機(jī)械工程學(xué)院參考畢業(yè)設(shè)計(jì)格式xin.doc

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學(xué)校代碼：11517 學(xué) 號(hào)：0708071133 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目 實(shí)驗(yàn)用小型電阻分壓器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 苗 超 專業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化0702 學(xué) 號(hào) 0708071133 院（部） 機(jī)械工程學(xué)院 指導(dǎo)教師(職稱) 鄔昌峰(講師) 完成時(shí)間 2011 年 5 月26日 河南工程學(xué)院論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解河南工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。 論文作者簽名： 年 月 日 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文，是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 年 月 日 河南工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 題目 實(shí)驗(yàn)用小型電阻分壓器的設(shè)計(jì) 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)號(hào) 0708071133 姓名 苗 超 主要內(nèi)容 高壓快脈沖具有被測(cè)前沿快、被測(cè)脈沖幅值高、電磁干擾強(qiáng)烈、導(dǎo)體集膚效應(yīng)的影響嚴(yán)重特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和標(biāo)定存在許多困難。因此實(shí)驗(yàn)室里大多采用的是常規(guī)的測(cè)量方法。 對(duì)于實(shí)驗(yàn)室里采用的測(cè)量高壓快脈沖的常規(guī)方法，由于高壓快脈沖的測(cè)量難度很大，相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性、抗干擾性等都是需要解決的問題。 本課題通過搭建分壓器與數(shù)字存儲(chǔ)示波器為主要組件的測(cè)量系統(tǒng)，來進(jìn)行沖擊高壓分壓系統(tǒng)的峰值及波形的測(cè)量。 對(duì)于不同類型的電壓信號(hào)，對(duì)分壓器的性能和要求有所不同，所研制的脈沖分壓器性能的好壞是測(cè)量系統(tǒng)能否達(dá)到測(cè)量要求的關(guān)鍵。 基本要求 完成實(shí)驗(yàn)用小型電阻分壓器的設(shè)計(jì)。 主要內(nèi)容包括： 1.查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)不少于15篇（其中外文文獻(xiàn)不少于2篇，列入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)中），根據(jù)查閱的文獻(xiàn)資料情況，寫出文獻(xiàn)綜述（不少于3000字）；翻譯外文文獻(xiàn)一篇（譯文字?jǐn)?shù)不少于3000字）。文獻(xiàn)綜述與翻譯單獨(dú)裝訂成冊(cè)。 2.確定設(shè)計(jì)方案。 3.繪制出設(shè)計(jì)圖紙一套。 4.按要求撰寫畢業(yè)論文。 主要參考文獻(xiàn) 1.推薦參考書： [1] 周璧華，陳斌，石立華.電磁脈沖及其工程防護(hù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003. [2] 張仁豫，陳昌漁，王昌長(zhǎng).高電壓試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003. [3] 曾中正. 實(shí)用脈沖功率技術(shù)引論[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2003. [4] 郭允晟，蘇秉偉，方偉喬等.脈沖參數(shù)與時(shí)域測(cè)量技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1989. [5] 梁曦東，陳昌漁，周遠(yuǎn)翔.高電壓工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003. [6] 譚陽(yáng)紅，蔣文科，何怡剛.基于OrCAD 10.5的電子電路分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007. 2.學(xué)術(shù)期刊、學(xué)術(shù)會(huì)議等其它參考文獻(xiàn) 自備。 完 成 期 限： 指導(dǎo)教師簽名： 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽名： 年 月 日 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 課題研究的背景及意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 2 1.2.1 脈沖電壓測(cè)量 2 1.2.2 電阻分壓器研究現(xiàn)狀 3 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 4 2 電阻分壓器原理分析 6 3 電阻分壓器的設(shè)計(jì) 9 3.1 結(jié)構(gòu)確定 9 3.2 材料選擇 9 3.2.1 電阻的選擇 9 3.2.2 殼體材料的選擇 12 3.2.3 絕緣材料的選擇 12 3.2.4 電纜的選擇 13 3.2.5 其他材料的選擇 15 4 電阻分壓器模擬仿真 16 4.1 OrCAD簡(jiǎn)介 16 4.2 電路模擬仿真 17 4.2.1 電阻分壓器各電路參數(shù)計(jì)算 17 4.2.2 電路原理圖的繪制 18 4.2.3 電路的PSpice A/D分析 19 4.3 電阻分壓器測(cè)量誤差分析 22 4.3.1 減少雜散電容對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響 22 4.3.2 針對(duì)其他影響因素的補(bǔ)償措施 23 結(jié)束語(yǔ) 24 致 謝 25 參考文獻(xiàn) 26 附錄 28 實(shí)驗(yàn)用小型電阻分壓器的設(shè)計(jì) 摘 要 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，脈沖高電壓測(cè)量系統(tǒng)的分壓器是一個(gè)關(guān)鍵性部件。電阻分壓器原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但當(dāng)測(cè)量瞬時(shí)幅值達(dá)幾十千伏的電壓時(shí)，就必須要考慮分布參數(shù)、高壓絕緣和阻抗匹配等因素的影響，此時(shí)要求分壓器具有良好的響應(yīng)特性和穩(wěn)定性。 本文研究的電阻分壓器主要用于測(cè)量來自高壓脈沖源的幅值為30kV、上升時(shí)間為納秒級(jí)的高壓脈沖信號(hào)。通過對(duì)分壓比的計(jì)算、結(jié)構(gòu)的確定以及材料的選擇，完成了二級(jí)電阻分壓器的設(shè)計(jì)。對(duì)于所設(shè)計(jì)的分壓器建立了電路模型，運(yùn)用OrCAD軟件對(duì)其傳輸性能進(jìn)行了模擬仿真，分析了影響其傳輸性能的因素。最后通過仿真波形與實(shí)際波形的對(duì)比分析，證明了所設(shè)計(jì)的電阻分壓器傳輸性能好，符合實(shí)驗(yàn)要求。 關(guān)鍵詞 脈沖高電壓；電阻分壓器；OrCAD；實(shí)驗(yàn) DESIGN OF A SMALL RESISTOR DIVIDER FOR TEST ABSTRACT Voltage divider is a key part of high-voltage pulse measuring system in controlled nuclear fusion, strong electron acceleration, high power microwave and free electron laser and other high-tech fields. The principle of resistor divider is simple and widely used, but the distribution parameters, high-voltage insulation and impedance matching and other factors must be considered when the amplitude of the instantaneous voltage is up to tens of kilovolts. Good response and stability of voltage divider is required. The resistor divider studied in this paper is mainly used for measuring high voltage pulse coming from the high-voltage pulse source. The amplitude of the pulse is up to 30 kilovolts and the rise time of the pulse is nanosecond. A two-stage resistor divider is designed after the calculation of divider ratio, structure determination and materials selection. The circuit model of the divider designed is established. The transmission performance of the divider designed is simulated, and the factors affecting the transmission performance of the divider is analyzed. Good transmission performance of the resistor divider is approved through the comparative analysis of the waveform and actual waveform, and the resistor divider designed meets the experimental requirements. KEY WORDS high-voltage pulse, resistor divider, OrCAD ,test 1 緒論 1.1 課題研究的背景及意義 在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域,高壓脈沖的測(cè)量是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題.由于高壓納秒脈沖固有的一些特性使得測(cè)量系統(tǒng)具有一些新的特點(diǎn)： (1)納秒脈沖上升沿很陡。被測(cè)脈沖上升沿上升時(shí)間通常約為幾納秒，有時(shí)可低達(dá)亞納秒，所以要想準(zhǔn)確的進(jìn)行測(cè)量，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。因此對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的要求很高。 (2)要確保測(cè)量脈沖波形不畸變。但是一般的測(cè)量系統(tǒng)由于帶寬不夠，所以測(cè)量得到的信號(hào)往往是畸變的信號(hào)，這就要求對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得真實(shí)的信號(hào)波形。 (3)測(cè)量系統(tǒng)要進(jìn)行屏蔽。 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。由于被測(cè)信號(hào)具有幅值高、前沿快以及環(huán)境電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，而實(shí)驗(yàn)室所用的示波器、數(shù)字記錄儀等通用儀器的耐高壓和強(qiáng)干擾的能力差，此時(shí)需要通過分壓器才能進(jìn)行峰值和波形的測(cè)量。在測(cè)量系統(tǒng)中，最主要的誤差來自于分壓器，所以分壓器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。 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)。 本課題的研究目的就是利用現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)，通過仿真分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步探討影響分壓器性能的因素，探索改善分壓器性能的有效途徑，為高性能納秒脈沖電壓測(cè)量分壓器提供指導(dǎo)，同時(shí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)出能夠滿足納秒級(jí)高壓脈沖測(cè)量要求的小型分壓器。 應(yīng)用已有的理論和技術(shù)研制納秒級(jí)高壓脈沖測(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。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 納秒級(jí)高電壓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[1]。 1.2.1 脈沖電壓測(cè)量 脈沖高壓有兩個(gè)特點(diǎn)：一是持續(xù)時(shí)間短、變化快；二是電壓高。這決定了其測(cè)量方法不同于一般的電壓測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于納秒脈沖測(cè)量常用的測(cè)量系統(tǒng)有：分壓器測(cè)量系統(tǒng)、微積分測(cè)量系統(tǒng)、光電測(cè)量系統(tǒng)[2]。 1.2.1.1 分壓器測(cè)量系統(tǒng) 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。分壓器由高壓臂阻抗和低壓臂阻抗構(gòu)成，高壓脈沖加于高壓臂端，由低壓臂端輸出到示波器測(cè)量。常用的分壓器有：電阻分壓器、電容分壓器和阻容分壓器等。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。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)地雜散電容的乘積有關(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[3-10]。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，比電阻分壓器較為有利。由于存在回路雜散震蕩問題，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[11-13]。低壓臂回路的制作要點(diǎn)是盡量避免引線電感，如果低壓臂回路制作不當(dāng)，就會(huì)引入振蕩。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)[14]。 1.2.1.2 微積分測(cè)量系統(tǒng) 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)（Differentiating-Integrating measuring systems,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感要求也比一般電阻分壓器的高得多[15]。 1.2.1.3 光電測(cè)量系統(tǒng) 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）及計(jì)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，還可減弱射頻干擾和雜散寄生信號(hào)對(duì)測(cè)量回路的影響。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[14, 16-19]。 1.2.2 電阻分壓器研究現(xiàn)狀 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)的整體性能。 電阻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)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。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。 國(guó)內(nèi)外電阻分壓器的研究機(jī)構(gòu)主要有：東南大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中科院電工所和西安交通大學(xué)，華南理工大學(xué)等。2001年牛海清[20]研制了一種用于測(cè)量電力系統(tǒng)中電壓測(cè)量所用的電阻分壓器，從路的角度分析分壓器誤差特性，然后利用電磁仿真軟件ANSYS對(duì)分壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，從場(chǎng)的角度分析分壓器的結(jié)構(gòu)方案，分析各方案幅值誤差、相角誤差及最大場(chǎng)強(qiáng)，從而優(yōu)化出一種最佳結(jié)構(gòu)方案。所研制電阻分壓器具有體積小、傳輸頻帶寬、不存在飽和問題、無諧振等優(yōu)點(diǎn)。東南大學(xué)陳煒峰[21]等人利用PSPICE軟件分析影響分壓器性能的各種因素，提出了收集式分布電容補(bǔ)償方法，設(shè)計(jì)了基于該補(bǔ)償方法的電阻分壓器，隨著計(jì)算電磁學(xué)的不斷向前發(fā)展，目前許多方法可用于電阻分壓器的電磁仿真計(jì)算，例如：有限元法(FEM)、時(shí)域有限差分法(FDTD)、頻域共形映射法(Conformal Mapping Frequency-domain)、頻域矩量法(FDMM)、時(shí)域矩量法(TDMM)等。當(dāng)然隨著電子計(jì)算機(jī)性能的飛速提高，基于這些算法的電磁場(chǎng)仿真計(jì)算軟件也相繼出現(xiàn)，例如：基于有限元法的ANSYS、基于矩量法的FEKO，IE3D、基于時(shí)域有限差分方法的FIDELITY以及多種計(jì)算方法混合應(yīng)用的EMC2000、CST等。這些商業(yè)仿真計(jì)算軟件的出現(xiàn)，將電磁工程師從繁瑣的程序中解脫出來，使得仿真計(jì)算更為容易，所得到的結(jié)果也更加精確，仿真軟件的應(yīng)用將大大提高工作的效率和計(jì)算的可靠性。雖然計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域中仿真計(jì)算方法很多，但是對(duì)于納秒脈沖測(cè)量用電阻分壓器的仿真計(jì)算還很少。 綜上所述，電阻分壓器電磁仿真技術(shù)是國(guó)內(nèi)外納秒脈沖測(cè)量以及電磁脈沖防護(hù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，隨著納秒脈沖測(cè)量技術(shù)的要求，早期核電磁脈沖波形上升時(shí)間由原來的10ns縮短到2~3 ns，上升時(shí)間越來越短，幅值越來越高。相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)也有了新的技術(shù)要求，因此研究滿足納秒脈沖測(cè)量要求的電阻分壓器是十分必要的。 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本文研究的是高壓脈沖信號(hào)的測(cè)量，電阻分壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，在待測(cè)電壓比較低(幾萬伏) 的條件下,它的幾何尺寸相對(duì)電容分壓器等比較小,而且性能好、使用方便,所以應(yīng)用相當(dāng)廣泛，作為一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置,其最基本的功能是準(zhǔn)確快速的反映被測(cè)電壓。階躍響應(yīng)時(shí)間是衡量分壓器性能的一個(gè)重要指標(biāo). 在理想情況下,階躍響應(yīng)時(shí)間為零,這樣測(cè)量出來的波形就跟待測(cè)波形完全一致. 但由于電感、電容等雜散參數(shù)的存在,階躍響應(yīng)時(shí)間或多或少的存在,如何盡可能小的減少分壓器階躍響應(yīng)時(shí)間,使測(cè)出的波形與真實(shí)波形盡可能一致是研究人員研制分壓器時(shí)關(guān)注的焦點(diǎn).因此,探討雜散參數(shù)對(duì)分壓器階躍響應(yīng)時(shí)間的影響規(guī)律具有重要的意義。本文通過OrCAD軟件進(jìn)行模擬仿真，分析分壓器和納秒高壓測(cè)量系統(tǒng)各部件的阻抗匹配問題等等因素，進(jìn)而確定其最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終研制出符合高壓納秒脈沖測(cè)量要求的電阻分壓器。并制作出實(shí)物，對(duì)其進(jìn)行性能試驗(yàn)，進(jìn)一步改進(jìn)。 2 電阻分壓器原理分析 理想的電阻分壓器由兩個(gè)純電阻串聯(lián)而成，其中任何一個(gè)電阻上的電壓都小于輸入電壓，通常輸出信號(hào)從較小的電阻上引出。實(shí)際上，任何電阻都具有一定的雜散電感，電阻之間、電阻與地之間都有一定的雜散電容，分壓器和測(cè)量回路中往往不可避免還有引線?？紤]了分布雜散參數(shù)的電阻分壓器的等效電路如圖2.1所示： 圖2.1 電阻分壓器的分布參數(shù)等效電路 其中，為分壓器總電阻，為分壓器總對(duì)地電容。 于是，分壓器輸出波形的10%~90%上升時(shí)間為 （2-1） 即分壓器的上升時(shí)間正比于總電阻與總對(duì)地電容之積。因此欲減小分壓器的上升時(shí)間，必須盡可能降低分壓器對(duì)地電容，同時(shí)適當(dāng)限制分壓器的電阻值。 電阻分壓器的集總參數(shù)等效電路如圖2.2： 圖2.2 電阻分壓器的集總參數(shù)等效電路 -高壓臂電阻；-低壓臂電阻；-等效對(duì)地電容 其中 ， （2-2） 這個(gè)模型與分布參數(shù)模型等效?？梢钥闯?，在和確定時(shí)，應(yīng)適當(dāng)限制分壓比的大小，從而控制分壓器的上升時(shí)間。 由于高速快脈沖電壓的瞬時(shí)幅值可達(dá)幾百kV，分壓器的衰減倍數(shù)應(yīng)達(dá)103～104量級(jí), 要采用2 級(jí)甚至3 級(jí)分壓[1]。本文采用的是二級(jí)電阻分壓器。 其原理如圖2.3： 圖2.3 二級(jí)電阻分壓器原理圖 —第1級(jí)高壓臂電阻；—第1級(jí)低壓臂電阻 —第2級(jí)高壓臂電阻；—第2級(jí)低壓臂電阻 二級(jí)電阻分壓器的集總參數(shù)等效電路如圖2.4： 圖2.4 二級(jí)電阻分壓器的集總參數(shù)等效電路 -第1級(jí)高壓臂電阻；-第1級(jí)低壓臂電阻；-第1級(jí)等效對(duì)地電容 -第2級(jí)高壓臂電阻；-第2級(jí)低壓臂電阻；-第2級(jí)等效對(duì)地電容 其中為補(bǔ)償電感，而 ； （2-3） 和分別為第1級(jí)和第2級(jí)的分布電容。 對(duì)上述電路可寫出如下方程： （2-4） （2-5） （2-6） （2-7） 由于，因此第二個(gè)方程右邊第3、4項(xiàng)可以忽略，從而前兩個(gè)方程可以單獨(dú)封閉求解得出，進(jìn)而將其作為第三、四個(gè)方程的源項(xiàng)得到輸出電壓。這就是說補(bǔ)償電感的作用僅僅局限于分壓器的第2級(jí)，因此補(bǔ)償效果很有限。 對(duì)于傳統(tǒng)的線繞式電阻分壓器而言, 由于其雜散電容和電阻自身電感的影響, 容易產(chǎn)生諧振和振鈴[22], 因此傳統(tǒng)的線繞式電阻分壓器不適于測(cè)量帶寬1GHz, 上升時(shí)間為亞ns的快脈沖。 為了盡量消除雜散參數(shù)的影響, 本文采用高壓玻璃釉電阻作為二級(jí)電阻分壓器第1級(jí)的高壓臂電阻, 第1級(jí)低壓臂和第2級(jí)分壓電阻、, 都采用金屬膜無感電阻。此外還必須考慮到分壓器第1級(jí)與第2級(jí)和同軸電纜的阻抗匹配[23]。由于總的分壓比確定，通過調(diào)節(jié)第1、2級(jí)各自分配的分壓比，得到最合理的結(jié)果，才能確定最合理的電阻值，使得分壓效果盡量完美。 3 電阻分壓器的設(shè)計(jì) 3.1 結(jié)構(gòu)確定 對(duì)于如圖2.3所示的二級(jí)分壓系統(tǒng), 必須盡量減小雜散參數(shù)對(duì)分壓器測(cè)量系統(tǒng)的影響,要做好絕緣屏蔽、阻抗匹配等措施， 以兼顧高頻分壓及耐壓的要求。同軸式分壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易、便于與同軸電纜連接。基于以上的構(gòu)想,本文設(shè)計(jì)了如圖3.1所示的電阻分壓器： 圖3.1 電阻分壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 整個(gè)分壓器以鋁合金管作為殼體，輕巧方便；為了盡量減小引線電感，電阻圈1和電阻圈2均由10個(gè)呈輻射狀的電阻做成[2]。電阻圈1相當(dāng)于分壓器第1級(jí)的低壓臂，電阻圈2相當(dāng)于分壓器第2級(jí)的低壓臂，兩個(gè)電阻圈之間的電阻為分壓器第2級(jí)的高壓臂。 3.2 材料選擇[24-26] 3.2.1 電阻的選擇 3.2.1.1 分壓器各電阻阻值的確定 脈沖源電壓為30kV，示波器輸入電壓為5V，因此分壓器總的分壓比為 （3-1） 設(shè)分壓器第1級(jí)分壓比為N1，第2級(jí)分壓比為N2，則有： （3-2） 取N1=300，由（3-1）（3-2）式得：N2=20。 由于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）嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，所以選擇： 電阻圈1 和電阻圈2 均由10 個(gè)呈輻射狀的電阻做成，因此各個(gè)電阻。 由 ，得： 3.2.1.2 電阻材料型號(hào)的選擇 (1) 第1級(jí)高壓臂電阻的選擇 對(duì)于傳統(tǒng)的線繞式電阻而言，由于其雜散電容和電阻自身電感的影響, 容易產(chǎn)生諧振和振鈴, 因此傳統(tǒng)的線繞式電阻不適于測(cè)量高壓快脈沖。 非線繞電阻器分為薄膜型電阻器和合成型電阻器兩類。薄膜型電阻器分為碳膜電阻器、金屬膜電阻器、金屬氧化膜電阻器及合金箔電阻器。合成型電阻器分為合成碳膜電阻器、金屬玻璃釉電阻器、有機(jī)實(shí)芯電阻器及無機(jī)實(shí)芯電阻器。 玻璃釉電阻器也叫做金屬玻璃釉電阻器或厚膜電阻器。這種電阻器的電阻體是由銀、鈀、銠和釕等的金屬氧化物和玻璃釉粘合劑在高溫下燒結(jié)制成的。這種電阻器的特點(diǎn)是耐高溫、比率功率較大、阻值范圍寬、溫度系數(shù)小、制造工藝簡(jiǎn)單。既可制成一般精度的電阻器，也可制成精密電阻器。根據(jù)特殊要求，其精度可達(dá)。 玻璃釉電阻器有三種結(jié)構(gòu)形式：帶引線的片形、圓柱形和不帶引線的片形。 玻璃釉電阻器有以下幾種類型： ①小功率玻璃釉電阻器 這種電阻的電阻體采用穩(wěn)定性好、可靠性高的釕系金屬玻璃釉電阻漿料、用印刷法成膜，在800℃以上高溫?zé)Y(jié)成的電阻膜。端頭采用易焊接、穩(wěn)定、可靠的鈀-銀電極，并用高溫焊料焊接引線。這種電阻采用單向引出線，能直接插入印刷電路，便于裝配。 ②高阻玻璃釉電阻器 這種電阻器的電阻體也是采用性能穩(wěn)定、可靠性高的金屬玻璃釉電阻體，鈀-銀電極及高溫焊接的引出線。它與高阻合成碳膜電阻器相比，具有體積小、重量輕、高頻特性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。 ③高壓玻璃釉電阻器 這種電阻器的電阻體是采用性能優(yōu)良的釕酸鹽系電阻漿料高溫?zé)Y(jié)而成。主要用在各種交直流及脈沖高壓設(shè)備中。 ④玻璃釉片電阻器 這種電阻器是無引線結(jié)構(gòu)電阻器，體積小、輕、薄片型、多應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、電子手表、電子協(xié)調(diào)器、攝像機(jī)等整機(jī)中。 由于第1級(jí)高壓臂電阻耐壓高，性能要求高，不宜采用普通電阻，所以本文采用玻璃釉電阻RIG8B。其耐高電壓，大功率，主要用于高壓分壓器、高壓測(cè)試設(shè)備、老練設(shè)備、負(fù)載。由計(jì)算得： 額定功率p=50W，外形尺寸Φdl=Φ26mm135mm, D=M6(mm) (2) 其他電阻的選擇 為使分壓器達(dá)到準(zhǔn)確度要求，所選電阻元件必須具有較小的溫度系數(shù)和電壓系數(shù)。同時(shí)分壓器還要滿足一定的耐高壓沖擊的要求，考慮到減小分壓器體積，電阻串聯(lián)的個(gè)數(shù)不宜多，故需要采用高阻值高電壓的電阻。常規(guī)用于電阻分壓器的電阻主要有碳膜電阻器、金屬膜電阻器和線繞電阻。對(duì)這幾種電阻器進(jìn)行分析和比較如下： 碳膜電阻器是一種薄膜電阻器，它是通過真空高溫?zé)岱纸獾慕Y(jié)晶碳沉積在柱形的或管形的陶瓷骨架上制成的，并通過控制膜的厚度和刻槽來控制電阻值，因其制作容易，成本低廉，得到廣泛應(yīng)用。合成碳膜電阻器是將碳黑、填料和有機(jī)粘合劑配成懸浮液,涂覆在絕緣骨架上，經(jīng)加熱聚合而成，這種電阻器主要適于制成高壓、高阻用的電阻器，但不足之處在于抗?jié)裥圆?，電壓穩(wěn)定性低，頻率特性不好，噪聲大。 金屬膜電阻器也是一種薄膜電阻器，它是將金屬或合金材料用高真空加熱蒸發(fā)法在陶瓷體上形成一層薄膜制成。金屬膜電阻器具有耐高溫、抗氧化、熱穩(wěn)定性好、超負(fù)載穩(wěn)定性好，長(zhǎng)期工作穩(wěn)定可靠的特性。溫度系數(shù)小,工作頻率范圍大，噪聲電動(dòng)勢(shì)很小，電壓系數(shù)比碳膜電阻器更好，相同功率條件下比碳膜電阻器體積小很多。但金屬膜電阻器的脈沖負(fù)荷穩(wěn)定性較差。 線繞電阻器是用高比電阻材料康銅、錳銅或鎳鉻合金絲纏繞在陶瓷骨架上制作而成的電阻器。線繞電阻器具有噪聲小甚至無電流噪聲溫度系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好、耐高溫，功率大，能承受大功率負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是高頻特性差，線繞電阻器可以制成低噪聲，耐熱性好的功率型普通線繞電阻器、精密線繞電阻器以及高精密線繞電阻器。但是，通常線繞電阻器的最高工作電壓只有幾百伏。故不適用于幅值很高的納秒高壓脈沖測(cè)量。 通過以上幾種電阻的分析可知碳膜電阻器脈沖負(fù)荷穩(wěn)定性較差，經(jīng)受上升沿很快的電壓沖擊或正常的操作沖擊電壓之后，阻值會(huì)發(fā)生改變。線繞電阻器最高工作電壓只有幾百伏，也不適于納秒高壓測(cè)量。而金屬氧化膜電阻具有高信賴性，高穩(wěn)定性及不燃等特性，適用于各種較大功率回路，故在分壓器制作過程中選用金屬氧化膜電阻器。 為了盡量減小雜散參數(shù)的影響, 電阻圈1，2和第2級(jí)高壓臂電阻均采用金屬膜無感電阻。電阻圈1，2的各個(gè)電阻選用0.05W，500Ω金屬膜無感電阻。第2級(jí)高壓臂電阻R3選用0.05W，1kΩ金屬膜無感電阻。 3.2.2 殼體材料的選擇 鋁是工業(yè)上常用的輕型金屬材料，資源豐富，其特點(diǎn)是密度小，由于純鋁的強(qiáng)度低，因此常采用鋁合金，提高其強(qiáng)度和耐熱性能。本文采用鋁合金管作為殼體，其價(jià)格比銅低，輕巧方便，亦能滿足實(shí)驗(yàn)要求。 綜合考慮絕緣屏蔽、對(duì)地電容等的影響，選用內(nèi)徑為Φ50mm、壁厚5mm的鋁合金管。 3.2.3 絕緣材料的選擇 絕緣材料在各種電器設(shè)備、電工儀表中使帶電部件與其他部件相互隔離，起著機(jī)械支撐、固定以及滅弧、散熱、儲(chǔ)能、防潮、防霉或改善電場(chǎng)的電位分布和保護(hù)導(dǎo)體的作用。電氣維修中，選用優(yōu)質(zhì)的絕緣材料、合理采用絕緣材料的新技術(shù)，對(duì)提高電氣設(shè)備的性能成本比和改善電氣設(shè)備的功率重量比具有顯著的作用。 絕緣材料又叫電介質(zhì)，按物態(tài)可分為氣體、液體和固體?？諝?、氫、氮、二氧化碳、六氟化硫以及甲烷等都是良好的氣體絕緣材料；變壓器油、開關(guān)油、電容器油、電纜油等礦物油，十二烷基苯、聚異丁烯、硅油和三氯聯(lián)苯等合成油以及蓖麻油等，都是優(yōu)良的液體絕緣材料；固體絕緣材料中常用的有絕緣漆、紙、紙板及纖維制品、漆布、漆管和綁扎帶等絕緣纖維浸漬制品、云母制品、塑料、橡膠、玻璃和電工陶瓷等。 絕緣材料的選用需要注意幾點(diǎn)： (1)絕緣強(qiáng)度與電擊穿 當(dāng)絕緣材料兩端外施電壓超過一定值時(shí)，絕緣材料將被擊穿，這種現(xiàn)象稱為絕緣材料的電擊穿。絕緣材料在使用時(shí)外施電壓的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)小于絕緣材料的絕緣強(qiáng)度，并留有充分的余量。 (2)絕緣材料的耐熱性 絕緣材料的耐熱性是指絕緣材料及其制品承受高溫而不致?lián)p壞的能力。絕緣材料過熱時(shí)，其絕緣電阻減小，絕緣強(qiáng)度降低，介質(zhì)損耗加大，最終導(dǎo)致絕緣材料擊穿。因此在選擇材料時(shí)要充分考慮這一點(diǎn)。 (3)絕緣材料的老化 絕緣材料在設(shè)備運(yùn)行中由于各種因素的作用而發(fā)生一系列不可恢復(fù)的物理、化學(xué)變化而導(dǎo)致絕緣材料電氣和力學(xué)性能的劣化，通常稱為老化。引起此現(xiàn)象的形式主要有大氣老化、熱老化和電老化，因此在使用時(shí)必須注意環(huán)境的影響，特殊環(huán)境應(yīng)使用特種材料。 氟塑料分子結(jié)構(gòu)中含氟碳鍵，鍵能很高，具有良好的耐熱性、耐磨性、耐化學(xué)性和耐輻照性，包含有聚四氟乙烯（F4）、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物（F46）和四氟乙烯-全氟乙烷基乙烯基醚共聚物（PFA）等。F4電氣性能優(yōu)良，相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切在已知固體絕緣材料中最低，具有優(yōu)異的耐熱、耐腐蝕性能，可長(zhǎng)期工作溫度為250℃，對(duì)酸、堿及其他化學(xué)藥品和各種溶劑的穩(wěn)定性優(yōu)于其他氟材料，因此，本文選用聚四氟乙烯材料。 根據(jù)無耗傳輸線特性阻抗的計(jì)算公式[27]: （3-3） 式中：，分別為無耗傳輸線內(nèi)、外導(dǎo)體半徑；為同軸線內(nèi)、外導(dǎo)體間填充介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，即聚四氟乙烯的相對(duì)介電常數(shù)。其中b=55mm，。 考慮到分壓器第1級(jí)與第2級(jí)和同軸電纜的阻抗匹配[23]，則。 綜上，由（3-3）式可得a=16.93mm，考慮加工等損耗，選取直徑為Φ25mm的聚四氟乙烯棒料。 由于聚四氟乙烯材料價(jià)格昂貴，因此只在第1級(jí)高壓臂電阻與高壓電纜接頭處填充此材料，圖3.1所示其他地方采用有機(jī)玻璃絕緣材料。選取內(nèi)徑為Φ40mm，壁厚5mm的有機(jī)玻璃管。 3.2.4 電纜的選擇 3.2.4.1 高壓電纜的選擇 將一根或數(shù)根絕緣導(dǎo)線組合成線芯，外面纏繞上密閉的包扎層（鋁、鉛或塑料），這種導(dǎo)線稱為電纜。 電纜的種類很多，其結(jié)構(gòu)和用途不同。電力系統(tǒng)中常用的有電力電纜、控制電纜及電氣裝備用電纜。本文選用的是電力電纜，電力電纜在電力系統(tǒng)中用于傳輸或分配較大功率的電能。 電力電纜的基本結(jié)構(gòu)主要包括導(dǎo)體、絕緣層和保護(hù)層3部分。通常采用導(dǎo)電性能良好的銅、鋁做導(dǎo)體。絕緣層用以將導(dǎo)體與相鄰導(dǎo)體以及保護(hù)層隔離，一般要求絕緣性能良好，經(jīng)久耐用，有一定的耐熱性能。保護(hù)層分為內(nèi)護(hù)層和外護(hù)層兩部分，用來保護(hù)絕緣層，以免外力損傷和水分浸入電纜。它具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。電纜外護(hù)層具有“三耐”和“五防”功能?！叭汀奔茨秃?、耐熱、耐油；“五防”即防潮、防雷、防蟻、防鼠、防腐蝕。 電力電纜按絕緣材料分為：油浸紙絕緣、塑料絕緣、橡膠絕緣、氣體絕緣；按結(jié)構(gòu)特征分為：統(tǒng)包型、分相型、鋼管型、扁平型、自容型；按電壓等級(jí)分為高壓電纜、低壓電纜；按纜芯數(shù)量分為單芯、雙芯、三芯、四芯四種；按纜芯電體形狀分為圓形、扁形、橢圓形；按電纜導(dǎo)體的填充系數(shù)大小分為緊壓、非緊壓兩種。 油浸紙絕緣電纜具有耐壓強(qiáng)度高、耐熱能力好和使用年限長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但工作時(shí)浸漬油會(huì)流動(dòng)，因此兩端的高度差有一定的限制，否則電纜低的一端可能因?yàn)橛蛪汉艽笫苟祟^脹裂漏油，而高的一端則可能因油流失而使絕緣干枯，耐壓降低，甚至擊穿。塑料電纜具有抗酸堿、防腐蝕和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，已基本取代油浸紙絕緣電纜。塑料絕緣電纜主要有聚氯乙烯絕緣電纜和交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜。聚氯乙烯絕緣電纜的電壓等級(jí)范圍是1～10kV，交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜分為中低壓交聯(lián)電纜（1～35kV）和高壓超高壓交聯(lián)電纜（110kV及以上）。 綜上所述，如圖2.3高壓電纜選用耐壓為30kV，單芯銅導(dǎo)線交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜。 3.2.4.2 射頻同軸電纜的選擇 射頻同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)、外導(dǎo)體（屏蔽層）和護(hù)套4部分組成。內(nèi)導(dǎo)體通常由一根實(shí)心導(dǎo)體構(gòu)成，利用高頻信號(hào)的集膚效應(yīng)，對(duì)于需要供電的分配網(wǎng)或主干線建議采用銅包鋁線；對(duì)不需要供電的用戶網(wǎng)采用銅包鋼線，也可采用銅線。這樣既保證電纜的傳輸性能，又可以滿足供電及機(jī)械性能的要求。絕緣介質(zhì)可以采用聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等。常用的絕緣介質(zhì)是損耗小、工藝性能好的聚乙烯。同軸電纜的外導(dǎo)體有雙重作用，它既作為傳輸回路的一根導(dǎo)線，又具有屏蔽作用。室外電纜宜用具有優(yōu)良?xì)夂蛱攸c(diǎn)的黑色聚乙烯，室外用戶電纜從美觀考慮則宜采用淺色的聚乙烯。 同軸電纜主要是由內(nèi)外導(dǎo)體構(gòu)成的，對(duì)于導(dǎo)體中流動(dòng)的電流存在著電阻與電感，對(duì)導(dǎo)體間的電壓存在著電導(dǎo)與電容。這些特性是沿線路分布的，稱為分布系數(shù)，若單位長(zhǎng)度的電阻、電感、電導(dǎo)、電容分別以R、L、G、C表示，則其特性阻抗為：。 由于特性阻抗及阻抗匹配問題，為防止產(chǎn)生信號(hào)反射，達(dá)到最好的傳輸效果，本文使用的同軸電纜的特性阻抗為50Ω。 綜上所述，本文選擇銅芯內(nèi)導(dǎo)體、銅包鋁線、黑色聚乙烯護(hù)套的50Ω射頻同軸電纜。 3.2.5 其他材料的選擇 如圖3.1所示，由于第1級(jí)高壓臂電阻是兩端帶螺紋孔的非引線式電阻，因此電阻兩端要連接導(dǎo)線，銅具有良好的導(dǎo)電性能，且銅質(zhì)越純，導(dǎo)電性越好；還具有良好的導(dǎo)熱性；并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，良好的耐腐蝕性，無低溫脆性，易于焊接等，所以廣泛用于導(dǎo)電用銅。此電阻兩端螺紋為M6，所以選擇直徑為6mm的銅棒。 電阻圈1 和電阻圈2均是輻射狀的電阻焊接，因此要選用金屬環(huán)，其上需均勻的打10個(gè)小孔。中間還需要一小金屬片，中心打孔，用于焊接電阻引線。此金屬環(huán)外徑應(yīng)介于殼體內(nèi)外徑之間，即Φ50mm ~Φ60mm。 由參考文獻(xiàn)[28]可知： L27型射頻連接器選取L27型50Ω連接器。 N型射頻同軸連接器選取N-50KF型號(hào)。 BNC型射頻同軸連接器選取BNC-J4型號(hào)。 高壓電纜接頭處選用鋁合金棒料，加工成如圖3.1所示結(jié)構(gòu)，要與鋁合金管內(nèi)螺紋連接，且中間填充絕緣材料。鋁合金棒直徑為Φ60mm。 4 電阻分壓器模擬仿真 針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的電阻分壓器，選定OrCAD軟件進(jìn)行模擬仿真分析。 4.1 OrCAD簡(jiǎn)介[29, 30] 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電路品種日益增多，電路規(guī)模也越來越大，對(duì)電路性能，如可靠性、穩(wěn)定性等的要求也越來越高。因此，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化已成為必不可少的工具之一。由于擁有極佳的電路分析與仿真能力，OrCAD 軟件吸引了越來越多的用戶，其應(yīng)用范圍越來越廣。最新版本的OrCAD 10.5 已于2005年10月上市，分為三大部分，即OrCAD Capture、PSpice和OrCAD Layout Plus，同時(shí)還擁有一套高級(jí)分析工具，即OrCAD 10.5-Advaned Analysis。用戶可在PSpice A/D分析的基礎(chǔ)上，調(diào)用OrCAD 10.5-AA的五大特色工具進(jìn)行分析，最大程度地提高設(shè)計(jì)電路的性能及可靠性。 其主要功能有： (1)高度集成功能 從電路繪圖、電路仿真分析到印刷版設(shè)計(jì)或可編程邏輯設(shè)計(jì)，整個(gè)過程全部在OrCAD集成環(huán)境中完成，無需頻繁切換工作環(huán)境。 (2)完整觀測(cè)測(cè)量功能 OrCAD PSpice 提供了一套專門用于觀測(cè)和測(cè)量仿真結(jié)果的Probe 程序，它可以測(cè)量出各種電路參數(shù)和性能特性數(shù)據(jù)。同時(shí)PSpice還具備許多儀器分析功能。 (3)完全分析功能 除了可以完成基本的分析功能，如偏置點(diǎn)分析、直流掃描、交流掃描、瞬態(tài)分析等，還可以完成溫度分析、參數(shù)分析、傅里葉分析、最壞情況分析、噪聲分析等。 (4)模塊化和層次化設(shè)計(jì)功能 對(duì)于復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)，可以先依據(jù)其特性及復(fù)雜度分成適當(dāng)數(shù)量的子電路，待相關(guān)的子電路一一設(shè)計(jì)完成后，再將它們組合起來仿真，調(diào)整參數(shù)，直到滿足相應(yīng)的性能指標(biāo)。 (5)電路行為特點(diǎn)的模擬功能 用戶可以用模擬電路行為特性的描述方式來進(jìn)行仿真，無需真實(shí)電路，大大較少仿真復(fù)雜度。 (6)模數(shù)混合仿真功能 除了模擬電路的仿真功能外，還可以進(jìn)一步執(zhí)行數(shù)字電路及模數(shù)混合仿真功能。 (7)庫(kù)擴(kuò)充功能 4.2 電路模擬仿真 4.2.1 電阻分壓器各電路參數(shù)計(jì)算 4.2.1.1 第1級(jí)高壓臂電阻 (1) 第1級(jí)高壓臂電阻取值為； (2) 極間電容 由平行板電容器電容量公式[31] (μF) (4-1) 代入電阻各參數(shù)d=13.5cm，， 計(jì)算得μF，由于此極間電容對(duì)仿真結(jié)果影響不大，忽略不計(jì)； (3) 自身電感 由于選用的電阻是無感電阻，所以自身電感忽略不計(jì)； (4) 對(duì)地雜散電容 由管型電容器電容量公式[31] (pF) (4-2) 代入各參數(shù)b=13.5cm，r2=2.5cm，r1=1.3cm 計(jì)算得pF 4.2.1.2 第1級(jí)低壓臂電阻 此電阻采用的是輻射狀電阻圈，如圖4.1所示： 其中各個(gè)電阻為，均是金屬膜無感電阻，自身電感忽略不計(jì)。 由于此電阻圈裝配時(shí)如圖3.1，因此對(duì)地雜散電容極小，忽略不計(jì)。 4.2.1.3 第2級(jí)高壓臂電阻 (1) 第2級(jí)高壓臂電阻取值為； (2) 極間電容 圖4.1 電阻圈 由公式(4-1)代入此電阻各參數(shù)d=0.5cm，， 計(jì)算得μF，由于此極間電容對(duì)仿真結(jié)果影響不大，忽略不計(jì)； (3) 自身電感 由于選用的電阻是無感電阻，所以自身電感忽略不計(jì)； (4) 對(duì)地雜散電容 由公式(4-2) 代入各參數(shù)b=0.5cm，r2=2.5cm，r1=0.125cm 計(jì)算得C=0.09pF (5) 引線電感 由直圓導(dǎo)線自感計(jì)算公式[32] （4-3） 代入?yún)?shù)l=5cm，d=0.05cm 計(jì)算得L=0.052μH，由于引線電感極小，可忽略不計(jì)。 4.2.1.4 第2級(jí)低壓臂電阻 第2級(jí)低壓臂電阻與第1級(jí)低壓臂電阻結(jié)構(gòu)相同，這里不再做計(jì)算說明。 4.2.2 電路原理圖的繪制 電路原理圖的繪制是電路分析、模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)的第一步。利用OrCAD Capturre繪圖比用其他電路CAD繪圖軟件更加簡(jiǎn)單、方便、快捷。使用OrCAD Capturre繪制原理圖一般按照以下步驟進(jìn)行： (1)進(jìn)入OrCAD Capturre繪圖區(qū)； (2)放置電路元件（包括放置電源和接地元件）； (3)連線并調(diào)整元件位置； (4)設(shè)置元件屬性。 繪制圖3.1所示電阻分壓器的電路原理圖如圖4.2所示： 圖4.2 二級(jí)電阻分壓器電路原理圖 4.2.3 電路的PSpice A/D分析 OrCAD中的PSpice A/D可以對(duì)電路進(jìn)行各種數(shù)?；旌戏抡妫则?yàn)證電路的各性能指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求。PSpice的主要功能是將Capture CIS產(chǎn)生的電路圖或文本文件進(jìn)行處理和仿真，同時(shí)運(yùn)用附屬的波形觀察程序Probe對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行觀察和分析。在OrCAD PSpice中，可以分析的類型有9種：直流（DC）分析、交流（AC）分析、噪聲分析、直流工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析、統(tǒng)計(jì)分析、參數(shù)掃描分析、溫度分析和靈敏度分析。其仿真和分析步驟如圖4.3所示： 圖4.3 電路仿真分析步驟 代入各參數(shù)R1=15kΩ，C1=12pF，R2=50Ω，C2=0.1pF， R3=1kΩ，R4=50Ω，畫出其原理圖如圖4.4所示： 圖4.4 二級(jí)電阻分壓器電路原理圖（具體參數(shù)） 通過仿真分析，導(dǎo)出不同參數(shù)下輸出波形圖： 圖4.5 輸出波形圖 當(dāng)其他參數(shù)不變（包含C2不變）時(shí)，改變雜散電容C1大小，分別輸出C=6pF ，10pF，12pF，13pF，16pF，20pF情況下波形做出比較如圖4.6： 圖4.6 雜散電容影響比較圖（C2不變） 當(dāng)其他參數(shù)不變（包含C1不變）時(shí)，改變雜散電容C2大小，分別輸出C=0.05pF ，0.1pF，0.3pF，0.6pF，0.8pF，1pF情況下波形做出比較如圖4.7： 圖4.7 雜散電容影響比較圖（C1不變） 由于雜散電容C2比較小，影響太小，圖中各參數(shù)下波形基本重合，說明其影響小。 綜上，隨著雜散電容的減小，其波形越來越接近理想波形，所以實(shí)驗(yàn)中要盡量減小對(duì)地雜散電容。 圖4.8 理想與實(shí)際輸出比較圖 通過以上仿真分析與波形比較，可以看出雜散電容對(duì)分壓器的影響。 4.3 電阻分壓器測(cè)量誤差分析 分壓器作為轉(zhuǎn)換裝置是常用的脈沖測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分之一，在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中占重要地位，分壓器性能好壞直接影響測(cè)試系統(tǒng)整體性能的好壞。分壓器與其周圍低電位的物體間存在的固有電場(chǎng)所引起的雜散電容，是造成測(cè)量誤差的主要原因。此外還包括電阻元件不穩(wěn)定、絕緣漏電和電暈放電等因素。要改善分壓器的性能，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，就必須針對(duì)這些影響因素，采取相應(yīng)的措施。 4.3.1 減少雜散電容對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響 減小對(duì)地雜散電容對(duì)分壓器的影響是改善分壓器特性的一個(gè)重要措施。通過從電路和物理角度對(duì)雜散電容造成的測(cè)量誤差進(jìn)行分析[33]，可以定性地得到關(guān)于改善分壓器特性的若干途徑，包括：橫補(bǔ)償法、縱補(bǔ)償法、電位補(bǔ)償法、減少分壓器體積法等。 4.3.2 針對(duì)其他影響因素的補(bǔ)償措施 除了雜散電容的影響，引起測(cè)量誤差的原因還包括：分壓器電阻元件不穩(wěn)定、電暈放電和絕緣支架漏電造成的測(cè)量誤差等。針對(duì)電阻元件阻值不穩(wěn)定的因素，除了根據(jù)分壓器準(zhǔn)確度等級(jí)的要求選用溫度系數(shù)、電壓系數(shù)小的電阻元件外，還可以采取以下措施[2]： (1)選擇電阻元件的功率大于分壓器所需的額定功率，以減小溫升； (2)電阻元件的溫度系數(shù)如果有正、負(fù)，在串聯(lián)時(shí)可合理地搭配，使高壓臂電阻整體的溫度系數(shù)最小，甚至接近于零； (3)分壓器內(nèi)充變壓器油以增強(qiáng)散熱或通以循環(huán)的絕緣氣體來控制分壓器的溫度?？梢酝ㄟ^在分壓器內(nèi)填充絕緣介質(zhì)、等電位屏蔽、在高壓臂電阻高壓端裝上使整個(gè)結(jié)構(gòu)電場(chǎng)比較均勻的金屬屏蔽罩等措施來消除電暈。 (4)選用絕緣電阻大的材料，選用較大的工作電流，以及充絕緣油和等電位屏蔽等措施可減小和消除泄漏引起的測(cè)量誤差。 結(jié)束語(yǔ) 電阻分壓器是高壓脈沖測(cè)量系統(tǒng)中最常用的一種分壓器。本課題通過搭建分壓器與數(shù)字存儲(chǔ)示波器為主要組件的測(cè)量系統(tǒng)，來進(jìn)行沖擊高壓分壓系統(tǒng)的峰值及波形的測(cè)量。 本文通過對(duì)分壓比的計(jì)算、結(jié)構(gòu)的確定以及材料的選擇，完成了二級(jí)電阻分壓器的設(shè)計(jì)。對(duì)于所設(shè)計(jì)的分壓器建立了電路模型，運(yùn)用OrCAD軟件對(duì)其傳輸性能進(jìn)行了模擬仿真，分析了影響其傳輸性能的因素，并提出了改善其性能的措施。 最后通過模擬仿真實(shí)驗(yàn)確定本文設(shè)計(jì)的二級(jí)電阻分壓器分壓性能好、阻抗匹配性好、測(cè)量誤差小，且簡(jiǎn)單方便，能滿足測(cè)量要求。 隨著高壓脈沖上升時(shí)間越來越短，幅值越來越高，分壓器的性能要求越來越高，所以設(shè)計(jì)出高性能的電阻分壓器是極其必要的，現(xiàn)代科技的發(fā)展是十分迅速的，希望電阻分壓器迎來一個(gè)新的飛躍。 致 謝 我的畢業(yè)設(shè)計(jì)是在鄔昌峰老師的直接指導(dǎo)和關(guān)心下完成的。鄔老師經(jīng)驗(yàn)豐富，學(xué)識(shí)淵博，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)工作認(rèn)真負(fù)責(zé)，我深受啟發(fā)，也將終身受益。感謝老師在我畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中給予的指導(dǎo)關(guān)懷和幫助，在此特向鄔老師表示崇高敬意和誠(chéng)摯謝意。 在我即將離開母校踏上社會(huì)工作的時(shí)候，我要感謝學(xué)校的所有辛勤工作的老師們，感謝你們的兢兢業(yè)業(yè)付出，為我們的將來流的辛勤的汗水，還要感謝和我一起學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的同學(xué)們，感謝他們的幫助，朋友始終最寶貴的。 畢業(yè)即將到來，以后道路漫長(zhǎng)，我會(huì)拿出做畢業(yè)設(shè)計(jì)的激情和嚴(yán)謹(jǐn)繼續(xù)前進(jìn)，服務(wù)社會(huì)，回報(bào)母校，報(bào)效祖國(guó)。 參考文獻(xiàn) [1] 曾正中．實(shí)用脈沖功率技術(shù)引論[M]．西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2003． [2] 張仁豫，陳昌漁，王昌長(zhǎng)．高電壓試驗(yàn)技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002． [3] 熊海林，陳香萍．電阻分壓器測(cè)量高壓?jiǎn)蚊}沖方法的改進(jìn)[J]．航空計(jì)測(cè)技術(shù)，1995，15（5）：23-25． [4] 劉金亮．一種脈沖高壓用電阻分壓器[J]．高電壓技術(shù)，1996，22（4）：65-67． [5] 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