基于tds示波器的高压纳秒脉冲信号的测量

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1、万方数据《电气应用》2005年第24卷第11期基于TDS示波器的高压纳秒脉冲信号的测量邵涛1，2孙广生1(1．中国科学院电工研究所100080严萍1袁伟群12．中国科学院研究生院100039)摘要在进行重复频率脉冲下气体绝缘放电试验过程中，高压纳秒级的脉冲电压及电流信号的测量是分析气体绝缘特性的关键之一，同时重复频率下击穿所需时间也值得关注。利用TDS684A和TDS3054B实现了高压纳秒级的脉冲电压、电流信号的测量，及电压电流包络线的测量，同时利用这两种型号的示波器实现了重频下击穿的耐受时“间的测量，并基于Wavestar软件

2、对波形再处理，及导出波形数据实现数字信号处理。关键词纳秒脉冲信号TDS示波器测量重频耐受时间1引言高压纳秒级脉冲下电压、电流等信号的测量一直是脉冲功率领域一个研究重点。纳秒级上升沿的脉冲信号，可高达兆伏、兆安的信号幅值，强烈快速的瞬态电磁脉冲等lIJ，都要求对测量系统的频带响应须满足一定条件、被测信号要多级测量或衰减，．及降噪处理。在进行重复频率纳秒级脉冲下气体介质放电试验中，分析气体介质绝缘特性的关键是：如何精确有效的测量间隙击穿时的电参量，主要包括施加电压及放电电流信号。本文将介绍利用两台TDS示波器实现对重频气体放电试验中施

3、加电压、放电电流的测量，及气体间隙击穿所承受的时间(重频耐受时间)，以及对测量信号进行必要的降噪处理。2纳秒脉冲信号测量进行重频纳秒脉冲气体击穿试验接线及信号测量的示意图如图1所示。试验电源为基于半导体断路开关的SPG200E23。整个测量电缆均采用双层屏蔽电缆，示波器、触发脉冲发生器、信号处理计算机等均放置在屏蔽室内。影响纳秒脉冲信号测量的因素包括分压器／分流器的响应，高频电缆的响应，示波器的带宽(BW)等。使用的示波器TDS684A带宽1GHz，采样率5GS／s，TDS3054B带宽500MHz，采样率5GS／s，满足上述示波

4、器测量精国家自然科学基金资助课题(50207011)一84一度的脉冲信号上升沿是f。=％喾=丽0．35=350ps，试验脉冲源输出脉冲的上升沿约10ns，示波器带宽满足测量要求。TDS示波器与计算机上NI公司的数据转接卡由GPIB并口通信，并利用Tektronix公司开发的通信软件Wavestar2．4实时采集试验波形，并可以利用该软件对波形进行再处理。图1试验接线及信号测量不意图2．1电压、电流测量电压信号通常采用电阻分压器或电容分压器测量。耦合式电容分压器具有响应时问快、结构紧凑、制作方便、对被测量系统影响小等特点⋯，一般可以

5、满足纳秒级脉冲信号上升沿的测量要求，需尽量避免杂散电感等影响。图2a、3a分别为两种不同情况下的波形结果，比较发现图3中电压、电流信号干扰严重，当放电电流达到一定值时，电压波形上叠加了一定的持续高频振荡。这对于试验数值的读取不便，因此需对电压信号进行降噪，消除干扰因素。纳秒级脉冲大电流的测量可采用小电万方数据基于TDS示波器的高压纳秒脉冲信号的测量《电气应用》2005年第24卷第11期阻分流器或自积分罗氏线圈。采用分流器监测击穿时放电电流波形对于判断击穿时延较方便。分流器采用同轴管式超高频氧化膜电阻。分流器信号经20dB衰减后送入

6、TDS684A的chl通道，波形如图2a、3a所示。试验中电流信号的测量是关键，重⋯‘。⋯。_’⋯‘!⋯’!-薯簟‘叶沁譬2一；⋯ij．；．o辔一饿≤●’。’●}1V一!：’’!’；■掣、。■^i?-哆㈠盖：童j；。潍频条件下间隙击穿时电压及耐受时问的测量均是依靠分流器检测到放电电流信号时同步触发TDS684A记录电压信号，以及给TDS3054B提供时问终止记录信号。P一”⋯～⋯一．i’’’●’．—+l重频耐受时间I一‘：⋯_⋯一L。：。一一。一』⋯’‘l哪p晡濞哪删童VzsInl3tRl401．CH'j，V。1．暑．，I．。．．

7、．。．．I．。．．I，t．．1---．1．-．．‘(a)TDS684AI构采样波形(b)TDS3054BI钓采样波形图2电压、电流波形及耐受时间示意图(平板间隙10ram，频率100Hz，1个大气压)．⋯⋯⋯⋯‘!⋯!{。’1A二烈。武’’’’I‘。1’I’‘‘’I’。’1．■掣气躐电流硼：0_I；I■il纛。．．．：：．⋯⋯、—岬1：l∥’一；j‘一{{一电压一卜．j01：℃蠹釜[a刍4A]未,CH2S，v。蠹砖nS≮(a)TDS684A的采样波形(b)TDS3054B的采样波形图3电压、电流波形及耐受时间示意图(平板间隙5ra

8、m，频率500Hz，3个大气压)2．2重频耐受时间测量重频脉冲条件下气体间隙的击穿与单次脉冲下的击穿不同，其击穿需要一定的时间，即重频耐受时间。试验中重频耐受时间采用TDS684A和TDS3054B联合测量，如图1所示。在控制SPG200输出频率的