光點(diǎn)測試儀陰極脈沖放大器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

摘要：介紹光點(diǎn)測試儀陰極脈沖放大器的改進(jìn)設(shè)計(jì)，將原光點(diǎn)測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)用中的測試需要。

關(guān)鍵詞：光點(diǎn)測試儀 保護(hù)電路 測試

光點(diǎn)測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題。因此當(dāng)它應(yīng)用于實(shí)際測試時(shí)，就可能因電路故障而導(dǎo)致測試系統(tǒng)損壞或因只靠手動(dòng)操作而使測試進(jìn)度緩慢等問題。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，這使得測試效率和測試可靠性大為提高。

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試步驟都是通過動(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，所以幾乎所有的測試操作都是由PC機(jī)去完成，也就是說PC機(jī)不但要分析處理光點(diǎn)圖像，而且還要控制整個(gè)測試的操作過程，使整個(gè)測試過程從相當(dāng)繁瑣變得十分簡化。

1.1 三色選擇

原陰極脈沖放大器通過三個(gè)手動(dòng)開關(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關(guān)。當(dāng)數(shù)字I/O輸出口輸出顯“1”時(shí)，R或G或B開關(guān)被打開。而當(dāng)數(shù)字I/O輸出口輸出為“0”時(shí)關(guān)閉開關(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。過去的測試是靠手動(dòng)調(diào)節(jié)Vk來控制Ik的變化，這很不便于連續(xù)測試顯像管。現(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，為防止連線過長而引起驅(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)在采集過程中無而只依靠鼠標(biāo)操作來獲得光點(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）測試過程中應(yīng)防止可能來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，開啟P溝道增強(qiáng)型效應(yīng)管Q5，短路Q5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F1,使它熔斷后開路輸出端。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開啟，在輸出端也形成了全導(dǎo)通狀態(tài)，在F1中流過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)測試時(shí)，通常在管子的陽極上加有高壓（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)測試地。一路經(jīng)DeX3/750V、X1到測試地，它為主電孤保護(hù)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(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)的等效電容卻很小（10pF），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弧；D1、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)入測試地，電弧過后DeX3可自恢復(fù)，測試?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試進(jìn)程。

實(shí)用型陰極脈沖放大器不僅使測試過程基本自動(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)了簡便適用的各類保護(hù)電路，使得測試可靠性大為提高。