补偿型RC积分器在冲击电压测量中的应用 (1991年)

### 补偿型RC积分器在冲击电压测量中的应用 #### 概述 本文探讨了一种新型的补偿型RC积分器在冲击电压测量中的应用，特别是针对雷电冲击电压的精确测量。传统的RC积分器虽然能够实现基本的电压波形复制功能，但在测量精度上存在一定的局限性，尤其是在半峰值时间和输出电压方面。为了解决这些问题，作者提出了一种过补偿型无源积分器的设计方案，该方案能够在保持简单结构的同时，显著减少测量误差并提升输出电压的准确性。 #### 微分积分（D/I）系统的基本原理 在微分积分系统中，首先通过微分电路将输入的高压信号转换为微分信号，然后利用积分器将微分信号还原回原始波形。这一过程可以借助通用示波器或数字式瞬态记录仪来完成。系统的核心组成部分包括： - **高压电容器(Cd)**：用于微分电路，存储初始电荷。 - **微分电路中的电阻(Rd)**：同时作为同轴电缆的匹配电阻。 - **RC积分器**：由R和C组成，负责将微分信号还原为原始波形。 #### 测量误差分析 在简单的RC积分器中，积分时间常数(τj)由Rj和Cj决定。为了获得准确的测量结果，冲击电压波的波前时间应远大于τj，而半峰值时间应远小于τj。但是，在实际应用中，当τj值增大时，可能会导致分压比过大，使得输出电压过小，难以观察到细微的变化，从而引入额外的测量误差。 #### 补偿型积分器的提出 为了解决上述问题，作者提出了两种补偿型RC积分器的设计方案： 1. **第一类补偿型积分器**：这种积分器通过调整电阻和电容的比例来实现补偿效果，具体参数设置为C = C1 = C2且Ro = R12 = R23 = 2R13。这样设计的目的是让C1的放电过程对C2的放电进行补偿，确保输出电压随时间的衰减更加平缓。 2. **第二类补偿型积分器**：未在原文中详细描述，但可以推测它具有不同的补偿机制，以进一步优化输出信号的质量。 #### 第一类补偿型积分器的特性分析 第一类补偿型积分器通过特定的参数配置来改善输出电压波形。例如，对于图3(a)所示的电路，当输入端施加脉冲函数电压时，C1的充电电压会高于C2。随后，C2通过R23放电，而C1通过R13和R12放电。C1的放电过程对C2起到补偿作用，从而使得输出电压在初始阶段的变化率接近零，这有助于降低半峰值时间的测量误差。 对于微分积分(D/I)测量系统，如果微分环节不引入波形误差，那么系统的输出电压Uo(t)将是单位方波响应g(t)。使用第一类补偿型积分器时，可以得到单位方波响应g(t)的数学表达式，该表达式包含了积分时间常数τ0和微分时间常数τd的影响。通过计算这些表达式，可以进一步分析输出波形的特性，并通过Duhamel积分计算任意输入波形时的输出。 #### 结论 通过采用过补偿型无源RC积分器，可以有效提高冲击电压测量的准确性，特别是在减小半峰值时间测量误差和提高输出电压方面表现突出。这种补偿型积分器不仅保持了简单的设计结构，还通过巧妙的参数配置实现了性能的大幅提升，为冲击电压的精密测量提供了有力支持。未来的研究还可以探索更多类型的补偿机制，以适应更广泛的应用场景。