脉冲技术概述

脉冲技术（pulse techniques）是脉冲信号产生和波形变换的技术。是指在某一时间内有突变的电压或电流。从广义上讲，图1所示的矩形波、方波、尖顶波、锯齿波、三角波、阶梯波等非正弦波信号都是脉冲信号。

最常见的脉冲电压波形是矩形波。理想矩形波的突变部分是瞬时的跳变。实际电路中，脉冲电压从零值跳变到最大值，或从最大值跳变到零值时，都需要经历一定的时间。图2是实际的矩形脉冲波形图。为了定量

描述矩形脉冲的特性，经常使用图2中所标注的主要参数：①U_m是脉冲信号的幅度；②t_r是脉冲信号的上升时间，又称上升沿或前沿，是指脉冲信号由0.lU_m上升至0.9U_m时所需要的时间；③t_f是脉冲信号的下降时间，又称下降沿或后沿，是指脉冲信号由0.9U_m下降至0.1U_m所需要的时间；④t_w是脉冲信号的持续时间，又称脉宽，是指从脉冲前沿上升到0.51U_m起，到脉冲后沿下降到0.5U_m为止的时间间隔；⑤T是脉冲信号的重复周期。将脉冲宽度t_w与脉冲重复周期T的比值，定义为占空比q。图1（b）中的方波信号就是占空比为50%的矩形脉冲。其它各种型式的脉冲信号，也常根据其波形的特点，采用一些特殊含义的参数来描述，如锯齿波信号，可用非线性系数来衡量其正程内的线性程度等。

在没有激励条件下产生脉冲波的电路。矩形脉冲可以用晶体管、场效应管作开关，用电容器或电感器作惰性元件构成的自激多谐振荡器产生。电路型式有集电极一基极耦合、射极耦合多谐振荡器等。以脉冲变压器作反馈元件的间歇振荡器可产生占空比很小的窄脉冲。采用负阻器件，如隧道二极管、单结晶体管、可控硅开关管等也可构成自激多谐振荡电路。随着集成电路的发展，这类分立元件的电路由于设计调整比较麻烦，已经较少采用了。

采用集成逻辑门和RC充放电电路构成的自激多谐振荡器，电路比较简单。图3（a）和（b）所示的为由两个非门及电容器组成的正反馈电路构成的对称式和不对称式多谐振荡器电路，其振荡频率由RC决定。在对振荡频率稳定度指标要求较高的场合，可将石英晶体与上述电路中的耦合电容串联，组成石英晶体多谐振荡器。电路的振荡频率等于石英晶体的谐振频率。带有RC延时环节的环型振荡器电路如图3（c）所示，其振荡频率也与RC有关。如用电位器代替图中的电阻R，则可构成频率范围可调的矩形波发生器。

矩形脉冲也可由运算放大器、施密特触发器或555定时器等集成电路构成的多谐振荡器产生。

3. 脉冲波形变换

通过系统使给定的输入信号波形变换为特定的输出波形的过程。包括线性变换和非线性变换两大类。

脉冲波形的非线性变换电路是对输入信号进行限幅、钳位、整形、分频等各种处理的电路。最简单的非线性变换电路有采用二极管、三极管等开关元件实现的限幅器和钳位电路。前者是对脉冲信号的幅度进行切割，将幅度高于或低于某一电平的部分波形“切除”。后者是将脉冲信号的某个电平固定到指定值上，而波形不变，使信号保持一固定的直流电平。

常见的线性变换电路有由电阻R和电容C组成的微分电路和积分电路。如果将方波信号加到微分电路的输入端，则可将脉冲电压的跳变沿取出，得到如图1（c）所示的尖顶波。这种脉冲可用作电路的触发脉冲。如果将方波信号加到积分电路的输入端，则可得到三角波。

常见的线性波形变换电路有微分电路和积分电路(图2)。如果把图1a的方波电压加到图2a微分电路的输入端，则输出波将是图1d。这种微分电路可以把脉冲波形的跳变沿取出作为触发脉冲，在时间的准确性上它与原输入脉冲相同。如果把图1a的方波电压加到图2b积分电路的输入端，则输出波形将是图1c。另外还有非线性波形变换电路。例如，使图1d的电压波形通过单向导电的二极管，可获得单方向（单极性）的尖顶触发脉冲。把正弦波送给施密特触发电路可得到矩形波输出（见触发器）。用矩形波选通一个晶体管控制的RC充放电电路，便能得到锯齿电压波。

脉冲波产生电路含有晶体管和电容器或电感器。晶体管用作开关，它的通、断可以改变电路的工作状态。电容、电感用作惰性元件，可以形成电路中的暂态特性。例如能产生矩形波或方波的无稳态自激多谐振荡器，需要外触发的单稳态触发电路和双稳态触发电路，能产生锯齿波的锯齿波发生器和占空比很大的窄脉冲间歇振荡器都属于这类电路。它们可以完成诸如同步、分频、计数、移位寄存、电压比较、延时、扫描、模-数和数-模转换、选通、脉冲编码等功能。

脉冲信号的变换、产生和应用的技术。脉冲信号的波形在某一时间内有突发性和断续性的特点，几种理想的脉冲信号波形如图1。矩形脉冲的系数可用脉冲波的周期T、 宽度τ、前沿tr、后沿tf、幅度Um和波顶下垂量δ来表示。脉冲技术已广泛应用于电子计算机、通信、雷达、电视、自动控制、遥测遥控、无线电导航和测量技术等领域。

脉冲技术中广泛应用的非线性变换电路还有施密特觖发器、单稳态触发器和双稳态触发器等。采用施密特触发器可以将正弦波、三角波等任意波形的输入信号变换成边沿陡峭的矩形脉冲。采用单稳态触发器可以形成以输入脉冲的某一边沿（上升沿或下降沿）作时间基准的特定脉宽的信号。采用双稳态触发器则可对输入脉冲进行分频，构成各种计数器、分频器等等。

脉冲技术广泛地应用于电子计算机、通信、雷达、电视、自动控制、遥测遥控、无线电导航、测量技术等各个领域，成为各种电子系统中的重要的组成部分。

1、由单次脉冲向重复的高平均功率脉冲发展。

过去脉冲功率技术主要为国防科研服务，并且大多是单次运行，而工业、民用的脉冲功率技术要求一定的平均功率，必须重复频率工作。

2、储能技术--研制高储能密度的电源。

在很多应用场合下，脉冲功率系统的体积和重量的大小是决定性因素，如飞机探测水下物体技术、舰载电磁炮等，都要求产生很大的脉冲功率，而且系统又不能过于庞大和笨重。

3、开关技术--探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关。

开关元件的参数直接影响整个脉冲功率系统的性能，是脉冲功率技术中一个重要的关键技术。具有耐高电压强电流、击穿时延短且分散性小、电感和电阻小、电极烧毁少以及能在重复的脉冲下稳定工作的各种类型开关元件的研制，是当前国内外脉冲功率技术中又一个十分受重视的研究课题。

4、积极开辟新的应用领域。

近年来，脉冲功率技术在半导体、集成电路、化工、环境工程、医疗等领域的应用研究，已引起各界的广泛重视，而且在某些应用研究中，已取得了可喜的进展。凭借成功应用的经验，脉冲功率技术将更多地应用于民用技术方面，民用是一个巨大的市场，而市场的推动又必将给脉冲功率技术的发展带来新的生机。脉冲功率技术是现代电力电子技术中的一项重要内容，作为非平衡态等离子体中的重要方式，近年来逐渐被广泛应用于环境工程领域内，在处理环境污染的过程中，其具备高效、节能、清洁且便捷等优势，具有广阔的应用前景。

脉冲功率技术指的是将低功率（电压、电流）能量储存在电场或磁场中，通过脉冲形成线和开关技术将其在时间尺度上压缩，而将电压、电流提高，以获得极短脉冲的高峰值功率电磁能量并释放到负载上去的一种能量压缩技术。由此可见，脉冲功率装置应该主要包括3大基本部分：低功率下的储能部分——初级能源；脉冲产生系统，即由低功率获得高功率的变换部分——脉冲形成及压缩系统；高功率负载——二极管系统。

脉冲功率装置是相对论电子注器件不可分割的组成部分，它的性能直接影响着器件的输出参数。

马克斯发生器——脉冲形成线——二极管组合是一种最典型、使用最广泛的脉冲功率装置；采用直线脉冲变压器或Tesla变压器都可以替代马克斯发生器产生初级高压脉冲对脉冲形成线充电。直线脉冲变压器的特点是电容器组的充电和放电过程都是并联的，利用变压比为1:1的脉冲变压器使次级电压因感应电压叠加原理而与初级线圈电压成N倍（N为初级线圈的个数）增长；Telsa变压器简单可靠，特别是它与同轴形成线在结构上一体化，十分紧凑，它还适合于重复频率运行，但它难以获得数兆伏电压和大的储能，因此适合中、小功率应用。

爆炸磁压缩脉冲功率系统也是高功率微波中得到重要应用的一种高功率脉冲源，它可以在us量级的时间内输出MJ量级的能量。其最主要的缺点是只能一次性使用。