光點(diǎn)測試儀陰極脈沖放大器的改進(jìn)設計

摘要：介紹光點(diǎn)測試儀陰極脈沖放大器的改進(jìn)設計，將原光點(diǎn)測試儀陰極脈沖放大器加入電路自控設計和保護電路設計后，使它從基本型電路改進(jìn)為實(shí)用型電路，以滿(mǎn)足實(shí)現應用中的測試需要。

關(guān)鍵詞：光點(diǎn)測試儀 保護電路 測試

光點(diǎn)測試儀陰極脈沖放大器是產(chǎn)生負向高壓脈沖以驅動(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)指標的陰極驅動(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)指標的負向高壓視頻脈沖基礎電路，它包括主頻信號發(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、驅動(dòng)電路和輸出電路。這些足以完成從接收主頻信號到同步CCD攝像頭再到輸出負向高壓視頻脈沖等一系列操作，擔也存在可靠性較差、自動(dòng)化程度較低和使用不便等問(wèn)題。因此當它應用于實(shí)際測試時(shí)，就可能因電路故障而導致測試系統損壞或因只靠手動(dòng)操作而使測試進(jìn)度緩慢等問(wèn)題。實(shí)現型陰極脈沖放大器是在基本電路的基礎上附加設計了機控電路和保護電路，這使得測試效率和測試可靠性大為提高。

1 機控原理

在基本型陰機脈沖放大器中，像三色選擇、Vk調節以及單幀或多幀圖像采集等測試步驟都是通過(guò)動(dòng)操作完成的。PC機除了將采集到的光點(diǎn)圖像進(jìn)行分析處理外，不再對其它測試設備進(jìn)行任何控制操作。而在改進(jìn)后的實(shí)現型陰機脈沖放大器中，由于PC機配有具有兩個(gè)模擬I/O口和兩個(gè)數字I/O口的驅動(dòng)卡，所以幾乎所有的測試操作都是由PC機去完成，也就是說(shuō)PC機不但要分析處理光點(diǎn)圖像，而且還要控制整個(gè)測試的操作過(guò)程，使整個(gè)測試過(guò)程從相當繁瑣變得十分簡(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動(dòng)卡中的數字I/O口控制R/G/B三色選擇，其中R/G/B三色選擇電路被設計在主頻信號發(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來(lái)自PC機驅動(dòng)卡的三位數字I/O輸出口，應用三態(tài)門(mén)74LS126作為受控于P驅動(dòng)卡的數字I/O輸出口的三色選擇開(kāi)關(guān)。當數字I/O輸出口輸出顯“1”時(shí)，R或G或B開(kāi)關(guān)被打開(kāi)。而當數字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)。

雖然主頻信號發(fā)生器同時(shí)輸出兩路零電平以上的正/負向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)設計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 )導致燒屏。

1.2 Vk調節

Vk是控制陰極發(fā)射電流Ik大小的電壓，調整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電源的可調節范圍一般設計為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)去的測試是靠手動(dòng)調節Vk來(lái)控制Ik的變化，這很不便于連續測試顯像管?，F在的設計是應用PC機驅動(dòng)卡的三路模擬I/O口提供的0～+10V驅動(dòng)電壓來(lái)分別控制三路Vk電源從0至+200V變化，即以改變低壓調節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機的連接中，為防止連線(xiàn)過(guò)長(cháng)而引起驅動(dòng)電壓衰減，在Vk電源中設計了被償電路，以確保低壓調節端的電壓變化始終為0～+10V。只被R/G/B三色選擇控制信號選中的一路脈沖放大順的Vk電源才能輸出0～+200V調節電壓，而未被選中的脈沖放大器的輸出端則將Vk自動(dòng)設定在+180V，以保證Ik可靠截止。此外，當調整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定性，應在Vk電源的輸出端加入去耦電容C1、C2、C3。

1.3 多幀采集

單幀采集按鼠標一次，PC機從CCD攝像頭抓取一幅光點(diǎn)圖像，并計算其二維尺寸；多幀采集按鼠標數次，PC機從CCD攝像頭抓取多幅光點(diǎn)圖像，用多次平均法計算其二維光點(diǎn)尺寸。改進(jìn)后的PC機圖像采集方法不再只依靠標進(jìn)行單幀或多幀采集，而是應用主頻脈沖控制多幀采集，使得PC機在采集過(guò)程中無(wú)而只依靠鼠標操作來(lái)獲得光點(diǎn)圖像信號。配置在PC機內可編程I/O圖像采集卡只需利用主頻脈沖的前沿觸發(fā)復位采集幀同步即可連續采集多幅光點(diǎn)圖像，并應用多次平均法計算其二維光點(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(guān)測到實(shí)時(shí)顯示的光點(diǎn)圖像，如圖5所示。一旦PC機發(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 保護電路

盡管基本型陰極脈沖放大器能產(chǎn)生高技術(shù)指標的陰極驅動(dòng)脈沖以便在屏上顯示高質(zhì)量的高斯光點(diǎn)，但在實(shí)際測試顯像管中應當考慮：（1）陰極脈沖放大器發(fā)生故障時(shí)應立即截止顯像管的陰極發(fā)射電流以防止燒屏：（2）測試過(guò)程中應防止可能來(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。因此設計適用的保護電路是提高測試可靠性的必要措施。

2.1 故障保護

為截止顯像管的陰極發(fā)射電流Ik，應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)，因此該保護電路可稱(chēng)為Vk監視電路或屏保護電路。

當輸出端因電路發(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導通后輸出相對于GND的“0”狀態(tài)，U1:A輸出“1”，U1：B輸出“0”，驅動(dòng)管Q4為5V，發(fā)光二管D1截止不亮，即說(shuō)明監視輸出端電壓為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導通且輸出相對于+180V的-12V，開(kāi)啟P溝道增強型效應管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，達到了屏保護的目的。

可恢復保險絲F1是為防止Q、Q2同時(shí)導通（或擊穿）以及Q2單獨擊穿而設置的。當前者發(fā)生時(shí)，輸出級從+180V端到Vk端之間為全導通狀態(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，保護電路立即動(dòng)作；當后者發(fā)生時(shí)，監視輸出端被鉗制在Vk，保護電路立即啟動(dòng)后Q5開(kāi)啟，在輸出端也形成了全導通狀態(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，F1就能自恢復。而復位開(kāi)關(guān)K1能驗證故障是否繼續存在于陰極脈沖放大器中。此外，上位電阻R16的設置能保證電路的初始化狀態(tài)為D1亮、Q5截止。

應當說(shuō)明的是，當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100ns的Vk電平，這也許會(huì )誤導保護電路動(dòng)作。但由于故障保護電路的啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間大于100ns，不會(huì )導致誤動(dòng)作，因此D1始終亮。另一方面，由于故障保護電路在非啟動(dòng)時(shí)Q5是截止狀態(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

對顯像管進(jìn)行光點(diǎn)測試時(shí)，通常在管子的陽(yáng)極上加有高壓（20kV～30kV），假設管內電子槍有未降凈毛刺物或發(fā)生極間短路，有可能在管內產(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，影響測試正常進(jìn)行。防止上述情況發(fā)生的方法就是當高壓電孤產(chǎn)生時(shí)，在陰極脈沖放大器內制造一些通路，使它能經(jīng)這些通路到達測試地，而不進(jìn)入電路擊穿元件，如圖7所示。

圖7中，設計了兩個(gè)通路讓瞬間產(chǎn)生的高壓電孤到達測試地。一路經(jīng)DeX3/750V、X1到測試地，它為主電孤保護電路；另一路則經(jīng)D1、D2、C3、C2到測試地，它可被看作為輔助電弧保護電路。其中DeX3/750V是3個(gè)串聯(lián)放電管，這種原應用于通訊設備中的防雷電放電管對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電源內的輸出濾波電容，它能短路串入的瞬間高壓電??；D1、D2應采用高速快恢復二極管，以便快速鉗位高壓電弧。

當被測管內產(chǎn)生的高壓電弧經(jīng)陰極進(jìn)入陰極脈沖放大器時(shí)，主電弧保護電路立刻動(dòng)作，旁路高壓電弧進(jìn)入測試地。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電路短路進(jìn)入測試地，電弧過(guò)后DeX3可自恢復，測試繼續進(jìn)行。因此設計主、輔電弧保擴電路基本上可將來(lái)自管內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試進(jìn)程。

實(shí)用型陰極脈沖放大器不僅使測試過(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計了簡(jiǎn)便適用的各類(lèi)保護電路，使得測試可靠性大為提高。