一种测量微秒量级脉宽方波信号的电容分压器

作者： 国自电气 时间：2024-07-12 09:26:27 阅读：23

为了解决测量脉宽达到μs量级的方波信号的平顶衰落问题，设计了改进的双端匹配电容分压器。对采取双端匹配方式的电容分压器进行了频域和时域仿真。仿真结果表明，双端匹配方式的中频段幅频特性不平坦，方波响应波形也存在过冲。通过仿真计算调整了始端电阻以及对应的末端电容，实现了双端匹配方式的优化设计。实验结果表明：当低压臂电容为2 nF的情况下，使用电长度为50 ns的电缆的改进双端匹配电容分压器可以得到过冲小于2%，无平顶衰落的波形。

电容分压器是脉冲高电压常用的测量手段。对于快脉冲测量，目前通常使用的电容分压器为自积分型或微分型，高频特性优良，但低频响应均存在不足。自积分型低频响应的不足通常通过设置补偿电阻或补偿电容扩展，但是分布参数导致补偿方法很难满足μs量级方波信号的测量需求。微分型电容分压器（D-dot）无低频下限，但是如果使用硬件（无源积分器）积分，为满足低频响应的需求需要极大的时间常数，导致信号过低难以测量。如果采用数值积分，对于方波信号测量存在特定的问题。即，由于方波信号的上升沿和下降沿的dV/dt幅值较大，而平顶部分的dV/dt接近0，为保证数字示波器测量方波前后沿对应的微分信号不超屏，则平顶部分信号的信噪比很差，轻微的干扰就容易使电压波形的平顶部分出现畸变，影响测量结果。而且数值积分还存在基线偏移导致的使用不方便等问题。为了满足更低频率信号的测量，自积分型电容分压器发展了双端匹配方式，但是需要处理信号电缆的等效电容改变分压器分压比的问题。传统的分析方法通过比较稳态分压比与瞬态分压比讨论分压器的响应能力，缺少针对全频段的分析。本文通过频域仿真分析，讨论了测量电缆对分压器测量结果的影响，改进了双端匹配方式，得到了无平顶衰落且过冲较小的测量结果。

双端匹配电容分压器的理论分析与改进设计

双端匹配方式电容分压器通过设置末端匹配电阻R2以及串联电容C3实现。原理所示，设电缆T1的等效电长度为T，等效电容为Cc，当满  足C1+ C2=Cc+C3时，计算得到稳态分压比与瞬态分压比相等。但稳态分压比与瞬态分压比相等并不表示分压器在全频带均满足要求。此外，C1+ C2=Cc+C3条件表明在C1与C2确定的情况下，Cc+C3为一个确定的值。即这个条件可以选择较长的电缆（较大的Cc）配合较小的C3，或者选择较短的电缆配合较大的C3。通过以下频域和时域仿真，分析不同的选择对双端匹配电容分压器的频率特性的影响。当电缆的电长度的取值按表1所示，仿真得到的分压器输出的频率特性参见图2所示。幅频特性表明：尽管该分压器稳态分压比与瞬态分压比相等，但中频段存在不平坦。例如，参数1～3在低频段（500 kHz以下）以及高频段（50 MHz以上）的输出基本相等（设衰减系数为β1），但中间频段的输出明显不同（设在最大增益位置的衰减系数为β2）。参 数2的β1=−66 dB，在频率约为38 MHz的位置存在最大增益，对应β2=−64.5 dB，则最大增益Δβ=β2−β1=1.5 dB；参数1对应  的Δβ≈0.3 dB；参数3对应  的Δβ≈5.3 dB。对于参数4，由于电缆Cc≈2 nF，所以无论怎样设置C3也无法补偿分压器的高频特性（该参数实际等效始端匹配方式）。由图2可知，较短的电缆具有更平坦的频率特性。而且通过对比可知：虽然双端匹配能够改善中频段输出的不平坦，但是如果定义10%为超差（即0.83 dB），则只有T=25 ns是可用的。双端匹配电容分压器的方波响应结果参见图3。上述中频段的不平坦在方波响应波形上的表现就是存在过冲与振铃。设置方波幅值为2 kV，分压器输出的方波平顶幅值V=1 V。由图3可知，参数1～4的方波过冲对应峰值Vpek分别为1.03 V，1.13 V，1.40 V，1.90 V。因此，在实际应用中，双端匹配分压器对电缆长度仍存在较大的限制。图3中，参数1（T=25 ns，对应聚乙烯电缆长度为5 m）的过冲δ≈3%，输出波形畸变较小，基本可以满足测量需要；而其它参数的电容分压器的过冲均超过10%，输出波形存在较明显的畸变。

为改善双端匹配分压器的中频段，并实现适当增长测试电缆长度的目的（例如受到测试场地条件的限制，测试电缆需要一定长度），进行了电路改进。定性分析可知：当频率高于一定值时，电容C的容抗极小，与电缆波阻抗Z相比可以等效为短路。所以当R2=Z时，电缆末端能够保持阻抗匹配。因此并不需要让R1一定等于电缆的波阻抗Z。