǔn)確率較低，故目前很少用。</p><p>　　絕緣支撐；2-球桿；3-

16、示出最大尺寸的操作機(jī)構(gòu)；4-具有串聯(lián)電阻的高壓連接線；5-示出最大尺寸</p><p>　　的均壓器；P-高壓球的放電點(diǎn)；A-在地平面上的P點(diǎn)的高度；B-沒有其他物件的空間半徑；X-具有</p><p>　　串聯(lián)電阻的高壓連接線，從P點(diǎn)算起不應(yīng)穿過距離B內(nèi)的平面</p><p>　　圖1-1 測(cè)量球隙圖</p><p>　　1.1.2 分壓器

17、與數(shù)字存儲(chǔ)示波器</p><p>　　電壓峰值不很高的脈沖電壓（幾千伏至50千伏），可以通過商品高電壓探頭或衰減器及通用的數(shù)字儲(chǔ)存示波器直接進(jìn)行測(cè)量。但當(dāng)被測(cè)脈沖電壓峰值很高時(shí)，則必須要通過分壓器等的轉(zhuǎn)換裝置及其他多個(gè)部件組成的沖擊高壓分壓系統(tǒng)進(jìn)行峰值及波形的測(cè)量。在20世紀(jì)80年代末期，發(fā)達(dá)國(guó)家已大量采用通用的數(shù)字存儲(chǔ)示波器（或數(shù)字記錄儀）取代傳統(tǒng)的高壓示波器和峰值電壓表。現(xiàn)在我國(guó)也大多采用了數(shù)字存儲(chǔ)示波器，傳

18、統(tǒng)的儀器也趨于淘汰。由于這些儀器是通用性的，電磁兼容特性較弱，除了必須遠(yuǎn)離高壓試區(qū)外，還應(yīng)把它放置在屏蔽室或屏蔽箱中使用，而且要采取其他嚴(yán)密的防干擾及反擊措施，否則有可能在放電試驗(yàn)時(shí)，把弱電的元件打壞。為了消除記錄儀器與高壓試區(qū)間的強(qiáng)電場(chǎng)和電磁干擾及安全事故，須采取幾十米長(zhǎng)的射頻同軸電纜，從分壓器下端把電壓信號(hào)引至記錄儀器。同軸電纜的外層屏蔽層良好接地，可以屏蔽靜電場(chǎng)，防止靜電場(chǎng)對(duì)內(nèi)導(dǎo)體的作用。</p><p>

19、　　1.1.3 D/I與示波器法</p><p>　　隨著數(shù)字化的不斷發(fā)展，20世紀(jì)80年代初，微分積分測(cè)量系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱D/I系統(tǒng)）開始興起，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)高壓源的負(fù)荷效應(yīng)極小，具有足夠高的響應(yīng)特性。缺點(diǎn)是：當(dāng)微分環(huán)節(jié)的電容值很小時(shí)，往往靜態(tài)分壓比的測(cè)量誤差較大；對(duì)微分環(huán)節(jié)的電阻的無(wú)感要求很高；當(dāng)被測(cè)脈沖上升沿很陡時(shí)，微分環(huán)節(jié)的電阻上會(huì)出現(xiàn)極高的尖峰脈沖電壓。對(duì)積分器的要求高，對(duì)微分部分的電阻的無(wú)感要求也比一般

20、電阻分壓器的高得多。</p><p>　　1.1.4 光電測(cè)量系統(tǒng)</p><p>　　光電測(cè)量系統(tǒng)是一種利用各種電光效應(yīng)或光通信方式進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)。在高電壓技術(shù)頌域內(nèi)，可用它進(jìn)行高電壓、大電流、電場(chǎng)強(qiáng)度以及其他參量的測(cè)量。在此系統(tǒng)中，利用光纖傳輸線路良好的絕緣性能，可把高電壓設(shè)備、試品與高靈敏度的測(cè)量?jī)x器（如數(shù)字存儲(chǔ)示波器）及什算機(jī)隔離開來。除了可以提高測(cè)量?jī)x器及工作人員的安全性外，還可

21、減弱射頻干擾和雜散寄生信號(hào)對(duì)測(cè)量回路的影晌。但與傳統(tǒng)的高壓分壓器或分流器為主的測(cè)量系統(tǒng)相比，光電測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。</p><p>　　光電測(cè)量系統(tǒng)常有四種調(diào)制方式：幅度、光強(qiáng)度調(diào)制（AM、IM）；調(diào)頻、光強(qiáng)度調(diào)制（FMI）；數(shù)字脈沖調(diào)制；利用電光效應(yīng)的外調(diào)制。</p><p>　　20世紀(jì)70年代初，在日本已研制成一種光電式分壓器。它的電光變換器采用發(fā)光二極管LED直接把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為

22、光信號(hào)。 </p><p>　　FMI調(diào)制方式是利用壓控振蕩器的輸出頻率隨調(diào)制信號(hào)的大小發(fā)生線性變化的原理來傳遞信息。頻率調(diào)制比幅度調(diào)制具有更高的抗干擾能力。它可以克服光源非線性和溫度變化所造成的不利影響[2]。</p><p>　　數(shù)字脈沖調(diào)制是采用脈沖電碼的一種調(diào)制方式。通過電碼傳送模擬信號(hào)各個(gè)采樣的量化值。</p><p>　　利用電光效應(yīng)調(diào)制光波的方式測(cè)量

23、高電壓這種調(diào)制方式應(yīng)用得較多的一種電光效應(yīng)是泡克爾效應(yīng)。有一些晶體物質(zhì)如鑰酸鉀、硅酸釩BSO及水晶等具有泡克爾效應(yīng)。在對(duì)這些晶體的y方向施加電場(chǎng)的條件下，當(dāng)它的z方向的另一個(gè)端面射進(jìn)圓偏振光時(shí)，在元件內(nèi)互相垂直的偏振光方向上發(fā)生了折射率差，其結(jié)果使偏振光之間的相位差發(fā)生變化，由于干涉，輸出的光強(qiáng)與施加的電壓呈一定函數(shù)關(guān)系。根據(jù)電光效應(yīng)的原理，可制成電光調(diào)制器，用它來測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度或電壓來傳遞信息的。</p><p>

24、;　　其中常用方法是分壓器與數(shù)字存儲(chǔ)示波器為主要組件的測(cè)量系統(tǒng)、微積分環(huán)節(jié)與數(shù)字存儲(chǔ)示波器為主要組件的測(cè)量系統(tǒng)及光電測(cè)量系統(tǒng)等。在分壓器和存儲(chǔ)示波器組成的測(cè)量系統(tǒng)中，分壓器作為一轉(zhuǎn)換裝置，和測(cè)量系統(tǒng)的高壓引線、輸出電纜、示波器等各部件的阻抗失配，可能引起反射、振蕩及初始分壓比和穩(wěn)態(tài)分壓比產(chǎn)生差異。對(duì)測(cè)量系統(tǒng)影響嚴(yán)重。因此有關(guān)分壓器的研究也成了當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。</p><p>　　應(yīng)用已有的理論和技術(shù)研制納秒級(jí)高壓

25、脈沖測(cè)量電阻分壓器，有針對(duì)性的分析分壓器的性能影響因素，探索提高電阻分壓器性能的可能途徑，研究相關(guān)的脈沖測(cè)量技術(shù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膽?yīng)用研究，不僅是納秒脈沖測(cè)量技術(shù)的要求，而且是電磁武器技術(shù)發(fā)展的需要，更有利于促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。研制過程中，相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論和論文資料對(duì)以后分壓器的設(shè)計(jì)制造也具有非常重要的意義。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　納秒級(jí)高電壓

26、脈沖是極快速的變化過程，其測(cè)量存在著諸多值得研究和重視的問題。其一，被測(cè)脈沖前沿快。通常要求納秒級(jí)高電壓脈沖測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間為亞納秒到十納秒范圍。對(duì)于這樣的上升時(shí)間要求，即使測(cè)量系統(tǒng)中存在很微小的雜散參數(shù)或不連續(xù)性，都可能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。其二，被測(cè)脈沖幅值高。電壓幅值通常從幾十千伏到兆伏級(jí)。因此被測(cè)電壓在測(cè)量系統(tǒng)中的衰減倍數(shù)為104量級(jí)，分壓器的衰減倍數(shù)一般應(yīng)達(dá)103量級(jí)，這樣的衰減倍數(shù)一級(jí)分壓器較難做到，二級(jí)分壓器的響應(yīng)可

27、能也不理想，設(shè)計(jì)難度較大。其三，快脈沖情況下的電磁干擾嚴(yán)重。由于脈沖前沿快，相應(yīng)的短波長(zhǎng)成分能量大，空間電磁干擾強(qiáng)。其四，測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分間的阻抗匹配與否，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響突出。</p><p>　　測(cè)量脈沖高電壓的常用方法是分壓器與數(shù)字存儲(chǔ)示波器為主要組件的測(cè)量系統(tǒng)、微積分環(huán)節(jié)與數(shù)字存儲(chǔ)示波器為主要組件的測(cè)量系統(tǒng)及光電測(cè)量系統(tǒng)等。電壓峰值不很高的脈沖電壓（幾千伏至50千伏），可以通過商品高電壓探頭或衰減器

28、及通用的數(shù)字儲(chǔ)存示波器直接進(jìn)行測(cè)量。但當(dāng)被測(cè)脈沖電壓峰值很高時(shí)，則必須要通過分壓器等的轉(zhuǎn)換裝置及其他多個(gè)部件組成的沖擊高壓分壓系統(tǒng)進(jìn)行峰值及波形的測(cè)量。</p><p>　　脈沖分壓器可分為電阻分壓器、電容分壓器和阻容串聯(lián)分壓器。電阻分壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好。但為追求高響應(yīng)性能，它的阻值不能太高，一般不能大于10kΩ，因而為防止過熱，被測(cè)峰值電壓不能高于2MV。電阻分壓器測(cè)量瞬態(tài)脈沖電壓時(shí)所產(chǎn)

29、生的誤差，與阻值和對(duì)地雜散電容的乘積相關(guān)，所以應(yīng)盡量減小對(duì)地雜散電容的大小及影響。通常除盡量減小分壓器的尺寸外，還可以采取供給式或收集式分布電容補(bǔ)償及電感補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)改善分壓器的響應(yīng)性能。電容分壓器不消耗能量，沒有發(fā)熱的麻煩，對(duì)測(cè)量波前和半峰值時(shí)間較長(zhǎng)的脈沖波，其比電阻分壓器較為有利。由于存在回路雜散振蕩問題，對(duì)測(cè)量陡波脈沖而言，其額定電壓也不能太高。又當(dāng)存在高壓引線時(shí)，其響應(yīng)特性不如電阻分壓器好。為了阻尼電容分壓器回路的振蕩，發(fā)展了阻容

30、串聯(lián)分壓器，其性能與補(bǔ)償度和阻尼度有關(guān)。微積分測(cè)量系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱D/I 系統(tǒng)），是20 世紀(jì)80年代初，因數(shù)字化測(cè)量的發(fā)展而開始興起的。D/I 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)高壓源的負(fù)荷效應(yīng)極小，具有足夠高的響應(yīng)特性。其缺點(diǎn)是對(duì)積分器的要求高，對(duì)微分部分的電阻的無(wú)感要求也比一般電阻分壓器的高得多。光電測(cè)量系統(tǒng)是利用各種電光效應(yīng)或光通信</p><p>　　對(duì)于普遍使用的分壓器，目前國(guó)內(nèi)外正致力于改善其性能，以達(dá)到更好的測(cè)量效果。&

31、lt;/p><p>　　2 基于電阻分壓器的電磁脈沖測(cè)量系統(tǒng)的性能分析</p><p>　　2.1 測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求</p><p>　　2.1.1 測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　在分壓器與存儲(chǔ)示波器組成的測(cè)量系統(tǒng)中，分壓器為一關(guān)鍵部件，作為轉(zhuǎn)換裝置將高電壓脈沖轉(zhuǎn)換成數(shù)字轉(zhuǎn)換器所能處理的低電壓脈沖，分壓器分壓性能的好壞直接影響測(cè)試系統(tǒng)

32、的整體性能。</p><p>　　隨著高電壓技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓分壓器的研究已經(jīng)有了很長(zhǎng)的歷史，根據(jù)測(cè)量原理和電路結(jié)構(gòu)分，分壓器大概分為三種：電阻分壓器、電容分壓器、阻容分壓器。 </p><p>　　電阻分壓器,分壓器的高壓臂和低壓臂均由電阻器構(gòu)成。電阻分壓器工作在直流或低頻段時(shí)，近似認(rèn)為分布電容對(duì)分壓器的分壓比沒有影響，所以廣泛應(yīng)用于低頻高壓測(cè)

33、量中。電阻分壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好。但為追求高響應(yīng)性能，它的阻值不能太高，一般不能大于10kΩ，因而為防止過熱，被測(cè)峰值電壓不能高于2MV。電阻分壓器測(cè)量瞬態(tài)脈沖電壓時(shí)所產(chǎn)生的誤差，與阻值和對(duì)地雜散電容的乘積相關(guān)，所以應(yīng)盡量減小對(duì)地雜散電容的大小及影響。通常除盡量減小分壓器的尺寸外，還可以采取供給式或收集式分布電容補(bǔ)償及電感補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)改善分壓器的響應(yīng)性能。</p><p>　　電容分壓器,分壓

34、器的高壓臂和低壓臂均采用電容,利用分壓電容與采樣電容在交流信號(hào)下的容抗來分壓的，因而電容分壓器適用于對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行分壓，且其高頻性能較低頻性能好。電容分壓器不消耗能量，沒有發(fā)熱的麻煩，對(duì)測(cè)量波前和半峰值時(shí)間較長(zhǎng)的脈沖波，其比電阻分壓器較為有利。由于存在回路雜散振蕩問題，對(duì)測(cè)量陡波脈沖而言，其額定電壓也不能太高。又當(dāng)存在高壓引線時(shí)，其響應(yīng)特性不如電阻分壓器好。 </p><p>　　阻容分壓器,高低壓臂的測(cè)量元件由

35、電阻器和電容器構(gòu)成,屬于阻容混合式,利用RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來分壓，具有電阻分壓器低頻特性好的優(yōu)點(diǎn)又具有電容分壓器測(cè)量電壓高、高頻性能好的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是高頻低電容網(wǎng)絡(luò)調(diào)試復(fù)雜。為了阻尼電容分壓器回路的振蕩，發(fā)展了阻容串聯(lián)分壓器，其性能與補(bǔ)償度和阻尼度有關(guān)的[3～5]。</p><p>　　現(xiàn)代數(shù)字式高壓脈沖測(cè)量系統(tǒng)一般由高壓分壓器、低壓分壓器（衰減器）、數(shù)字轉(zhuǎn)換器及軟件（數(shù)字示波器）組成。分壓器作為轉(zhuǎn)換裝置是其中的主要組成

36、部分之一。其作用是將高電壓脈沖轉(zhuǎn)換成數(shù)字轉(zhuǎn)換器所能處理的低電壓脈沖，分壓性能的好壞直接影響測(cè)試系統(tǒng)的整體性能。脈沖分壓器可分為電阻分壓器、電容分壓器和阻容分壓器。當(dāng)被測(cè)量系統(tǒng)的脈沖峰值電壓不太高，且被測(cè)量系統(tǒng)的負(fù)載較小時(shí)，電阻分壓器能準(zhǔn)確測(cè)量沖擊電壓,在實(shí)際應(yīng)用中，一般優(yōu)先考慮電阻分壓器[6-7]。圖2-1為使用二級(jí)電阻分壓器的測(cè)量系統(tǒng)的典型接線圖。</p><p>　　R1、R2—分壓器高壓級(jí)的高壓臂和低壓臂；

37、R3、R4—分壓器低壓級(jí)的高壓臂和低壓臂；R—示波</p><p>　　器輸入電阻；Z—同軸電纜的特性阻抗</p><p>　　圖2-1 測(cè)量系統(tǒng)</p><p>　　為了避免高壓試驗(yàn)區(qū)的電磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)對(duì)測(cè)量?jī)x器（通常為示波器）的影響和安全起見，測(cè)量?jī)x器和分壓器要隔離一段距離。通常是用射頻同軸電纜把分壓器和示波器連接起來，為了減少耦合阻抗值及提高抗干擾性能，可以采

38、用雙屏蔽層的同軸電纜[8]。同時(shí)，對(duì)示波器應(yīng)進(jìn)行必要的屏蔽隔離（如屏蔽室、屏蔽柜等）。</p><p>　　2.1.2 測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求</p><p>　　待測(cè)信號(hào)為式（2.1）所示的雙指數(shù)脈沖時(shí)，可通過傅立葉正變換求其頻譜密度函數(shù)</p><p>　?。?.1）由此可得幅度頻譜函數(shù)</p><p><b>　?。?.2）&

39、lt;/b></p><p>　　當(dāng)k=1.3,A=1,α＝4×107 s-1,β＝6×108 s－1時(shí)，脈沖峰值為1，前沿上升時(shí)間tr（10％～90％）為2.5ns，帶寬BW＝0.35/tr=140MHz。根據(jù)式（2.2）計(jì)算得該脈沖的幅度頻譜如圖2-2。由圖可見，頻寬與計(jì)算吻合，則測(cè)量該脈沖的測(cè)量系統(tǒng)的頻響上限應(yīng)不低于200MHz。為了使測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間基本不在測(cè)量波形上表現(xiàn)出來，

40、測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間不應(yīng)超過被測(cè)波形上升時(shí)間的1/3，因此，測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間應(yīng)不大于0.83ns。</p><p><b>　　圖2-2 幅度頻譜</b></p><p>　　2.2 電阻分壓器的性能影響因素分析</p><p>　　為了能測(cè)得真實(shí)的波形和準(zhǔn)確的波峰值，要求分壓器準(zhǔn)確，而且是個(gè)常數(shù)，不隨高低和等效（波形）等因子的影響，這樣的分壓

41、器叫做理想分壓器。實(shí)際上分壓器多少是畸變的，只能力爭(zhēng)做倒畸變小一點(diǎn)，誤差在允許的范圍之內(nèi)。一個(gè)沖擊測(cè)量系統(tǒng)不僅是分壓器本體，還包括分壓器和沖擊電壓發(fā)生器的高壓引線、分壓器和示波器間的測(cè)量電纜，每個(gè)組成部分都能引起誤差。</p><p>　　電阻分壓器測(cè)量沖擊電壓時(shí)所產(chǎn)生的誤差，與阻值R和對(duì)地雜散電容C的乘積相關(guān)。阻值最小約為2K?。若再減小，一方面對(duì)發(fā)生器產(chǎn)生沖擊波會(huì)有影響，另一方面，因難以阻尼殘余電感與雜散電容

42、之間的振蕩，所產(chǎn)生的階躍響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較高的過沖，由此也會(huì)造成測(cè)量誤差。一般電阻R的典型值為10 K?。所以減少測(cè)量誤差主要是著眼于減少對(duì)地雜散電容的大小及影響。</p><p>　　為了減少對(duì)地雜散電容對(duì)分壓器響應(yīng)特性的影響，可以采取以下措施：（1）在保證絕緣強(qiáng)度前提下盡量減少分壓器的尺寸；（2）在不過分增加沖擊電壓發(fā)生器負(fù)荷的前提下，選用較低的分壓器阻值；（3）在分壓器的高壓端采用屏蔽電極，增大分壓器對(duì)高壓電極的

43、電容，以補(bǔ)償對(duì)地雜散電容的影響。</p><p>　　把電阻分壓器看成由分布參數(shù)組成，把它分成若干個(gè)小段，整個(gè)分壓器由這許多個(gè)小段級(jí)聯(lián)而成。電路模型如圖2-3所示。圖中r為單位長(zhǎng)度的電阻，C ''為電阻體單位長(zhǎng)度對(duì)地電容，C '為單位長(zhǎng)度縱向電容， L'為單位長(zhǎng)度殘余電感。</p><p>　　圖2-3 電阻分壓器的分布參數(shù)電路</p><

44、;p>　　設(shè)分壓器電阻總長(zhǎng)為l，暫不考慮分壓器電阻體的殘余電感，當(dāng)輸入ui是幅值為A的階躍脈沖時(shí)，求任意位置x處的電壓u（t），由電路可得：</p><p>　　將以上各式進(jìn)行拉普拉斯變換得</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　由方程組（2.3）可得</p><p><b>

45、;　?。?.4）</b></p><p><b>　　（2.5）</b></p><p>　　式中，R＝r l ——電阻分壓器全長(zhǎng)總電阻；</p><p>　　C＝C"l ——電阻分壓器全長(zhǎng)總對(duì)地電容；</p><p>　　Y＝C"l ——電阻分壓器全長(zhǎng)縱向電容。</p>

46、<p><b>　　解式（2.4）得</b></p><p>　　利用邊界條件：x = 0， U(s) = 0；x = l，U(s) = A/s,得</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　利用分解定理得</b></p><p>&

47、lt;b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p><b>　　（2.8）</b></p><p>　　通常電阻分壓器的縱向電容比對(duì)地電容小得多，可以略去不計(jì)，故</p><p><b>　?。?.9）</b>&l

48、t;/p><p>　　由式（2.9）可以看出，當(dāng)t→∞時(shí)，u（t）穩(wěn)定為Ax/l。設(shè)低壓臂在X處輸出，則穩(wěn)態(tài)分壓比N＝l / X，通常∣πX/l∣＜π，所以</p><p><b>　　（2.10）</b></p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　當(dāng)t＝0時(shí)，u(t)= 0

49、，又由于隨著k和t的增長(zhǎng)，e指數(shù)項(xiàng)衰減得很快，所以k只要取值到一個(gè)不過大的自然數(shù)n，即可滿足工程運(yùn)算的要求，因此便可認(rèn)為sin(kπ/N)≈kπ/N，于是分壓器的歸一化階躍響應(yīng)為</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　，</b

50、></p><p>　　根據(jù)階躍響應(yīng)時(shí)間的定義有</p><p><b>　　（2.13）</b></p><p>　　由式（2.12）和（2.13）可見，分壓器階躍響應(yīng)誤差與τ相關(guān)，即與阻值R和對(duì)地雜散電容C的乘積相關(guān)，τ越大則誤差越大，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。</p><p>　　輸入電壓為下式所示的雙指數(shù)脈沖時(shí)，<

51、;/p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　計(jì)算可得輸出電壓的N倍為</p><p><b>　　（2.15）</b></p><p>　　因?yàn)镹 > 1，所以</p><p><b>　?。?.16）</b></p&g

52、t;<p>　　結(jié)合式（2.16），由（2.15）式可見，當(dāng)τ＝0時(shí)，即對(duì)地雜散電容C為零，輸出波形沒有畸變和峰值誤差；當(dāng)τ較大時(shí)，即RC乘積較大，造成的誤差也較大。</p><p>　　2.3 測(cè)量系統(tǒng)的影響因素仿真分析</p><p>　　2.3.1 阻抗匹配</p><p>　　納秒脈沖測(cè)量中，測(cè)量系統(tǒng)的阻抗匹配問題顯得非常突出，包括分壓器高壓引

53、線輸入端與被測(cè)信號(hào)源的匹配（源端匹配），分壓器輸出端與傳輸電纜的匹配（始端匹配），傳輸電纜與示波器輸入端的匹配（終端匹配）等。若是解決得不好，將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性[9]。</p><p><b>　　1）分壓比與匹配</b></p><p>　　由于同軸電纜對(duì)于波過程而言，相當(dāng)于一個(gè)波阻抗，對(duì)于穩(wěn)態(tài)而言，相當(dāng)于一個(gè)集中電容，所以，該系統(tǒng)如果阻抗不匹配有可能造成分壓比

54、變化。</p><p>　　當(dāng)電纜始端和終端都匹配（R4 =Z，R=Z）時(shí)，其加壓之初的初始分壓比與加壓時(shí)間超過波在電纜中來回一次的時(shí)間之后的穩(wěn)態(tài)分壓比分別為</p><p><b>　　(2.17)</b></p><p><b>　　(2.18)</b></p><p>　　可見分壓比是相同的。

55、</p><p>　　當(dāng)電纜始端匹配而終端開路（R=∞，如接示波器的1MΩ檔）時(shí)</p><p><b>　　(2.19)</b></p><p><b>　　(2.20)</b></p><p>　　可見兩者是不相等的。這在脈沖測(cè)量中必須引起重視。</p><p><

56、b>　　2）反射與匹配</b></p><p>　　由于納秒脈沖往往包含豐富的高頻分量，以上升時(shí)間（幅值的10％～90％）為2.5ns、下降時(shí)間（幅值的90％～10％）為55ns的雙指數(shù)脈沖為例，其能流96％集中在100kHz～100MHz頻率范圍內(nèi)。根據(jù)傳輸線理論，傳輸線上任意位置的電壓與電流都是入射波（Ui，Ii）與反射波(Ur，Ir)的疊加，該位置的電壓反射系數(shù)為</p>&

57、lt;p>　?。?.21） </p><p>　　由圖2.4可得電纜始端反射系數(shù)Г始和終端反射系數(shù)Г終分別為</p><p>　?。?.22）

58、 （2.23）</p><p>　　可見，當(dāng)阻抗匹配（R4=Z，R=Z）時(shí)，反射系數(shù)等于零；而不匹配時(shí)，則存在反射。當(dāng)只有一端不匹配時(shí)，由于另一端電阻的完全吸收作用，因而在測(cè)量的輸出波形中無(wú)反射波；只有當(dāng)兩端都不匹配時(shí)，波會(huì)在傳輸線中來回反射，因而影響測(cè)量結(jié)果。</p

59、><p><b>　　3）匹配與振蕩</b></p><p>　　為了避免分壓器和脈沖發(fā)生器之間的電場(chǎng)的相互影響，分壓器和脈沖源之間要隔開一段距離，即分壓器和脈沖源之間連接有一定長(zhǎng)度的高壓引線。由于在高頻下，引線不能看成理想的短路線，而是具有一定特性阻抗Z0的傳輸線。如果不采取匹配措施，將激起振蕩。</p><p>　　由于分壓器的阻抗很大，引線的

60、終端幾乎無(wú)法匹配，所以，引線的始端必須匹配。如果引線始端不匹配，則引線將成為類似于1/4波長(zhǎng)終端開路的傳輸線諧振器，當(dāng)輸入的是階躍電壓波時(shí)，實(shí)際測(cè)量到的是階躍波疊加衰減振蕩波。</p><p>　　納秒脈沖測(cè)量，若忽略脈沖源內(nèi)阻，則只要在引線的始端串聯(lián)阻值與引線波阻抗相等的電阻即可。對(duì)于未屏蔽的引線，一般阻值取為300Ω～400Ω與空氣的波抗相匹配。</p><p>　　由前面的分析可知，

61、電阻分壓器組成的納秒脈沖測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)的阻抗不匹配，不僅可能導(dǎo)致初始和穩(wěn)定分壓比的差異，而且可能引起測(cè)量結(jié)果中疊加有反射波；高壓引線始端的阻抗不匹配引起的振蕩也會(huì)造成波形畸變。</p><p>　　4）阻抗匹配方法介紹</p><p>　　匹配的實(shí)施通常是用匹配網(wǎng)絡(luò)予以實(shí)現(xiàn)的。若以匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征來區(qū)分，則可分為集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)、分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)、集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)和分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的匹配網(wǎng)絡(luò)三種。<

62、;/p><p>　　天線系統(tǒng)中常采用集總參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)，主要是無(wú)源的、由電抗元件(L, C)組成的T形、形、形網(wǎng)絡(luò)等。其主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、設(shè)計(jì)靈活、使用方便等。但由于分布參數(shù)的緣故，其工作頻率一般不超過100MHz。</p><p>　　分布參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)，主要是利用傳輸線阻抗分布特性，把阻抗從一個(gè)數(shù)值變換到另一個(gè)數(shù)值，來完成阻抗匹配作用的。廣泛使用的有三種型式：支節(jié)匹配器、階梯阻抗變換器和漸變線

63、阻抗變換器等。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變換效率高，但由于其以波長(zhǎng)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸較大(例如四分之一波長(zhǎng)左右)，故一般適用于300MHz以下的頻段。</p><p><b>　　（1）支節(jié)匹配器</b></p><p>　　為了匹配各種不同的負(fù)載阻抗，常在沿線的恰當(dāng)位置并聯(lián)合適的電納（稱為分支阻抗調(diào)配器），用并聯(lián)電納引起的反射來抵消傳輸線因負(fù)載阻抗不匹配而引起的反射，最終實(shí)現(xiàn)阻

64、抗匹配。</p><p>　　主要有單分支阻抗調(diào)配器、。雙分支阻抗調(diào)配器、三分支阻抗調(diào)配器和波導(dǎo)四螺釘阻抗調(diào)配器。下面以單分支阻抗調(diào)配器為例，說明其調(diào)配原理</p><p>　　圖2-4 單分支阻抗調(diào)配器阻抗調(diào)配原理圖</p><p>　　調(diào)配原理如圖：由于有并聯(lián)分支，所以應(yīng)該用導(dǎo)納回圖分析及求解。</p><p>　　因終端短路線只能提供電

65、納，所以要求未并接分支線時(shí)離終端為d處向負(fù)載方向的歸一化導(dǎo)納必須落在歸一化電導(dǎo)的圓（稱為匹配圓）上，此要求可由調(diào)節(jié)d來實(shí)現(xiàn)，然后調(diào)節(jié)終端短路線的長(zhǎng)度,使其提供的電納恰好抵消了的虛部，至此即可于并接分支左側(cè)實(shí)現(xiàn)匹配。</p><p>　　（2）階梯阻抗變換器</p><p>　　當(dāng)負(fù)載阻抗與傳輸線的特性阻抗不相等，或是連接兩段特性阻抗不同的傳輸線時(shí)，可以在其間接人一阻抗變換器，以獲得良好的

66、匹配。常用的變換器有兩類：一類為由四分之一波長(zhǎng)傳輸線段組成的階梯阻抗變換器。</p><p>　　圖2-5 幾種常見的單節(jié)阻抗變換器</p><p>　　階梯阻抗變換器分為單節(jié)阻抗變化器和多節(jié)阻抗匹配變化器。如圖2-5所示：（a）為同軸型；（b）為微帶型；（c）為波導(dǎo)型。它們均屬窄帶阻抗變換器，欲在較寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)匹配，必須采用多節(jié)階梯阻抗變換器。</p><p>　

67、　（3）漸變線阻抗變換器</p><p>　　當(dāng)特性阻抗不同的兩段傳輸線連接時(shí)，除采用多節(jié)階梯阻抗變換器實(shí)現(xiàn)匹配外，還可以用漸變的過渡段（其特性阻抗按一定規(guī)律平滑地由一條傳輸線的特性阻抗過渡到另一條傳輸線的特性阻抗）實(shí)現(xiàn)匹配，稱這類阻抗變換器為漸變線阻抗變換器。漸變線阻抗變換器相比階梯阻抗變換器的優(yōu)勢(shì)是，既可增寬頻帶又不致使變換器尺寸過大。漸變線的工作頻帶沒有上限。</p><p>　　圖

68、2-6多節(jié)階梯變換器過渡到漸近線</p><p>　　根據(jù)漸變線特性阻抗隨z的變化規(guī)律不同，有多種類型的漸變線，例如指數(shù)式、三角函數(shù)式及切比雪夫式等。本文結(jié)合分壓器組成的測(cè)量系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇漸變式特性阻抗匹配方法作為分壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　2.3.2 測(cè)量電纜對(duì)測(cè)量的影響</p><p>　　為了避免分壓器和脈沖發(fā)生器之間的電場(chǎng)的相互影響，分壓

69、器和發(fā)生器之間要隔開一段距離，或采取無(wú)反射屏蔽連接結(jié)構(gòu)。在測(cè)量很高沖擊電壓時(shí)，分壓器和發(fā)生回路的高壓引線往往是較長(zhǎng)的。同樣，為了避免高壓試驗(yàn)區(qū)對(duì)測(cè)量?jī)x器的電磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)的影響，測(cè)量?jī)x器和分壓器要隔離一段距離。通常是用射頻同軸電纜把分壓器和示波器連接起來。引線和電纜實(shí)際存在的分布參數(shù)對(duì)測(cè)量的影響，有時(shí)是不容忽略的。</p><p>　　1）高壓引線對(duì)測(cè)量的影響</p><p>　　把引線看成

70、是分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，而作為終端系統(tǒng)的分壓器也應(yīng)看成是另一個(gè)分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際計(jì)算時(shí)可把每個(gè)分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)以有限段段落來代表，即可較準(zhǔn)確地模擬無(wú)限單元網(wǎng)絡(luò)的情況并獲得足夠準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果?？蓱?yīng)用的方法之一是貝杰龍（Bergeron）法[10]。為簡(jiǎn)化分析，將較長(zhǎng)的引線分布電感看成是一個(gè)集中電感L的效應(yīng)，引線的分布電容及終端分壓器的分布電容看成是一個(gè)集中電容C的效應(yīng)，忽略分壓器的分布電感效應(yīng)，可由圖2-7等效電路來分析脈沖源輸出電壓與電阻分壓器頂端

71、電壓之間的關(guān)系。</p><p>　　如果輸入u1為單位階躍電壓波，不考慮導(dǎo)線的電阻效應(yīng)則分壓器頂端的電壓u2為 </p><p><b>　　(2.24)</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p><b>　??；</b></p>&

72、lt;p>　　因?yàn)榉謮浩鞯淖柚禐? kΩ～20 kΩ.，一般，所以電路處于振蕩狀態(tài)。也就是說輸入的是階躍電壓波，但出現(xiàn)在分壓器頂端的是階躍波疊加衰減振蕩波[11]。分壓器的入口電容C越小，則振蕩頻率越高，衰減越快，畸變?cè)叫?；反之則畸變大。</p><p>　　若要防止振蕩，必須在高壓引線中串聯(lián)阻尼電阻r，如圖2-7虛線所示。此時(shí)同樣求得 </p><p><b>　　(2.

73、25)</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　阻尼條件為 </b></p><p><b>　　即 </b></p><p>

74、;<b>　　(2.26)</b></p><p>　　增大r雖能抑制振蕩，但也會(huì)增大測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，有可能會(huì)增大測(cè)量誤差[12]。</p><p>　　把引線與分壓器看成是相互級(jí)聯(lián)的兩個(gè)環(huán)節(jié)。引線環(huán)節(jié)的T1與分壓器本身的響應(yīng)時(shí)間T2迭加即為兩個(gè)環(huán)節(jié)的總響應(yīng)時(shí)間T。</p><p><b>　　引線環(huán)節(jié)中</b><

75、;/p><p><b>　　(2.27)</b></p><p>　　電阻增大了響應(yīng)時(shí)間，而且r越大，響應(yīng)時(shí)間越大。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定階躍響應(yīng)時(shí)間T（標(biāo)準(zhǔn)中是實(shí)驗(yàn)響應(yīng)時(shí)間TN）僅是特性指標(biāo)之一，標(biāo)準(zhǔn)以部分響應(yīng)時(shí)間及過沖作為測(cè)量誤差的判據(jù)。因此適當(dāng)加入r ，可以降低過沖，有可能會(huì)帶來一定的好處。但r過大，會(huì)增大測(cè)量的誤差[13]。</p><p>　　實(shí)際

76、應(yīng)用中有兩種處理方式，其一是兩組件系統(tǒng)，即將阻尼電阻與分壓器本體結(jié)合在一起作為一個(gè)組件，引線作為另一個(gè)組件；其二是三組件系統(tǒng)，即將阻尼電阻放在引線的首端，引線和分壓器各為一個(gè)獨(dú)立的組件。階躍響應(yīng)試驗(yàn)表明，三組件系統(tǒng)的響應(yīng)特性較好，快速?zèng)_擊脈沖測(cè)量時(shí)，通常采用該處理方式。</p><p><b>　　2）同軸電纜的影響</b></p><p>　　射頻同軸電纜的外層是金

77、屬編織線制成的屏蔽外套層及塑料保護(hù)外皮層。最中央是單根或多根銅導(dǎo)線。其間的絕緣介質(zhì)多數(shù)采用稍帶柔性的中性介質(zhì)聚乙烯[14]，它的tanδ值極小。波阻抗大多是50Ω或是75Ω，有時(shí)也采用半空氣半聚乙烯的絕緣介質(zhì)，此種電纜的波阻抗較高，可達(dá)150Ω或更高。</p><p>　　圖2-8 同軸電纜等效電路</p><p>　　把同軸電纜看成分布參數(shù)線路，它的等效電路如圖2-8。R0是電纜導(dǎo)體包括

78、外皮的單位長(zhǎng)度的電阻；L 0是電纜導(dǎo)體單位長(zhǎng)度電感；C 0是電纜中心導(dǎo)體和外屏蔽層間單位長(zhǎng)度電容；G 0是電纜中心導(dǎo)體和外皮間單位長(zhǎng)度電導(dǎo)。若知道電纜的結(jié)構(gòu)尺寸和所使用的絕緣介質(zhì)，則L0和C0可由下式求出</p><p><b>　　μH/m； </b></p><p><b>　　pF/m</b></p><p>

79、　　式中，r1及r2分別為內(nèi)外導(dǎo)體的半徑；μr為媒質(zhì)的磁導(dǎo)率，因結(jié)構(gòu)上未采用鐵磁材料，故μr=1；ξr為絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)聚乙烯而言，ξr=2.25。</p><p><b>　　電纜的波阻抗為</b></p><p><b>　　(2.28)</b></p><p>　　由于集膚效應(yīng)的緣故，電纜的電阻與流過電流的

80、頻率相關(guān)。所以嚴(yán)格地講，波阻抗與jω相關(guān)，不過一般同軸電纜的R0 <<ωL0，G0<<ωC0，所以</p><p>　　波阻抗為 </p><p><b>　　(2.29)</b></p><p>　　波速 </p><p><b

81、>　　(2.30) </b></p><p>　　衰減常數(shù) </p><p><b>　　(2.31)</b></p><p>　　如在電纜首端的輸入電壓為ui（t），則波在電纜中流過x距離后的電壓為</p><p><b>　　(2.32)</b>&

82、lt;/p><p>　　實(shí)際上電纜中的損耗不僅使傳播的脈沖幅值下降，而且會(huì)使陡的沖擊波發(fā)生變形。在測(cè)量極陡的沖擊波波前或?qū)Ω邷?zhǔn)確分壓器進(jìn)行階躍響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，要考慮同軸電纜，特別是較細(xì)較長(zhǎng)的同軸電纜的畸變波形的影響。所以，要減輕電纜所產(chǎn)生的衰減和波形畸變，有時(shí)就要注意限制所使用的電纜的長(zhǎng)度，還要選擇衰減常數(shù)小的電纜[15]。</p><p>　　2.4 脈沖電阻分壓器的補(bǔ)償方法</p>

83、<p>　　若在高壓電阻分壓器的高壓端作用階躍電壓波（圖2-9），在施加電壓的最初瞬間，由于有對(duì)地雜散電容電流的存在，使電阻分壓器的電壓分布不均勻，大部分電壓集中在頂部(b圖中to曲線)，在近地的x處電壓很低。當(dāng)該電壓波作用時(shí)間很長(zhǎng)之后，電壓分布趨于均勻（b圖中t—曲線）。從起始分布到最終分布的過程中，在x處所測(cè)得電壓不是階躍波，而是指數(shù)波[16]。若減少對(duì)地雜散電容或采取補(bǔ)償措施，則這種情況可以改善。</p>

84、<p>　　減少對(duì)地雜散電容可以在保證絕緣的前提下盡量減少分壓器的尺寸。補(bǔ)償方法有電感補(bǔ)償、電流供給式電容補(bǔ)償和電流收集式電容補(bǔ)償。</p><p>　?。╝）電流分布 (b)電壓分布</p><p>　　圖2-9 電阻分壓器電壓分布不均原理圖</p><p>　　2.4.1 電感補(bǔ)償</p>

85、;<p>　　圖2-10 不同電感值補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償效果對(duì)比仿真圖</p><p>　　圖2-10為R=5050Ω、總對(duì)地分布電容C=50pF時(shí)，在分壓器電阻接地端接入不同補(bǔ)償電感時(shí)的仿真對(duì)比。由圖可以看出，電感雖然可以有效地提高分壓器的影響性能，但電感值必須適當(dāng)，否則會(huì)引起波形顯著震蕩和過沖。由仿真可知，因分布電感的補(bǔ)償作用并不明顯，且易引起震蕩，因此，電阻體仍應(yīng)選用無(wú)感電阻，必要時(shí)再加入補(bǔ)償電感或利用

86、引線電感進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　圖2-11 相同電感值不同RC值時(shí)的補(bǔ)償效果仿真圖</p><p>　　圖2-11顯示了補(bǔ)償電感為1000nH時(shí)，對(duì)不同RC值的分壓器的補(bǔ)償效果的對(duì)比。由圖可見，補(bǔ)償電感的量必須與分壓器的RC值相應(yīng)，否則難以達(dá)到補(bǔ)償效果，或引起波形畸變和過沖。</p><p>　　2.4.2 供給式補(bǔ)償</p><p>

87、;　　如果給分壓器本體提供額外的電流補(bǔ)償，以平衡流失的對(duì)地雜散電容電流，使分壓器電阻體上電壓分布均勻，則可以減少雜散電容的影響。因此，在分壓器的高壓端附近連接環(huán)狀電極（圖2-12）或者套筒[17]，環(huán)與分壓器本體間存在雜散電容。由環(huán)流向分壓器本體間的雜散電容電流可部分地補(bǔ)償由分壓器本體流向地的雜散電容電流，從而改善分壓器的相應(yīng)性能。</p><p>　　圖2-12 環(huán)電極補(bǔ)償示意圖</p><

88、p>　　圖2-13 環(huán)電極補(bǔ)償?shù)刃щ娐?lt;/p><p>　　圖2-13為該補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐?，圖中忽略了分部電感和縱向分部電容，Cbi’（i=1，2，…，n）為環(huán)電極與電阻體間的雜散電容。</p><p>　　圖2-14 環(huán)電極補(bǔ)償歸一化階躍響應(yīng)仿真</p><p>　　圖2-14為R=5050Ω、總對(duì)地分布電容C=50pF時(shí)，不同補(bǔ)償電容Cb=ΣCbi’下的仿真

89、對(duì)比，環(huán)的位置取為距頂端距離為分壓器電阻體總長(zhǎng)的20%。由圖可見，選取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電容值，即選取合適的環(huán)直徑和相應(yīng)的安裝位置，可獲得較好的補(bǔ)償效果[18]。但由于環(huán)電極或套筒加在分壓器的告他段，不適合室內(nèi)的高壓測(cè)量。</p><p>　　2.4.3 收集式補(bǔ)償</p><p>　　由圖2-9可知，如果將分壓器本體流向地的雜散電容電流予以適度收集，并匯聚于輸出端，使to曲線在輸出端附近盡量向t

90、_靠攏，同樣也可以起到補(bǔ)償作用。因此，在高壓臂的低壓端加入套筒電極（圖2-15），就可以局部減小高壓臂的直接對(duì)地雜散電容，部分收集由分壓器本體流向地的雜散電容電流，補(bǔ)償給低壓臂，從而改善分壓器的相應(yīng)性能。</p><p>　　圖2-15 套筒電極示意圖</p><p>　　圖2-16 加入套筒電極的等效電路</p><p>　　加入套筒電極的等效電路如圖2-16所示

91、。圖中l(wèi)2為套筒電極長(zhǎng)度，l=l1+l2為高壓臂電阻總長(zhǎng)，R1’為高壓臂單位長(zhǎng)度電阻，C’’為套筒外高壓臂（l2段）對(duì)地單位長(zhǎng)度分布電容，C2’和C2’’為套筒與高壓臂及套筒對(duì)地單位長(zhǎng)度分布電容，忽略了雜散電感及縱向分布電容。從中可以得出，改變套筒的長(zhǎng)度和直徑就可以改變分壓器的分布參數(shù)，從而改變分壓器的性能[19]。</p><p>　　圖2-17 普通分壓器簡(jiǎn)化電路模型</p><p>

92、　　圖2-17中R1為高壓臂電阻，R2為低壓臂電阻，Ce為等效對(duì)地電容，則其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（2.33）</b></p><p><b>　　歸一化階躍響應(yīng)為</b></p><p><b>　?。?.34）</b></p><p>　　式中，R=R1+

93、R2，階躍響應(yīng)時(shí)間為</p><p><b>　?。?.35）</b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　?。?.36）</b></p><p>　　分壓器輸出波形的10%~90%上升時(shí)間為</p><p><b&

94、gt;　?。?.37）</b></p><p>　　圖2-18 補(bǔ)償分壓器簡(jiǎn)化電路模型</p><p>　　圖2-18為加入套筒電極的簡(jiǎn)化集總參數(shù)模型，其中R11=( l－l2)R1'，R12=l2R1'，C1＝ζl2C2'，C2＝l2C2''，Ce=ξ(l－l2)C''，ζ和ξ為等效系數(shù)；令 R1= R11＋R12，R

95、= R1＋R2，C3 = C2＋Ce，則傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?.38）</b></p><p><b>　　歸一化階躍響應(yīng)為</b></p><p><b>　　（2.39）</b></p><p><b>　　上式中, </b>&l

96、t;/p><p><b>　　階躍響應(yīng)時(shí)間為</b></p><p><b>　　（2.40）</b></p><p>　　由上式可以看出，階躍響應(yīng)時(shí)間由三部分組成，第一部分為高壓臂l1段對(duì)地分布電容作用的結(jié)果，第二部分為套筒對(duì)地分布電容作用的結(jié)果，第三部分為套筒與高壓臂l2段分布電容作用的結(jié)果。</p><

97、;p>　　圖2-16中，設(shè)分壓器高壓臂電阻為5 kΩ，長(zhǎng)為100cm，低壓臂電阻R2為50 Ω，C''為0.5pF/cm，C2'為1.0 pF/cm，C2''為0.75 pF/cm，不同套筒長(zhǎng)度l下的階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如圖2-19。圖中，l越大，響應(yīng)曲線上升沿將變陡，但過大會(huì)引起過沖[20]。</p><p>　　圖2-19 套筒補(bǔ)償歸一化階躍響應(yīng)仿真圖</p&g

98、t;<p>　　此補(bǔ)償式分壓器的優(yōu)點(diǎn)是套筒加在低壓端，操作使用較為安全。在直徑一定的情況下，通過調(diào)節(jié)套筒電極的長(zhǎng)度，就可以同時(shí)調(diào)節(jié)三部分的分布電容，從而易于達(dá)到理想的響應(yīng)特性。</p><p>　　2.4.4 綜合補(bǔ)償</p><p>　　綜合補(bǔ)償是將供給式補(bǔ)償和收集式補(bǔ)償分別與電感補(bǔ)償綜合使用的補(bǔ)償方式，此種方式能收到更好的效果。</p><p>　

99、　圖2-20 綜合補(bǔ)償仿真圖</p><p>　　圖2-20是某一小型分壓器在加入套筒良好補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上加入電感補(bǔ)償?shù)姆抡媲闆r，可以看出加入電感補(bǔ)償后，上升時(shí)間明顯降低，且增益在500MHz以內(nèi)幾乎是恒定的。因此，分壓器性能得到了進(jìn)一步的改善[21]。</p><p>　　3 脈沖電阻分壓器的設(shè)計(jì) </p><p>　　3.1 電阻分壓器原理及分析</p>

100、<p>　　電阻分壓器由高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2構(gòu)成，設(shè)待測(cè)電壓為V1，理想情況下，分壓器低壓臂上的電壓V2為 </p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　實(shí)際上，電阻分壓器中總是存在著電感Lg和雜散電容Cg(主要考慮對(duì)地電容),假設(shè)不考慮雜散電容Cg的存在，則分壓器等效電路如圖3-1所示</p><

101、;p>　　圖3-1 分壓器等效電路圖</p><p>　　此時(shí)，分壓器低壓臂上的電壓V2為</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　由上式看出，由于Lg的存在使得輸出電壓發(fā)生畸變，Lg越小則畸變?cè)叫?。假設(shè)待測(cè)電壓脈沖的上升時(shí)間為tr,在設(shè)計(jì)電阻分壓器時(shí)，Lg的選擇應(yīng)滿足下式</p><p&g

102、t;<b>　　(3.3)</b></p><p>　　如果電阻分壓器的回路電感Lg忽略不計(jì)，分壓器等效電路如圖3-2所示，Cg表示分壓器的總的對(duì)地電容。</p><p>　　圖3-2分壓器等效電路圖（忽略電感）</p><p>　　此時(shí)，分壓器低壓臂上的電壓V2為</p><p><b>　?。?.4）<

103、;/b></p><p>　　由于對(duì)地電容Cg的存在，測(cè)量電壓V2的上升時(shí)間比實(shí)際的要大，在設(shè)計(jì)電阻分壓器時(shí)，Cg(R1+R2)應(yīng)滿足下式</p><p><b>　　（3.5）</b></p><p>　　3.2 電阻分壓器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 電阻分壓器中參數(shù)的選取以及分壓比的計(jì)算</p

104、><p>　　圖3-3 電阻分壓器的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　在分壓器設(shè)計(jì)時(shí)，依照?qǐng)D3-4選取高壓引線的等效電阻RL由兩個(gè)400?并聯(lián)組成，其阻值大小為200?；高壓臂電阻R1選用4500?；而取電阻R2阻值為50?；選取分壓器第二級(jí)高壓臂電阻R3的阻值為2550?；選取分壓器第二級(jí)低壓臂電阻R4阻值時(shí)，考慮到與電纜阻抗匹配問題（一般電纜的阻值為50?或75?），在這里選用阻值為50?的

105、電阻。</p><p><b>　　由此可得：</b></p><p><b>　　分壓器第一級(jí)分壓比</b></p><p>　　分壓器第二級(jí)分壓比 </p><p>　　圖3-4 分壓器電路示意圖</p><p>　　分壓器的分壓比 </p>&l

106、t;p>　　3.2.2 電阻分壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化</p><p>　　想要準(zhǔn)確的測(cè)量出高壓脈沖電壓，就必須消除影響測(cè)量誤差的因素，所以需要考慮減少對(duì)地雜散電容，電感等方面的影響[22]。在第2章第4節(jié)中提到了4種補(bǔ)償方法，其中選取綜合補(bǔ)償方法運(yùn)用于該電阻分壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖3-3。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，對(duì)電阻分壓器各部分進(jìn)行了絕緣和屏蔽。高壓臂電阻表面的絕緣介質(zhì)采用了聚乙烯，相對(duì)介電常數(shù)ε=2.25，該絕緣介質(zhì)構(gòu)成

107、高壓臂電容C1，銅皮表面與部分金屬外層保護(hù)層以空氣為介質(zhì)構(gòu)成低壓臂電容C2，絕緣套管的表面與相對(duì)金屬外層保護(hù)層之間形成電容C3。電阻分壓器的第一級(jí)高壓臂電阻和低壓臂電阻兩端分別與電容C1，C2相并聯(lián)，電容C3在高壓端直接與地相連。</p><p>　　在這里絕緣套管的直徑r1= 45mm,高壓臂電阻R1的直徑r2=20mm,銅皮的長(zhǎng)度取l=90mm；有計(jì)算公式可以得到</p><p>　　

108、銅皮表面與其他部分表面形成的電容與C1串聯(lián)得到電容為C1’，這里綜合考慮取C1’=6.45pF。 </p><p>　　當(dāng)R1，C1’，R2，C2’滿足R1C1’= R2C2’時(shí)，就會(huì)使分壓器的初始分壓器和最終分壓器保持不變，分壓器將呈純電阻狀態(tài)。從上一節(jié)可以獲知R1=4500?，R2=50?；由公式R1C1’= R2C2’可知，C2’=580.5PF，而電路中的C2肯定遠(yuǎn)小于C2’，所以就必須對(duì)分壓器進(jìn)行補(bǔ)

109、償，需補(bǔ)償?shù)碾娙轂镃2’’= C2’- C2以滿足此結(jié)構(gòu)優(yōu)化。</p><p>　　3.2.3 電阻分壓器的階躍響應(yīng)及其仿真</p><p>　　研究脈沖分壓器誤差時(shí)，?？紤]在它的高壓端輸入一階躍波，然后計(jì)算或測(cè)量低壓臂的輸出波，此輸出波稱為階躍響應(yīng)。通常采用階躍響應(yīng)來反映分壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移特性[23]。下面對(duì)圖3-3的分壓器進(jìn)行階躍響應(yīng)分析，這里我們主要研究第一級(jí)分壓器輸出電壓的階躍響應(yīng)。第

110、一級(jí)分壓器的等效電路圖如圖3-5所示：</p><p>　　圖3-5 第一級(jí)分壓器等效電路圖</p><p>　　圖中的輸入電壓Uo(t)為單位階躍電壓波，U2(t)是輸出端的階躍響應(yīng)信號(hào)。為了方便求得輸出端的階躍響應(yīng)。我們先把時(shí)域電路轉(zhuǎn)化為運(yùn)算電路，如圖3-6</p><p>　　圖3-6 運(yùn)算電路圖</p><p>　　Uo(t)=ε（t

111、）進(jìn)行拉斯變換Uo(S)=1/S，此時(shí)輸出端為階躍響應(yīng)。</p><p><b>　　應(yīng)用結(jié)點(diǎn)電壓法可得</b></p><p><b>　　(3.6)</b></p><p><b>　　(3.7)</b></p><p>　　其中U1(S)是與RL頂端結(jié)點(diǎn)相連的結(jié)點(diǎn)電壓。&

112、lt;/p><p>　　由(3.6)(3.7)整理可得</p><p>　　由以上公式可知輸出電壓U2（S）的大小均取決于于三個(gè)電容C1,C2,C3的不同取值[24]。</p><p>　　圖3-7 仿真原理圖</p><p>　　圖3-7中，C1=1.5pF，C2=10pF，C3=18pF ，其他參數(shù)如圖中所示</p><p

113、>　　利用multisim應(yīng)用軟件對(duì)上圖進(jìn)行仿真，仿真后得到的波形如下： </p><p>　　圖3-8 階躍響應(yīng)仿真波形圖</p><p>　　由上圖的仿真波形圖中我們可以看出波形開始的振蕩很厲害，過沖很大。因此我們必須改變電容C1,C2,C3的值來改變其仿真波形。</p><p>　　經(jīng)過多次取值進(jìn)行仿真比較，為得到平穩(wěn)的波形圖，最后取值C1= 2.2p

114、F ，C2=33pF ，C3=45pF。此時(shí)電路圖中各參數(shù)為：</p><p>　　電阻參數(shù)不變（圖3-9）。</p><p>　　圖3-9 仿真原理圖</p><p>　　仿真后得到的波形如圖3-10：</p><p>　　圖3-10 階躍響應(yīng)仿真波形圖</p><p>　　4 電阻分壓器性能試驗(yàn)</p>

115、<p>　　圖4-1 分壓器實(shí)物圖</p><p>　　動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法和替代方法。采用標(biāo)準(zhǔn)方法時(shí)，被試系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件：兩個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的每一個(gè)時(shí)間參數(shù)的差值應(yīng)在由標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)得的相應(yīng)值的±10％范圍內(nèi)；對(duì)于每一時(shí)間參數(shù)，被試系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)相應(yīng)讀數(shù)之比值的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差差值均應(yīng)小于其平均比值的5％。</p><p>　　替代方法：采用階躍響應(yīng)測(cè)量?？捎霉瘽?rùn)繼電