脈沖技術(shù)脈沖技術(shù)

脈沖信號(hào)的變換、產(chǎn)生和應(yīng)用的技術(shù)。脈沖信號(hào)的波形在某一時(shí)間內(nèi)有突發(fā)性和斷續(xù)性的特點(diǎn)，幾種理想的脈沖信號(hào)波形如圖1。矩形脈沖的系數(shù)可用脈沖波的周期T、 寬度τ、前沿tr、后沿tf、幅度Um和波頂下垂量δ來(lái)表示。脈沖技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)、電視、自動(dòng)控制、遙測(cè)遙控、無(wú)線電導(dǎo)航和測(cè)量技術(shù)等領(lǐng)域。

常見(jiàn)的線性波形變換電路有微分電路和積分電路(圖2)。如果把圖1a的方波電壓加到圖2a微分電路的輸入端，則輸出波將是圖1d。這種微分電路可以把脈沖波形的跳變沿取出作為觸發(fā)脈沖，在時(shí)間的準(zhǔn)確性上它與原輸入脈沖相同。如果把圖1a的方波電壓加到圖2b積分電路的輸入端，則輸出波形將是圖1c。另外還有非線性波形變換電路。例如，使圖1d的電壓波形通過(guò)單向?qū)щ姷亩O管，可獲得單方向（單極性）的尖頂觸發(fā)脈沖。把正弦波送給施密特觸發(fā)電路可得到矩形波輸出（見(jiàn)觸發(fā)器）。用矩形波選通一個(gè)晶體管控制的RC充放電電路，便能得到鋸齒電壓波。

脈沖波產(chǎn)生電路含有晶體管和電容器或電感器。晶體管用作開(kāi)關(guān)，它的通、斷可以改變電路的工作狀態(tài)。電容、電感用作惰性元件，可以形成電路中的暫態(tài)特性。例如能產(chǎn)生矩形波或方波的無(wú)穩(wěn)態(tài)自激多諧振蕩器，需要外觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，能產(chǎn)生鋸齒波的鋸齒波發(fā)生器和占空比很大的窄脈沖間歇振蕩器都屬于這類(lèi)電路。它們可以完成諸如同步、分頻、計(jì)數(shù)、移位寄存、電壓比較、延時(shí)、掃描、模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換、選通、脈沖編碼等功能。

在沒(méi)有激勵(lì)條件下產(chǎn)生脈沖波的電路。矩形脈沖可以用晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管作開(kāi)關(guān)，用電容器或電感器作惰性元件構(gòu)成的自激多諧振蕩器產(chǎn)生。電路型式有集電極一基極耦合、射極耦合多諧振蕩器等。以脈沖變壓器作反饋元件的間歇振蕩器可產(chǎn)生占空比很小的窄脈沖。采用負(fù)阻器件，如隧道二極管、單結(jié)晶體管、可控硅開(kāi)關(guān)管等也可構(gòu)成自激多諧振蕩電路。隨著集成電路的發(fā)展，這類(lèi)分立元件的電路由于設(shè)計(jì)調(diào)整比較麻煩，已經(jīng)較少采用了。

采用集成邏輯門(mén)和RC充放電電路構(gòu)成的自激多諧振蕩器，電路比較簡(jiǎn)單。圖3（a）和（b）所示的為由兩個(gè)非門(mén)及電容器組成的正反饋電路構(gòu)成的對(duì)稱(chēng)式和不對(duì)稱(chēng)式多諧振蕩器電路，其振蕩頻率由RC決定。在對(duì)振蕩頻率穩(wěn)定度指標(biāo)要求較高的場(chǎng)合，可將石英晶體與上述電路中的耦合電容串聯(lián)，組成石英晶體多諧振蕩器。電路的振蕩頻率等于石英晶體的諧振頻率。帶有RC延時(shí)環(huán)節(jié)的環(huán)型振蕩器電路如圖3（c）所示，其振蕩頻率也與RC有關(guān)。如用電位器代替圖中的電阻R，則可構(gòu)成頻率范圍可調(diào)的矩形波發(fā)生器。

矩形脈沖也可由運(yùn)算放大器、施密特觸發(fā)器或555定時(shí)器等集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生。

3. 脈沖波形變換

通過(guò)系統(tǒng)使給定的輸入信號(hào)波形變換為特定的輸出波形的過(guò)程。包括線性變換和非線性變換兩大類(lèi)。

脈沖波形的非線性變換電路是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限幅、鉗位、整形、分頻等各種處理的電路。最簡(jiǎn)單的非線性變換電路有采用二極管、三極管等開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn)的限幅器和鉗位電路。前者是對(duì)脈沖信號(hào)的幅度進(jìn)行切割，將幅度高于或低于某一電平的部分波形“切除”。后者是將脈沖信號(hào)的某個(gè)電平固定到指定值上，而波形不變，使信號(hào)保持一固定的直流電平。

常見(jiàn)的線性變換電路有由電阻R和電容C組成的微分電路和積分電路。如果將方波信號(hào)加到微分電路的輸入端，則可將脈沖電壓的跳變沿取出，得到如圖1（c）所示的尖頂波。這種脈沖可用作電路的觸發(fā)脈沖。如果將方波信號(hào)加到積分電路的輸入端，則可得到三角波。

最常見(jiàn)的脈沖電壓波形是矩形波。理想矩形波的突變部分是瞬時(shí)的跳變。實(shí)際電路中，脈沖電壓從零值跳變到最大值，或從最大值跳變到零值時(shí)，都需要經(jīng)歷一定的時(shí)間。圖2是實(shí)際的矩形脈沖波形圖。為了定量

描述矩形脈沖的特性，經(jīng)常使用圖2中所標(biāo)注的主要參數(shù)：①U_m是脈沖信號(hào)的幅度；②t_r是脈沖信號(hào)的上升時(shí)間，又稱(chēng)上升沿或前沿，是指脈沖信號(hào)由0.lU_m上升至0.9U_m時(shí)所需要的時(shí)間；③t_f是脈沖信號(hào)的下降時(shí)間，又稱(chēng)下降沿或后沿，是指脈沖信號(hào)由0.9U_m下降至0.1U_m所需要的時(shí)間；④t_w是脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，又稱(chēng)脈寬，是指從脈沖前沿上升到0.51U_m起，到脈沖后沿下降到0.5U_m為止的時(shí)間間隔；⑤T是脈沖信號(hào)的重復(fù)周期。將脈沖寬度t_w與脈沖重復(fù)周期T的比值，定義為占空比q。圖1（b）中的方波信號(hào)就是占空比為50%的矩形脈沖。其它各種型式的脈沖信號(hào)，也常根據(jù)其波形的特點(diǎn)，采用一些特殊含義的參數(shù)來(lái)描述，如鋸齒波信號(hào)，可用非線性系數(shù)來(lái)衡量其正程內(nèi)的線性程度等。

脈沖技術(shù)（pulse techniques）是脈沖信號(hào)產(chǎn)生和波形變換的技術(shù)。是指在某一時(shí)間內(nèi)有突變的電壓或電流。從廣義上講，圖1所示的矩形波、方波、尖頂波、鋸齒波、三角波、階梯波等非正弦波信號(hào)都是脈沖信號(hào)。

脈沖技術(shù)中廣泛應(yīng)用的非線性變換電路還有施密特觖發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等。采用施密特觸發(fā)器可以將正弦波、三角波等任意波形的輸入信號(hào)變換成邊沿陡峭的矩形脈沖。采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以形成以輸入脈沖的某一邊沿（上升沿或下降沿）作時(shí)間基準(zhǔn)的特定脈寬的信號(hào)。采用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器則可對(duì)輸入脈沖進(jìn)行分頻，構(gòu)成各種計(jì)數(shù)器、分頻器等等。

脈沖技術(shù)廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)、電視、自動(dòng)控制、遙測(cè)遙控、無(wú)線電導(dǎo)航、測(cè)量技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域，成為各種電子系統(tǒng)中的重要的組成部分。

1、由單次脈沖向重復(fù)的高平均功率脈沖發(fā)展。

過(guò)去脈沖功率技術(shù)主要為國(guó)防科研服務(wù)，并且大多是單次運(yùn)行，而工業(yè)、民用的脈沖功率技術(shù)要求一定的平均功率，必須重復(fù)頻率工作。

2、儲(chǔ)能技術(shù)--研制高儲(chǔ)能密度的電源。

在很多應(yīng)用場(chǎng)合下，脈沖功率系統(tǒng)的體積和重量的大小是決定性因素，如飛機(jī)探測(cè)水下物體技術(shù)、艦載電磁炮等，都要求產(chǎn)生很大的脈沖功率，而且系統(tǒng)又不能過(guò)于龐大和笨重。

3、開(kāi)關(guān)技術(shù)--探討新的大功率開(kāi)關(guān)和研制高重復(fù)頻率開(kāi)關(guān)。

開(kāi)關(guān)元件的參數(shù)直接影響整個(gè)脈沖功率系統(tǒng)的性能，是脈沖功率技術(shù)中一個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)。具有耐高電壓強(qiáng)電流、擊穿時(shí)延短且分散性小、電感和電阻小、電極燒毀少以及能在重復(fù)的脈沖下穩(wěn)定工作的各種類(lèi)型開(kāi)關(guān)元件的研制，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外脈沖功率技術(shù)中又一個(gè)十分受重視的研究課題。

4、積極開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

近年來(lái)，脈沖功率技術(shù)在半導(dǎo)體、集成電路、化工、環(huán)境工程、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用研究，已引起各界的廣泛重視，而且在某些應(yīng)用研究中，已取得了可喜的進(jìn)展。憑借成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，脈沖功率技術(shù)將更多地應(yīng)用于民用技術(shù)方面，民用是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，而市場(chǎng)的推動(dòng)又必將給脈沖功率技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)新的生機(jī)。脈沖功率技術(shù)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，作為非平衡態(tài)等離子體中的重要方式，近年來(lái)逐漸被廣泛應(yīng)用于環(huán)境工程領(lǐng)域內(nèi)，在處理環(huán)境污染的過(guò)程中，其具備高效、節(jié)能、清潔且便捷等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

脈沖功率技術(shù)指的是將低功率（電壓、電流）能量?jī)?chǔ)存在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中，通過(guò)脈沖形成線和開(kāi)關(guān)技術(shù)將其在時(shí)間尺度上壓縮，而將電壓、電流提高，以獲得極短脈沖的高峰值功率電磁能量并釋放到負(fù)載上去的一種能量壓縮技術(shù)。由此可見(jiàn)，脈沖功率裝置應(yīng)該主要包括3大基本部分：低功率下的儲(chǔ)能部分——初級(jí)能源；脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)，即由低功率獲得高功率的變換部分——脈沖形成及壓縮系統(tǒng)；高功率負(fù)載——二極管系統(tǒng)。

脈沖功率裝置是相對(duì)論電子注器件不可分割的組成部分，它的性能直接影響著器件的輸出參數(shù)。

馬克斯發(fā)生器——脈沖形成線——二極管組合是一種最典型、使用最廣泛的脈沖功率裝置；采用直線脈沖變壓器或Tesla變壓器都可以替代馬克斯發(fā)生器產(chǎn)生初級(jí)高壓脈沖對(duì)脈沖形成線充電。直線脈沖變壓器的特點(diǎn)是電容器組的充電和放電過(guò)程都是并聯(lián)的，利用變壓比為1:1的脈沖變壓器使次級(jí)電壓因感應(yīng)電壓疊加原理而與初級(jí)線圈電壓成N倍（N為初級(jí)線圈的個(gè)數(shù)）增長(zhǎng)；Telsa變壓器簡(jiǎn)單可靠，特別是它與同軸形成線在結(jié)構(gòu)上一體化，十分緊湊，它還適合于重復(fù)頻率運(yùn)行，但它難以獲得數(shù)兆伏電壓和大的儲(chǔ)能，因此適合中、小功率應(yīng)用。

爆炸磁壓縮脈沖功率系統(tǒng)也是高功率微波中得到重要應(yīng)用的一種高功率脈沖源，它可以在us量級(jí)的時(shí)間內(nèi)輸出MJ量級(jí)的能量。其最主要的缺點(diǎn)是只能一次性使用。