摘? 要： 介紹光點測試儀陰極脈沖放大器的改進設計,將原光點測試儀陰極脈沖放大器加入電路自控設計和保護電路" title="保護電路">保護電路設計后,使它從基本型電路改進為實用型電路,以滿足實際應用中的測試需要。

　　關鍵詞： 光點測試儀? 保護電路? 測試

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　　光點測試儀陰極脈沖放大器是產生負向高壓脈沖以驅動顯像管R/G/B三槍的精密儀器^[1]。為在屏上顯示高質量的高斯光點,陰極脈沖放大器需要提供高技術指標的陰極驅動脈沖,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、脈沖底部波動小于2V以及脈沖整體能在0~180V范圍內上下移動。

　　基本型陰極脈沖放大器是一種能輸出上述技術指標的負向高壓視頻脈沖的基礎電路,它包括主頻信號發(fā)生器、CCD同步電路、視頻脈沖形成與延時電路、R/G/B三色選擇電路、驅動電路和輸出電路。這些電路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,但也存在可靠性較差、自動化程度較低和使用不便等問題。因此當它應用于實際測試時,就可能因電路故障而導致測試系統(tǒng)損壞或因只靠手動操作而使測試進度緩慢等問題。實用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

　　在基本型陰極脈沖放大器中,像三色選擇、VK調節(jié)以及單幀或多幀圖像采集等測試步驟都是通過手動操作完成的。PC機除了將采集到的光點圖像進行分析處理外,不再對其它測試設備進行任何控制操作。而在改進后的實用型陰極脈沖放大器中,由于PC機配有具有兩個模擬I/O" title="I/O">I/O口和兩個數(shù)字I/O口的驅動卡,所以幾乎所有的測試操作都是由PC機去完成,也就是說PC機不但要分析處理光點圖像,而且還要控制整個測試的操作過程,使整個測試過程從相當繁瑣變得十分簡化。

1.1 三色選擇

　　原陰極脈沖放大器通過三個手動開關完成R/G/B三色選擇;改進后的陰極脈沖放大器則是由驅動卡中的數(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自PC機驅動卡的三位數(shù)字I/O輸出口,應用三態(tài)門74LS126作為受控于PC機驅動卡的數(shù)字I/O輸出口的三色選擇開關。當數(shù)字I/O輸出口輸出為“1”時,R或G或B開關被打開。而當數(shù)字I/O輸出口輸出為“0”時關閉開關,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。

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　　雖然主頻信號發(fā)生器同時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三色選擇開關設計在正向脈沖控制端即可關閉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上升至VK+180V,因而不會導致燒屏。

1.2 VK調節(jié)

　　VK是控制陰極發(fā)射電流IK大小的電壓,調整VK移動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(jié)范圍一般設計為0～+200V,以保證它在移動整個高壓視頻脈沖時能可靠截止各種顯像管的IK。過去的測試是靠手動調節(jié)VK來控制IK的變化,這很不便于連續(xù)測試顯像管?，F(xiàn)在的設計是應用PC機驅動卡的三路模擬I/O口提供的0～+10V驅動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。

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　　在VK電源與PC機的連接中,為防止連線過長而引起驅動電壓衰減,在VK電源中設計了補償電路,以確保低壓調節(jié)端的電壓變化始終為0～+10V。只有被R/G/B三色選擇控制信號選中的一路脈沖放大器的VK電源才能輸出0～+200V調節(jié)電壓,而未被選中的脈沖放大器的輸出端則將VK自動設定在+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,為防止疊加在V_K電源上的高頻脈沖影響其直流輸出的穩(wěn)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圖像,并計算其二維尺寸;多幀采集按鼠標數(shù)次,PC機從CCD攝像頭抓取多幅光點圖像,用多次平均法計算其二維光點尺寸。改進后的PC機圖像采集方法已不再只依靠鼠標進行單幀或多幀采集,而是應用主頻脈沖控制多幀采集,使得PC機在采集過程中無需只依靠鼠標操作來獲得光點圖像信號。配置在PC機內的可編程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(xù)采集多幅光點圖像,并應用多次平均法計算其二維光點尺寸,如圖4所示。

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　　在未進行主頻控制下的多幀采集時,CCD攝像頭與I/O圖像采集卡之間在像素時鐘的控制下一幀一幀地實時傳送圖像信息,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時顯示的光點圖像,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,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)采集10幅圖像,此時CCD攝像頭也以主頻為外觸發(fā)幀同步脈沖連續(xù)攝取10幅圖像,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幀、傳送上一幀。

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2 保護電路

　　盡管基本型陰極脈沖放大器能產生高技術指標的陰極驅動脈沖以便在屏上顯示高質量的高斯光點,但在實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)測試過程中應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,這實際上要求陰極脈沖放大器發(fā)生故障時在輸出端能立即提供直流高壓V_K+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V_K,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" title="故障保護">故障保護電路才會立即動作,使得輸出電平上升至V_K+180V,并截止陰極發(fā)射電流I_K。否則它將不會影響電路的輸出狀態(tài),因此該保護電路可稱為V_K監(jiān)視電路或屏保護電路。

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　　當輸出端因電路發(fā)生故障而失去輸出波形時,+180V經電阻R₅、R₆、R₇分壓后在采樣管Q₃的b與e之間產生的電位差小于0.7V,Q₃截止且使光耦P1導通" title="導通">導通后輸出相對于GND的“0”狀態(tài),U₁：A輸出“1”,U₁：B輸出“0”,驅動管Q₄的c為5V,發(fā)光二極管D₁截止不亮,即說明監(jiān)視輸出端電壓為V_K。由于Q₄輸出為5V,經U₁：C反相后返回U₁：A的另一輸入端,即可維持Q₄輸出為5V,D₁始終不亮;同時U₁：C的輸出又使得光耦P2導通且輸出相對于+180V的-12V,開啟P溝道增強型場效應管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,達到了屏保護的目的。

　　可恢復保險絲F1是為防止Q₁、Q₂同時導通(或擊穿)以及Q₂單獨擊穿而設置的。當前者發(fā)生時,輸出級從+180V端到V_K端之間為全導通狀態(tài),這時很大的短路電流流過F1,使它熔斷后開路輸出端。同樣+180V經電阻R₅、R₆、R₇分壓后在采樣管Q₃的b與e之間產生的電位差小于0.7V,保護電路立即動作;當后者發(fā)生時,監(jiān)視輸出端被鉗制在V_K,保護電路立即啟動后Q5開啟,在輸出端也形成了全導通狀態(tài),在F₁中流過很大的短路電流并使它熔斷。但這時保護電路的啟動已經完成,不再進行另一次動作。一旦陰極脈沖放大器故障修復,F1就能自恢復。而復位開關K1能驗證故障是否繼續(xù)存在于陰極脈沖放大器中。此外,上拉電阻R₁₆的設置能使保護電路的初始化狀態(tài)為D₁亮、Q₅截止。

　　應當說明的是,當陰極脈沖放大器處于正常工作狀態(tài)時,其輸出端的高壓視頻脈沖將每20ms出現(xiàn)100ns的VK電平,這也許會誤導保護電路動作。但由于故障保護電路的啟動延時時間大于100ns,不會導致誤動作,因此D₁始終亮。另一方面,由于故障保護電路在非啟動時Q5是截止狀態(tài),因此Q5的輸出電容很小(<10pF),它的存在不會影響輸出高質量的高壓視頻脈沖。

2.2 電弧保護

　　對顯像管進行光點測試時,通常在管子的陽極上加有高壓(20kV～30kV),假設管內電子槍有未除凈毛刺物或發(fā)生極間短路,有可能在管內產生高壓電弧并經陰極串入陰極脈沖放大器,造成電路元件被擊穿,影響測試正常進行。防止上述情況發(fā)生的方法就是當高壓電弧產生時,在陰極脈沖放大器內制造一些通路,使它能經這些通路到達測試地,而不進入電路擊穿元件,如圖7所示。

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　　圖7中,設計了兩個通路讓瞬間產生的高壓電弧到達測試地。一路經D_e×3/750V、C₁到測試地,它為主電弧保護電路;另一路則經D₁、D₂、C₃、C₂到測試地,它可被看作為輔助電弧保護電路。其中D_e×3/750V是3個串聯(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度(t<10ns),而它們未被擊穿時的等效電容卻很小(<10pF),同樣不會影響輸出高質量的高壓視頻脈沖;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弧;D₁、D₂應采用高速快恢復二極管,以便快速鉗位高壓電弧。

　　當被測管內產生的高壓電弧經陰極進入陰極脈沖放大器時,主電弧保護電路立刻動作,旁路高壓電弧進入測試地。即使高壓電弧不能被主電弧保護電路完全旁路,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入測試地,電弧過后D_e×3可自恢復,測試繼續(xù)進行。因此設計主、輔電弧保護電路基本上可將來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程。

　　實用型陰極脈沖放大器不僅使測試過程基本自動化,而且是在保證基本型陰極脈沖放大器輸出高質量高壓視頻脈沖的情況下附加設計了簡便適用的各類保護電路,使得測試可靠性大為提高。

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參考文獻

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