基于tds示波器的高壓納秒脈沖信號的測量

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1、萬方數(shù)據(jù)《電氣應用》2005年第24卷第11期基于TDS示波器的高壓納秒脈沖信號的測量邵濤1，2孫廣生1(1．中國科學院電工研究所100080嚴萍1袁偉群12．中國科學院研究生院100039)摘要在進行重復頻率脈沖下氣體絕緣放電試驗過程中，高壓納秒級的脈沖電壓及電流信號的測量是分析氣體絕緣特性的關(guān)鍵之一，同時重復頻率下?lián)舸┧钑r間也值得關(guān)注。利用TDS684A和TDS3054B實現(xiàn)了高壓納秒級的脈沖電壓、電流信號的測量，及電壓電流包絡線的測量，同時利用這兩種型號的示波器實現(xiàn)了重頻下?lián)舸┑哪褪軙r“間的測量，并基于Wavestar軟件

2、對波形再處理，及導出波形數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字信號處理。關(guān)鍵詞納秒脈沖信號TDS示波器測量重頻耐受時間1引言高壓納秒級脈沖下電壓、電流等信號的測量一直是脈沖功率領(lǐng)域一個研究重點。納秒級上升沿的脈沖信號，可高達兆伏、兆安的信號幅值，強烈快速的瞬態(tài)電磁脈沖等lIJ，都要求對測量系統(tǒng)的頻帶響應須滿足一定條件、被測信號要多級測量或衰減，．及降噪處理。在進行重復頻率納秒級脈沖下氣體介質(zhì)放電試驗中，分析氣體介質(zhì)絕緣特性的關(guān)鍵是：如何精確有效的測量間隙擊穿時的電參量，主要包括施加電壓及放電電流信號。本文將介紹利用兩臺TDS示波器實現(xiàn)對重頻氣體放電試驗中施

3、加電壓、放電電流的測量，及氣體間隙擊穿所承受的時間(重頻耐受時間)，以及對測量信號進行必要的降噪處理。2納秒脈沖信號測量進行重頻納秒脈沖氣體擊穿試驗接線及信號測量的示意圖如圖1所示。試驗電源為基于半導體斷路開關(guān)的SPG200E23。整個測量電纜均采用雙層屏蔽電纜，示波器、觸發(fā)脈沖發(fā)生器、信號處理計算機等均放置在屏蔽室內(nèi)。影響納秒脈沖信號測量的因素包括分壓器／分流器的響應，高頻電纜的響應，示波器的帶寬(BW)等。使用的示波器TDS684A帶寬1GHz，采樣率5GS／s，TDS3054B帶寬500MHz，采樣率5GS／s，滿足上述示波

4、器測量精國家自然科學基金資助課題(50207011)一84一度的脈沖信號上升沿是f。=％嚳=麗0．35=350ps，試驗脈沖源輸出脈沖的上升沿約10ns，示波器帶寬滿足測量要求。TDS示波器與計算機上NI公司的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接卡由GPIB并口通信，并利用Tektronix公司開發(fā)的通信軟件Wavestar2．4實時采集試驗波形，并可以利用該軟件對波形進行再處理。圖1試驗接線及信號測量不意圖2．1電壓、電流測量電壓信號通常采用電阻分壓器或電容分壓器測量。耦合式電容分壓器具有響應時問快、結(jié)構(gòu)緊湊、制作方便、對被測量系統(tǒng)影響小等特點?，一般可以

5、滿足納秒級脈沖信號上升沿的測量要求，需盡量避免雜散電感等影響。圖2a、3a分別為兩種不同情況下的波形結(jié)果，比較發(fā)現(xiàn)圖3中電壓、電流信號干擾嚴重，當放電電流達到一定值時，電壓波形上疊加了一定的持續(xù)高頻振蕩。這對于試驗數(shù)值的讀取不便，因此需對電壓信號進行降噪，消除干擾因素。納秒級脈沖大電流的測量可采用小電萬方數(shù)據(jù)基于TDS示波器的高壓納秒脈沖信號的測量《電氣應用》2005年第24卷第11期阻分流器或自積分羅氏線圈。采用分流器監(jiān)測擊穿時放電電流波形對于判斷擊穿時延較方便。分流器采用同軸管式超高頻氧化膜電阻。分流器信號經(jīng)20dB衰減后送入

6、TDS684A的chl通道，波形如圖2a、3a所示。試驗中電流信號的測量是關(guān)鍵，重?‘。?。_’?‘!?’!-薯簟‘葉沁譬2一；?ij．；．o轡一餓≤●’。’●}1V一!：’’!’；■掣、?！鯺i?-哆㈠蓋：童j；。濰頻條件下間隙擊穿時電壓及耐受時問的測量均是依靠分流器檢測到放電電流信號時同步觸發(fā)TDS684A記錄電壓信號，以及給TDS3054B提供時問終止記錄信號。P一”?～?一．i’’’●’．—+l重頻耐受時間I一‘：?_?一L。：。一一。一』?’‘l哪p晡濞哪刪童VzsInl3tRl401．CH'j，V。1．暑．，I．。．．

7、．。．．I．。．．I，t．．1---．1．-．．‘(a)TDS684AI構(gòu)采樣波形(b)TDS3054BI釣采樣波形圖2電壓、電流波形及耐受時間示意圖(平板間隙10ram，頻率100Hz，1個大氣壓)．????‘!?!{。’1A二烈。武’’’’I‘。1’I’‘‘’I’?！?．■掣氣躐電流硼：0_I；I■il纛。．．．：：．??、—岬1：l∥’一；j‘一{{一電壓一卜．j01：℃蠹釜[a芻4A]未,CH2S，v。蠹磚nS≮(a)TDS684A的采樣波形(b)TDS3054B的采樣波形圖3電壓、電流波形及耐受時間示意圖(平板間隙5ra

8、m，頻率500Hz，3個大氣壓)2．2重頻耐受時間測量重頻脈沖條件下氣體間隙的擊穿與單次脈沖下的擊穿不同，其擊穿需要一定的時間，即重頻耐受時間。試驗中重頻耐受時間采用TDS684A和TDS3054B聯(lián)合測量，如圖1所示。在控制SPG200輸出頻率的