光点测试仪阴极脉冲放大器的改进设计

    摘要：介绍光点测试仪阴极脉冲放大器的改进设计，将原光点测试仪阴极脉冲放大器加入电路自控设计和保护电路设计后，使它从基本型电路改进为实用型电路，以满足实现应用中的测试需要。

    关键词：光点测试仪 保护电路 测试

光点测试仪阴极脉冲放大器是产生负向高压脉冲以驱动显像管R/G/B三枪的精密仪器[1]。为了屏上显示高质量的高斯光点，阴极脉冲放大器需要提供高技术指标的阴极驱动脉冲，即：以20ms为周期、脉冲幅度大于180V、脉冲宽度为100ns、脉冲上升/下降沿小于20ns、脉冲底部波动小于2V以及脉冲整体能在0～180V范围内上下移动。

    基本型阴极脉冲放大器是一种能输出上述技术指标的负向高压视频脉冲基础电路，它包括主频信号发生器、CCD同步电路、视频脉冲形成延时电路、R/G/B三色选择电路、驱动电路和输出电路。这些足以完成从接收主频信号到同步CCD摄像头再到输出负向高压视频脉冲等一系列操作，担也存在可靠性较差、自动化程度较低和使用不便等问题。因此当它应用于实际测试时，就可能因电路故障而导致测试系统损坏或因只靠手动操作而使测试进度缓慢等问题。实现型阴极脉冲放大器是在基本电路的基础上附加设计了机控电路和保护电路，这使得测试效率和测试可靠性大为提高。

1 机控原理

在基本型阴机脉冲放大器中，像三色选择、Vk调节以及单帧或多帧图像采集等测试步骤都是通过动操作完成的。PC机除了将采集到的光点图像进行分析处理外，不再对其它测试设备进行任何控制操作。而在改进后的实现型阴机脉冲放大器中，由于PC机配有具有两个模拟I/O口和两个数字I/O口的驱动卡，所以几乎所有的测试操作都是由PC机去完成，也就是说PC机不但要分析处理光点图像，而且还要控制整个测试的操作过程，使整个测试过程从相当繁琐变得十分简化。

1.1 三色选择

原阴极脉冲放大器通过三个手动开关完成R/G/B三色选择；改进后的阴极脉冲放大器则是由驱动卡中的数字I/O口控制R/G/B三色选择，其中R/G/B三色选择电路被设计在主频信号发生器和视频脉冲放大器之间，即可看作为两者之间的衔接电路，如图1所示。R/G/B三色选择的控制信号来自PC机驱动卡的三位数字I/O输出口，应用三态门74LS126作为受控于P驱动卡的数字I/O输出口的三色选择开关。当数字I/O输出口输出显“1”时，R或G或B开关被打开。而当数字I/O输出口输出为“0”时关闭开关，故在阴极脉冲放大器的输出端通常输出一路高压视频脉冲，且在屏上显示单光点。

虽然主频信号发生器同时输出两路零电平以上的正/负向TTL电平的脉冲至视频脉冲放大器，但只需将R/G/B三色选择开关设计在正向脉冲控制端即可关闭R或G或B的高压视频脉冲输出，使视频脉冲放大器输出端的电压自动上升至Vk+180V，因而不会导致烧屏。

    1.2 Vk调节

Vk是控制阴极发射电流Ik大小的电压，调整Vk移动高压视频脉冲的位置可改变Ik的大小，如图2所示。Vk电源的可调节范围一般设计为0～+200V，以保证它在移动整个高压视频脉冲时能可靠截止各种显像管的Ik。过去的测试是靠手动调节Vk来控制Ik的变化，这很不便于连续测试显像管。现在的设计是应用PC机驱动卡的三路模拟I/O口提供的0～+10V驱动电压来分别控制三路Vk电源从0至+200V变化，即以改变低压调节端的电压变化去控制高压输出端的电压输出，如图3所示。

在Vk电源与PC机的连接中，为防止连线过长而引起驱动电压衰减，在Vk电源中设计了被偿电路，以确保低压调节端的电压变化始终为0～+10V。只被R/G/B三色选择控制信号选中的一路脉冲放大顺的Vk电源才能输出0～+200V调节电压，而未被选中的脉冲放大器的输出端则将Vk自动设定在+180V，以保证Ik可靠截止。此外，当调整Vk而改变视频高压脉冲的位置时，为防止叠回在Vk电源上的高频脉冲影响其直流输出的稳定性，应在Vk电源的输出端加入去耦电容C1、C2、C3。

1.3 多帧采集

单帧采集按鼠标一次，PC机从CCD摄像头抓取一幅光点图像，并计算其二维尺寸；多帧采集按鼠标数次，PC机从CCD摄像头抓取多幅光点图像，用多次平均法计算其二维光点尺寸。改进后的PC机图像采集方法不再只依靠标进行单帧或多帧采集，而是应用主频脉冲控制多帧采集，使得PC机在采集过程中无而只依靠鼠标操作来获得光点图像信号。配置在PC机内可编程I/O图像采集卡只需利用主频脉冲的前沿触发复位采集帧同步即可连续采集多幅光点图像，并应用多次平均法计算其二维光点尺寸，如图4所示。

在未进行主频控制下的多帧采集时，CCD摄像头与I/O图像采集卡之间在像素时钟的控制下一帧一帧地实时传送图像信息，并由I/O图像采集卡将显存中的图像信息送至显示器，因此在显示器上能观测到实时显示的光点图像，如图5所示。一旦PC机发送采集指令至I/O图像采集卡时，采集卡就使主频脉冲前沿触发帧同步后以主频为周期连续采含有10帧图像，此时CCD摄像头也以主频为外触发帧图像，如图4所示，从CCD摄像头的工作原理可知，摄取过程是拍摄下一帖、传送上一帧。

2 保护电路

尽管基本型阴极脉冲放大器能产生高技术指标的阴极驱动脉冲以便在屏上显示高质量的高斯光点，但在实际测试显像管中应当考虑：（1）阴极脉冲放大器发生故障时应立即截止显像管的阴极发射电流以防止烧屏：（2）测试过程中应防止可能来自显像管的高压电弧串入阴极脉冲放大器而击穿电路元件。因此设计适用的保护电路是提高测试可靠性的必要措施。

2.1 故障保护

为截止显像管的阴极发射电流Ik，应在阴极和栅极之间加入大于截止电压Vco的正电压，这实际上要求阴极脉冲放大器发生故障时在输出端能立即提供直流高压Vk+180V。根据阴极脉冲放大器的输出特性，必须在它发生各种故障的情况下防止输出电平维持在Vk，否则就有可能发生烧屏。

如图6所示，在电路可能发生各种故障的情况下，只有输出端电平维持在Vk，故障保护电路才会立即动作，使得输出电平上升至Vk+180V，并截止阴极发射电流Ik。否则它将不会影响电路的输出状态，因此该保护电路可称为Vk监视电路或屏保护电路。

    当输出端因电路发生故障而失去输出波形时，+180V经电阻R5、R6、R7会压后采样管Q3的b与e之间产生的电位差小于0.7V,Q3截止且使光耦P1导通后输出相对于GND的“0”状态，U1:A输出“1”，U1：B输出“0”，驱动管Q4为5V，发光二管D1截止不亮，即说明监视输出端电压为Vk。由于Q4输出为5V，经U1：C反相后返回U1：A的另一输入端，即可维护Q4输出为5V，D1始终不亮；同时U1：C的输出又使得光耦P2导通且输出相对于+180V的-12V，开启P沟道增强型效应管Q5，短路Q5的S、D极，输出端就立即被提升至Vk+180V，从而确保截止阴极发射电流Ik，达到了屏保护的目的。

可恢复保险丝F1是为防止Q、Q2同时导通（或击穿）以及Q2单独击穿而设置的。当前者发生时，输出级从+180V端到Vk端之间为全导通状态，这时很大的短路电流流过F1,使它熔断后开路输出端。同样+180V经电阻R5、R6、R7分压后在采样管Q3的b与e之间产生的电位差小于0.7V，保护电路立即动作；当后者发生时，监视输出端被钳制在Vk，保护电路立即启动后Q5开启，在输出端也形成了全导通状态，在F1中流过很大的短路电流并使它熔断。但这时保护电路启动已经完成，不再进行另一次动作。一旦阴极脉冲放大器故障修复，F1就能自恢复。而复位开关K1能验证故障是否继续存在于阴极脉冲放大器中。此外，上位电阻R16的设置能保证电路的初始化状态为D1亮、Q5截止。

应当说明的是，当阴极脉冲放大器处于正常工作状态时，其输出端的高压视频脉冲将每20ms出现100ns的Vk电平，这也许会误导保护电路动作。但由于故障保护电路的启动延时时间大于100ns，不会导致误动作，因此D1始终亮。另一方面，由于故障保护电路在非启动时Q5是截止状态，因此Q5的输出电容很小（<10pF），它的存在不会影响输出高质量的高压视频脉冲。

2.2 电孤保护

对显像管进行光点测试时，通常在管子的阳极上加有高压（20kV～30kV），假设管内电子枪有未降净毛刺物或发生极间短路，有可能在管内产生高压电孤并经阴极串入阴极脉冲放大器，造成电路元件被击穿，影响测试正常进行。防止上述情况发生的方法就是当高压电孤产生时，在阴极脉冲放大器内制造一些通路，使它能经这些通路到达测试地，而不进入电路击穿元件，如图7所示。

图7中，设计了两个通路让瞬间产生的高压电孤到达测试地。一路经DeX3/750V、X1到测试地，它为主电孤保护电路；另一路则经D1、D2、C3、C2到测试地，它可被看作为辅助电弧保护电路。其中DeX3/750V是3个串联放电管，这种原应用于通讯设备中的防雷电放电管对于高压电弧具有很快的击穿速率（t<10ns），而它们未被击穿时的等效电容却很小（<10pF），同样不会影响输出高质量的高压视频脉冲；C3为+180V电源内的输出滤波电容，它能短路串入的瞬间高压电弧；D1、D2应采用高速快恢复二极管，以便快速钳位高压电弧。

当被测管内产生的高压电弧经阴极进入阴极脉冲放大器时，主电弧保护电路立刻动作，旁路高压电弧进入测试地。即使高压电弧不能被主电弧保证电路完全旁路，欲串入阴极脉冲放大器的高压电弧也将被R5阻尼后由辅助电弧保护电路短路进入测试地，电弧过后DeX3可自恢复，测试继续进行。因此设计主、辅电弧保扩电路基本上可将来自管内的瞬间高压电弧吸收掉，有效地防止高压电弧击穿电路元件或影响测试进程。