光點(diǎn)測(cè)試儀陰極脈沖放大器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

摘要：介紹光點(diǎn)測(cè)試儀陰極脈沖放大器的改進(jìn)設(shè)計(jì)，將原光點(diǎn)測(cè)試儀陰極脈沖放大器加入電路自控設(shè)計(jì)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)后，使它從基本型電路改進(jìn)為實(shí)用型電路，以滿足實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中的測(cè)試需要。

關(guān)鍵詞：光點(diǎn)測(cè)試儀 保護(hù)電路 測(cè)試

光點(diǎn)測(cè)試儀陰極脈沖放大器是產(chǎn)生負(fù)向高壓脈沖以驅(qū)動(dòng)顯像管R/G/B三槍的精密儀器[1]。為了屏上顯示高質(zhì)量的高斯光點(diǎn)，陰極脈沖放大器需要提供高技術(shù)指標(biāo)的陰極驅(qū)動(dòng)脈沖，即：以20ms為周期、脈沖幅度大于180V、脈沖寬度為100ns、脈沖上升/下降沿小于20ns、脈沖底部波動(dòng)小于2V以及脈沖整體能在0～180V范圍內(nèi)上下移動(dòng)。

基本型陰極脈沖放大器是一種能輸出上述技術(shù)指標(biāo)的負(fù)向高壓視頻脈沖基礎(chǔ)電路，它包括主頻信號(hào)發(fā)生器、CCD同步電路、視頻脈沖形成延時(shí)電路、R/G/B三色選擇電路、驅(qū)動(dòng)電路和輸出電路。這些足以完成從接收主頻信號(hào)到同步CCD攝像頭再到輸出負(fù)向高壓視頻脈沖等一系列操作，擔(dān)也存在可靠性較差、自動(dòng)化程度較低和使用不便等問(wèn)題。因此當(dāng)它應(yīng)用于實(shí)際測(cè)試時(shí)，就可能因電路故障而導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)損壞或因只靠手動(dòng)操作而使測(cè)試進(jìn)度緩慢等問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)型陰極脈沖放大器是在基本電路的基礎(chǔ)上附加設(shè)計(jì)了機(jī)控電路和保護(hù)電路，這使得測(cè)試效率和測(cè)試可靠性大為提高。

1 機(jī)控原理

在基本型陰機(jī)脈沖放大器中，像三色選擇、Vk調(diào)節(jié)以及單幀或多幀圖像采集等測(cè)試步驟都是通過(guò)動(dòng)操作完成的。PC機(jī)除了將采集到的光點(diǎn)圖像進(jìn)行分析處理外，不再對(duì)其它測(cè)試設(shè)備進(jìn)行任何控制操作。而在改進(jìn)后的實(shí)現(xiàn)型陰機(jī)脈沖放大器中，由于PC機(jī)配有具有兩個(gè)模擬I/O口和兩個(gè)數(shù)字I/O口的驅(qū)動(dòng)卡，所以幾乎所有的測(cè)試操作都是由PC機(jī)去完成，也就是說(shuō)PC機(jī)不但要分析處理光點(diǎn)圖像，而且還要控制整個(gè)測(cè)試的操作過(guò)程，使整個(gè)測(cè)試過(guò)程從相當(dāng)繁瑣變得十分簡(jiǎn)化。

1.1 三色選擇

原陰極脈沖放大器通過(guò)三個(gè)手動(dòng)開(kāi)關(guān)完成R/G/B三色選擇；改進(jìn)后的陰極脈沖放大器則是由驅(qū)動(dòng)卡中的數(shù)字I/O口控制R/G/B三色選擇，其中R/G/B三色選擇電路被設(shè)計(jì)在主頻信號(hào)發(fā)生器和視頻脈沖放大器之間，即可看作為兩者之間的銜接電路，如圖1所示。R/G/B三色選擇的控制信號(hào)來(lái)自PC機(jī)驅(qū)動(dòng)卡的三位數(shù)字I/O輸出口，應(yīng)用三態(tài)門(mén)74LS126作為受控于P驅(qū)動(dòng)卡的數(shù)字I/O輸出口的三色選擇開(kāi)關(guān)。當(dāng)數(shù)字I/O輸出口輸出顯“1”時(shí)，R或G或B開(kāi)關(guān)被打開(kāi)。而當(dāng)數(shù)字I/O輸出口輸出為“0”時(shí)關(guān)閉開(kāi)關(guān)，故在陰極脈沖放大器的輸出端通常輸出一路高壓視頻脈沖，且在屏上顯示單光點(diǎn)。

雖然主頻信號(hào)發(fā)生器同時(shí)輸出兩路零電平以上的正/負(fù)向TTL電平的脈沖至視頻脈沖放大器，但只需將R/G/B三色選擇開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)在正向脈沖控制端即可關(guān)閉R或G或B的高壓視頻脈沖輸出，使視頻脈沖放大器輸出端的電壓自動(dòng)上升至Vk+180V，因而不會(huì)導(dǎo)致燒屏。

1.2 Vk調(diào)節(jié)

Vk是控制陰極發(fā)射電流Ik大小的電壓，調(diào)整Vk移動(dòng)高壓視頻脈沖的位置可改變Ik的大小，如圖2所示。Vk電源的可調(diào)節(jié)范圍一般設(shè)計(jì)為0～+200V，以保證它在移動(dòng)整個(gè)高壓視頻脈沖時(shí)能可靠截止各種顯像管的Ik。過(guò)去的測(cè)試是靠手動(dòng)調(diào)節(jié)Vk來(lái)控制Ik的變化，這很不便于連續(xù)測(cè)試顯像管?，F(xiàn)在的設(shè)計(jì)是應(yīng)用PC機(jī)驅(qū)動(dòng)卡的三路模擬I/O口提供的0～+10V驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)分別控制三路Vk電源從0至+200V變化，即以改變低壓調(diào)節(jié)端的電壓變化去控制高壓輸出端的電壓輸出，如圖3所示。

在Vk電源與PC機(jī)的連接中，為防止連線過(guò)長(zhǎng)而引起驅(qū)動(dòng)電壓衰減，在Vk電源中設(shè)計(jì)了被償電路，以確保低壓調(diào)節(jié)端的電壓變化始終為0～+10V。只被R/G/B三色選擇控制信號(hào)選中的一路脈沖放大順的Vk電源才能輸出0～+200V調(diào)節(jié)電壓，而未被選中的脈沖放大器的輸出端則將Vk自動(dòng)設(shè)定在+180V，以保證Ik可靠截止。此外，當(dāng)調(diào)整Vk而改變視頻高壓脈沖的位置時(shí)，為防止疊回在Vk電源上的高頻脈沖影響其直流輸出的穩(wěn)定性，應(yīng)在Vk電源的輸出端加入去耦電容C1、C2、C3。

1.3 多幀采集

單幀采集按鼠標(biāo)一次，PC機(jī)從CCD攝像頭抓取一幅光點(diǎn)圖像，并計(jì)算其二維尺寸；多幀采集按鼠標(biāo)數(shù)次，PC機(jī)從CCD攝像頭抓取多幅光點(diǎn)圖像，用多次平均法計(jì)算其二維光點(diǎn)尺寸。改進(jìn)后的PC機(jī)圖像采集方法不再只依靠標(biāo)進(jìn)行單幀或多幀采集，而是應(yīng)用主頻脈沖控制多幀采集，使得PC機(jī)在采集過(guò)程中無(wú)而只依靠鼠標(biāo)操作來(lái)獲得光點(diǎn)圖像信號(hào)。配置在PC機(jī)內(nèi)可編程I/O圖像采集卡只需利用主頻脈沖的前沿觸發(fā)復(fù)位采集幀同步即可連續(xù)采集多幅光點(diǎn)圖像，并應(yīng)用多次平均法計(jì)算其二維光點(diǎn)尺寸，如圖4所示。

在未進(jìn)行主頻控制下的多幀采集時(shí)，CCD攝像頭與I/O圖像采集卡之間在像素時(shí)鐘的控制下一幀一幀地實(shí)時(shí)傳送圖像信息，并由I/O圖像采集卡將顯存中的圖像信息送至顯示器，因此在顯示器上能觀測(cè)到實(shí)時(shí)顯示的光點(diǎn)圖像，如圖5所示。一旦PC機(jī)發(fā)送采集指令至I/O圖像采集卡時(shí)，采集卡就使主頻脈沖前沿觸發(fā)幀同步后以主頻為周期連續(xù)采含有10幀圖像，此時(shí)CCD攝像頭也以主頻為外觸發(fā)幀圖像，如圖4所示，從CCD攝像頭的工作原理可知，攝取過(guò)程是拍攝下一帖、傳送上一幀。

2 保護(hù)電路

盡管基本型陰極脈沖放大器能產(chǎn)生高技術(shù)指標(biāo)的陰極驅(qū)動(dòng)脈沖以便在屏上顯示高質(zhì)量的高斯光點(diǎn)，但在實(shí)際測(cè)試顯像管中應(yīng)當(dāng)考慮：（1）陰極脈沖放大器發(fā)生故障時(shí)應(yīng)立即截止顯像管的陰極發(fā)射電流以防止燒屏：（2）測(cè)試過(guò)程中應(yīng)防止可能來(lái)自顯像管的高壓電弧串入陰極脈沖放大器而擊穿電路元件。因此設(shè)計(jì)適用的保護(hù)電路是提高測(cè)試可靠性的必要措施。

2.1 故障保護(hù)

為截止顯像管的陰極發(fā)射電流Ik，應(yīng)在陰極和柵極之間加入大于截止電壓Vco的正電壓，這實(shí)際上要求陰極脈沖放大器發(fā)生故障時(shí)在輸出端能立即提供直流高壓Vk+180V。根據(jù)陰極脈沖放大器的輸出特性，必須在它發(fā)生各種故障的情況下防止輸出電平維持在Vk，否則就有可能發(fā)生燒屏。

如圖6所示，在電路可能發(fā)生各種故障的情況下，只有輸出端電平維持在Vk，故障保護(hù)電路才會(huì)立即動(dòng)作，使得輸出電平上升至Vk+180V，并截止陰極發(fā)射電流Ik。否則它將不會(huì)影響電路的輸出狀態(tài)，因此該保護(hù)電路可稱(chēng)為Vk監(jiān)視電路或屏保護(hù)電路。

當(dāng)輸出端因電路發(fā)生故障而失去輸出波形時(shí)，+180V經(jīng)電阻R5、R6、R7會(huì)壓后采樣管Q3的b與e之間產(chǎn)生的電位差小于0.7V,Q3截止且使光耦P1導(dǎo)通后輸出相對(duì)于GND的“0”狀態(tài)，U1:A輸出“1”，U1：B輸出“0”，驅(qū)動(dòng)管Q4為5V，發(fā)光二管D1截止不亮，即說(shuō)明監(jiān)視輸出端電壓為Vk。由于Q4輸出為5V，經(jīng)U1：C反相后返回U1：A的另一輸入端，即可維護(hù)Q4輸出為5V，D1始終不亮；同時(shí)U1：C的輸出又使得光耦P2導(dǎo)通且輸出相對(duì)于+180V的-12V，開(kāi)啟P溝道增強(qiáng)型效應(yīng)管Q5，短路Q(chēng)5的S、D極，輸出端就立即被提升至Vk+180V，從而確保截止陰極發(fā)射電流Ik，達(dá)到了屏保護(hù)的目的。

可恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1是為防止Q、Q2同時(shí)導(dǎo)通（或擊穿）以及Q2單獨(dú)擊穿而設(shè)置的。當(dāng)前者發(fā)生時(shí)，輸出級(jí)從+180V端到Vk端之間為全導(dǎo)通狀態(tài)，這時(shí)很大的短路電流流過(guò)F1,使它熔斷后開(kāi)路輸出端。同樣+180V經(jīng)電阻R5、R6、R7分壓后在采樣管Q3的b與e之間產(chǎn)生的電位差小于0.7V，保護(hù)電路立即動(dòng)作；當(dāng)后者發(fā)生時(shí)，監(jiān)視輸出端被鉗制在Vk，保護(hù)電路立即啟動(dòng)后Q5開(kāi)啟，在輸出端也形成了全導(dǎo)通狀態(tài)，在F1中流過(guò)很大的短路電流并使它熔斷。但這時(shí)保護(hù)電路啟動(dòng)已經(jīng)完成，不再進(jìn)行另一次動(dòng)作。一旦陰極脈沖放大器故障修復(fù)，F(xiàn)1就能自恢復(fù)。而復(fù)位開(kāi)關(guān)K1能驗(yàn)證故障是否繼續(xù)存在于陰極脈沖放大器中。此外，上位電阻R16的設(shè)置能保證電路的初始化狀態(tài)為D1亮、Q5截止。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，當(dāng)陰極脈沖放大器處于正常工作狀態(tài)時(shí)，其輸出端的高壓視頻脈沖將每20ms出現(xiàn)100ns的Vk電平，這也許會(huì)誤導(dǎo)保護(hù)電路動(dòng)作。但由于故障保護(hù)電路的啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間大于100ns，不會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作，因此D1始終亮。另一方面，由于故障保護(hù)電路在非啟動(dòng)時(shí)Q5是截止?fàn)顟B(tài)，因此Q5的輸出電容很?。?0pF），它的存在不會(huì)影響輸出高質(zhì)量的高壓視頻脈沖。

2.2 電孤保護(hù)

對(duì)顯像管進(jìn)行光點(diǎn)測(cè)試時(shí)，通常在管子的陽(yáng)極上加有高壓（20kV～30kV），假設(shè)管內(nèi)電子槍有未降凈毛刺物或發(fā)生極間短路，有可能在管內(nèi)產(chǎn)生高壓電孤并經(jīng)陰極串入陰極脈沖放大器，造成電路元件被擊穿，影響測(cè)試正常進(jìn)行。防止上述情況發(fā)生的方法就是當(dāng)高壓電孤產(chǎn)生時(shí)，在陰極脈沖放大器內(nèi)制造一些通路，使它能經(jīng)這些通路到達(dá)測(cè)試地，而不進(jìn)入電路擊穿元件，如圖7所示。

圖7中，設(shè)計(jì)了兩個(gè)通路讓瞬間產(chǎn)生的高壓電孤到達(dá)測(cè)試地。一路經(jīng)DeX3/750V、X1到測(cè)試地，它為主電孤保護(hù)電路；另一路則經(jīng)D1、D2、C3、C2到測(cè)試地，它可被看作為輔助電弧保護(hù)電路。其中DeX3/750V是3個(gè)串聯(lián)放電管，這種原應(yīng)用于通訊設(shè)備中的防雷電放電管對(duì)于高壓電弧具有很快的擊穿速率（t10ns），而它們未被擊穿時(shí)的等效電容卻很?。?0pF），同樣不會(huì)影響輸出高質(zhì)量的高壓視頻脈沖；C3為+180V電源內(nèi)的輸出濾波電容，它能短路串入的瞬間高壓電?。籇1、D2應(yīng)采用高速快恢復(fù)二極管，以便快速鉗位高壓電弧。

當(dāng)被測(cè)管內(nèi)產(chǎn)生的高壓電弧經(jīng)陰極進(jìn)入陰極脈沖放大器時(shí)，主電弧保護(hù)電路立刻動(dòng)作，旁路高壓電弧進(jìn)入測(cè)試地。即使高壓電弧不能被主電弧保證電路完全旁路，欲串入陰極脈沖放大器的高壓電弧也將被R5阻尼后由輔助電弧保護(hù)電路短路進(jìn)入測(cè)試地，電弧過(guò)后DeX3可自恢復(fù)，測(cè)試?yán)^續(xù)進(jìn)行。因此設(shè)計(jì)主、輔電弧保擴(kuò)電路基本上可將來(lái)自管內(nèi)的瞬間高壓電弧吸收掉，有效地防止高壓電弧擊穿電路元件或影響測(cè)試進(jìn)程。

實(shí)用型陰極脈沖放大器不僅使測(cè)試過(guò)程基本自動(dòng)化，而且是在保證基本型陰極脈沖放大器輸出高質(zhì)量高壓視頻脈沖的情況下附加設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)便適用的各類(lèi)保護(hù)電路，使得測(cè)試可靠性大為提高。