CN112148052B

CN112148052B - 一种便携式可调的稳定交流高压产生系统

Info

Publication number: CN112148052B
Application number: CN202011040658.7A
Authority: CN
Inventors: 刘承鑫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2040-09-28
Also published as: CN112148052A

Abstract

一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，利用锁相环产生不同频率的信号，通过串口来控制锁相环变频。通过可变增益放大器（VGA）和运算放大器以及峰值检波器构成一个AGC系统，通过设置单片机输出引脚的电平，来使高压升压器稳定在所有放大器在极限输出功率内的某一升压器对应的电压上，系统会对过高压和过低电压进行检测，通过改变可变增益放大器（VGA）放大器增益来调节后级功率放大器的输入功率，使得功率放大器的输出功率对应的升压器输出电压如果大于期望值，通过AGC系统降低功率放大器输出功率使最终电压降低，反之亦然。本系统可根据所需情况而改变，以满足不同频率下，都可以有高的功率输出效率，以高效地为升压器提供功率。此系统体积较小，且方便操作只需通过小型电脑控制单片机即可。

Description

一种便携式可调的稳定交流高压产生系统

技术领域

本发明属于高压设备技术领域，具体涉及一种便携式可调的稳定交流高压产生器。

背景技术

现在现存的升压设备都较大且难以以一个相对较小的功率升起一个较大电压，现存设备大多不具有灵活变频升压功能，且现存设备大多不存在长时间保持电压恒定，会随着环境变化（干扰或温度变化），导致输出电压不稳定。本发明具备充电电池可在无外接电源供电时，临时应急使用。本发明优势在于体型较小方便携带，且可利用一个较小的功率升起一个相对较大的电压。本发明在不同环境中都能稳定输出电压，在功率放大器系统有温补措施，在整体系统有AGC反馈系统，非常适合作为实验室高产生器以及高压电场临时应急高压产生设备，适用于医学，军事，科研等要求严格的场所，本发明特有的稳定系统以及便捷地操作系统，极大地提高了本发明的可靠性与可操作性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，利用锁相环产生不同频率的信号，通过串口来控制锁相环变频。通过可变增益放大器VGA和运算放大器以及峰值检波器构成一个自动增益控制AGC系统，通过设置单片机输出引脚的电平，来使高压升压器稳定在所有放大器在极限输出功率内的某一升压器对应的电压上，系统会对过高压和过低电压进行检测，通过改变可变增益放大器VGA放大器增益来调节后级功率放大器的输入功率，使得功率放大器的输出功率对应的升压器输出电压如果大于期望值，通过AGC系统降低功率放大器输出功率使最终电压降低，反之亦然。该系统存在自动保护，当系统出现自激或者操作失误引起的电压过高时，比较器的电压如果高于单片机预设电平时，比较器会输出高电平同时切断供电电源和功率放大器输入信号。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，包括单片机（5），其特征在于，小型电脑（16）连接单片机（5）；单片机（5）分别连接比较器（4）、电调开关A（6）、运算放大器（14）、锁相环（17）、步进电机A（18）、步进电机B（19）；锁相环（17）连接可变增益放大器VGA（15）；可变增益放大器VGA（15）连接电调开关A（6）；电调开关A（6）分别连接功率放大器A（7）、功率放大器B（8）、功率放大器C（9）；功率放大器A（7）、功率放大器B（8）、功率放大器C（9）连接电调开关B（10）；电调开关B（10）、步进电机A（18）、步进电机B（19）连接高压升压器（11）；高压升压器（11）一端输出，另一端连接降压电路（12）；降压电路（12）连接检波器（13）；检波器（13）分别连接比较器（4）、运算放大器（14）；运算放大器（14）连接可变增益放大器VGA（15）；比较器（4）分别连接供电开关（3）、电调开关A（6）；供电开关（3）连接可充电电池（2）、电源适配器（1）；电源适配器（1）连接可充电电池（2）；电源适配器（1）输入端接220V。

所述的电调开关A（6）、功率放大器A（7）、功率放大器B（8）、功率放大器C（9）、电调开关B（10）组成功率放大电路，其中包括电路中四个D Zener均为稳压二极管，电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电容C5，电容C6，电容C7，电容C8，电容C9，电容C10，电容C11，电容C12，电容C13，电容C14，电容C15，电容C16，电容C17，电容C18，电容C19，电容C20，电容CAP1，电容CAP2，电容CAP3，电容CAP4，电感L1，电感L2，电感L3，电感L4，电感L5，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R5，电阻R6，电阻R8，滑动变阻器R4，滑动变阻器R7，功率放大器Q1，功率放大器Q2。

所述的电调开关B（10）通过SMA转接头连接传输线，再由传输线连接高压升压器（11），高压升压器（11）的输入由同轴线接入。

进一步，采用含变容二极管的输入输出匹配电路，将原电调开关A（6）由含变容二极管的输入匹配电路A（20）代替，电调开关B(10)由含变容二极管的输入匹配电路B（21）代替，结构如下：

小型电脑（16）连接单片机（5）；单片机（5）分别连接比较器（4）、含变容二极管的输入匹配电路A（20）、功率放大器A（7）、运算放大器（14）、锁相环（17）、步进电机A（18）、步进电机B（19）；锁相环（17）连接可变增益放大器VGA（15）；可变增益放大器VGA（15）连接含变容二极管的输入匹配电路A（20）；含变容二极管的输入匹配电路A（20）连接功率放大器A（7）；功率放大器A（7）连接含变容二极管的输入输出匹配电路B（21）；含变容二极管的输入输出匹配电路B（21）、步进电机A（18）、步进电机B（19）连接高压升压器（11）；高压升压器（11）一端输出，另一端连接降压电路（12）；降压电路（12）连接检波器（13）；检波器（13）分别连接比较器（4）、运算放大器（14）；运算放大器（14）连接可变增益放大器VGA（15）；比较器（4）连接供电开关（3）；供电开关（3）连接可充电电池（2）、电源适配器（1）；电源适配器（1）连接可充电电池（2）；电源适配器（1）输入端接220V。

所述的含变容二极管的输入匹配电路A（20）连接功率放大器A（7）；功率放大器A（7）连接含变容二极管的输入输出匹配电路B（21）组成功率放大电路，其中包括电路中四个D Zener均为稳压二极管，电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电容C5，电容C6，电容C7，电容C8，电容C9，电容C10，电容C11，电容C12，电容C13，电容C14，变容二极管D1，变容二极管D2，变容二极管D3，变容二极管D4，变容二极管D5，变容二极管D6，电容CAP1，电容CAP2，电容CAP3，电容CAP4，电感L1，电感L2，电感L3，电感L4，电感L5，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R5，电阻R6，电阻R8，滑动变阻器R4，滑动变阻器R7，功率放大器Q1，功率放大器Q2。

所述的含变容二极管的输入输出匹配电路B（21）输出端通过SMA转接头连接传输线，再由传输线连接高压升压器（11），高压升压器（11）的输入由同轴线接入。

所述的单片机采用MSP430F438单片机。

所述的单片机（5）通过串口连接锁相环（17），锁相环（17）ADF4351输出连接可变增益放大器VGA（15）ADL5331。

所述的降压电路（12）由两个50K欧姆电阻R1和R2以及一个1:1巴伦K1和一个50欧姆电阻R3组成。

所述的高压升压器（11）为：金属壳（22）内固定电感固定杆（23）、拨片导向杆（27），拨片移动杆（28）两端贯穿金属壳（22）；电感固定杆（23）上两端缠绕电感一（24）、电感三（26）,中间缠绕电感二（25）；电感一（24）、电感二（25）、电感三（26）一端接地，电感一（24）、电感三（26）另一端固定在电感固定杆（23）上，电感二（25）另一端接电阻和电感；拨片移动杆（28）上两端为不导电材质连接金属杆，金属杆连接螺纹杆，螺纹杆中间连接不导电材质，两段螺纹杆上各套有一拨片（29），拨片（29）下方通孔由拨片导向杆（27）贯穿，拨片移动杆（28）两端的金属杆上连接螺母（30），两螺母（30）之间电连通，设有并联的电阻和电容。

所述的锁相环（17）、步进电机A（18）、步进电机B（19）、电调开关A（6）、电调开关B（10）以及含变容二极管的输入匹配电路A（20）和含变容二极管的输入匹配电B（21）的变容二极管变容电压均是由单片机（5）控制的，可变增益放大器VGA（15）是由单片机产生基准信号通过运算放大器（14）间接控制。

本发明的有益效果是：

本系统可以通过单片机来控制两台步进电机，两台步进电机分别与升压器的两个旋钮相接，其中一个旋钮可以控制升压器初级边电路的可调电容，因为所设计的升压器为初级端和次级端电路分别谐振来升压，所以需要在变频时同时调节两个位置的谐振点。第一台步进电机正是用来调节升压器初级端的可变电容的，以达到实现初级端电路谐振的目的。第二台步进电机是来调节升压器次级端电路的谐振频率的，通过改变连接拨片与线圈的连接位置的不同来调节线圈电感值，以改变与后接同步管，相当于一个电容的谐振频率来使升压器在不同频率下保持高Q值，以保证各频率下的高效率升压，即高Q值可保证同等功率下更高的升压效果。

本系统的功率放大器为一个关键设计，本系统通过两种实施实现，实施一通过设计多种固定频率下的输入输出匹配网络，利用电调开关来切换不同匹配电路，这里每一中匹配电路都有一定的带宽，可以满足一个频段内的匹配，单片机根据某一频率对应在某一带宽，来切换匹配电路的选择。实施二只有一路功率放大器，输入输出都含有变容二极管，通过改变变容二极管来改变功率放大器的匹配阻抗，来满足不同频率下功率放大器的匹配，以保证功率高效输出。实施一的优点是设计方便节约空间，但是可调范围相对较窄。实施二的优点是可调范围广，但是占用空间相对较大。

该系统存在自动保护，当系统出现自激或者操作失误引起的电压过高时，比较器的电压如果高于单片机预设电平时，比较器会输出高电平同时切断供电电源和功率放大器输入信号。

本系统配备可充电电池满足应急情况的使用，也配备直接插电使用变压器。具有AGC系统能输出稳定电压。升压器可调频，可调幅，利用相对较小功率可输出大电压。功率放大器匹配电路可根据所需情况而改变，以满足不同频率下，都可以有高的功率输出效率，以高效地为升压器提供功率。此系统体积较小，且方便操作只需通过小型电脑控制单片机即可。

这两个方案其实都是针对功率放大器的匹配而言的，因为高频的功率放大器要保证能量的高效传输，需要添加对于所工作的频率的输入输出匹配。所以必须要保证每个可对外提供的频率处的输出功率，所以这里考虑两种匹配方式，①一种是用很多路的功率放大器，每路功率放大器都设置了一个中心频率且有一定带宽的输入输出匹配网络（这个带宽不宽如几十MHz那种），然后单片机根据用户的选择，判断所选频率所属频段，然后控制电调开关开启相应的通路，连通响应频带的功率放大器。②另一种是利用在输入输出匹配电路中加入一些变容二极管（它的容值会跟随偏置直流电压而变），通过单片机提供不同电压来控制各个变容二极管的容值，来实现匹配谐振点的改变，从而相当于只需要一个功率放大器，只要调节变容二极管来改变匹配电路谐振点即可。

对于两种方法，第一种方法，因为是对于特定频段设置了相应的匹配电路，所以这种情况下一般是可以达到功耗相对较低的且匹配网络Q（品质因数）值相对较高的，带外抑制度一般相对较高，但是需要功率放大器数量较多，占用面积大且成本相对较高。第二种方法，因为只需要一个可工作在较宽频带的功率放大器和一个输入输出匹配网络以及几个变容二极管即可，所以电路占用相对较小，成本相对较低，但是由于理论上匹配调谐时需要同时改变电容和电感值来实现匹配网络性能最佳化，所以说只变容它的匹配的频率不一定能达到最好性能，但是能实现相应指标，功率放大器效率可能相对较低，且匹配网络Q值相对较低。但对于我所设计的这个系统而言功率放大器只需提供升压器所需功率即可，所以说在设计时功率放大器时不一定需要功率放大器发挥最佳性能。

所以说只看升压效果的话，上述两种方法效果是差不多的，如要看种效率的话需要选择第一种方法较优。如果需要小体积的话，第二种方法较优。

附图说明

图1为本发明的实施一结构示意图；

图2为本发明的实施二结构示意图；

图3为本发明实施一的功率放大电路图；

图4为本发明实施二的功率放大电路图；

图5为本发明升降压电路的电路图；

图6为本发明高压升压器结构示意图；

图7为升压器输出电压的实验测试图；

图8为升压器输出电压的实验测试图；

图9为运算放大器线性图

其中，1为电源适配器；2为可充电电池；3为供电开关；4为比较器；5为单片机；6为电调开关A；7为功率放大器A；8为功率放大器B；9为功率放大器C；10为电调开关B；11为高压升压器；12为降压电路；13为检波器；14为运算放大器；15为可变增益放大器VGA；16为小型电脑；17为锁相环；18为步进电机A；19为步进电机B；20为含变容二极管的输入输出匹配电路A；21为含变容二极管的输入输出匹配电路B；22为金属壳；23为电感固定杆；24为电感一；25为电感二；26为电感三；27为拨片导向杆；28为拨片移动杆；29为拨片；30为螺母。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步叙述。

实施一：

如图1所示，一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，包括单片机（5），其特征在于，小型电脑（16）连接单片机（5）；单片机（5）分别连接比较器（4）、电调开关A（6）、运算放大器（14）、锁相环（17）、步进电机A（18）、步进电机B（19）；锁相环（17）连接可变增益放大器VGA（15）；可变增益放大器VGA（15）连接电调开关A（6）；电调开关A（6）分别连接功率放大器A（7）、功率放大器B（8）、功率放大器C（9）；功率放大器A（7）、功率放大器B（8）、功率放大器C（9）连接电调开关B（10）；电调开关B（10）、步进电机A（18）、步进电机B（19）连接高压升压器（11）；高压升压器（11）一端输出，另一端连接降压电路（12）；降压电路（12）连接检波器（13）；检波器（13）分别连接比较器（4）、运算放大器（14）；运算放大器（14）连接可变增益放大器VGA（15）；比较器（4）分别连接供电开关（3）、电调开关A（6）；供电开关（3）连接可充电电池（2）、电源适配器（1）；电源适配器（1）连接可充电电池（2）；电源适配器（1）输入端接220V。

如图3所示，所述的电调开关A（6）、功率放大器A（7）、功率放大器B（8）、功率放大器C（9）、电调开关B（10）组成功率放大电路，其中包含功率放大器MRFE6VS25N，电容，电感，电阻，可变电阻以及稳压二极管。电路中四个D Zener均为稳压二极管，二极管正输入端向地串联，另一端与电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电容CAP1，电容CAP2，电阻R2，电阻R3，电阻R5相连。电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电容CAP1，电容CAP2的另一端均接地。电阻R2另一端与电阻R1和电源VCC相连以及四个并联电容，电容C5，电容C6，电容C7，电容CAP3和一个电感L1相连。R1的另一端与四个并联电容，电容C8，电容C9，电容C10，电容CAP4以及一个电感L2相连。L1另一端与另一端接地的电容C12，电感L3以及功率放大器Q1的漏极（标号1）相连，电感L3另一端与另一端接地的电容C13和另一端接输出端（RF OUT）的电容C11相连。功率放大器Q1的源极（标号3）接地，功率放大器Q1的栅极（标号2）与一个电容C15和滑动变阻器R7的抽头相连，滑动变阻器R7另外两端一端与另一端接地的电阻R8和电阻R5相连。电容C15另一端与一个另一端接地的电容C17和一个电感L4相连。电感L4的另一端与一个另一端接地的电容C16和电容C14相连。电容C14与电感L2和功率放大器Q2的漏极（标号1）相连。功率放大器Q2的源极（标号3）与地相连。功率放大器Q2的栅极（标号2）与一个另一端接地的电容C20和一个电感L5以及滑动变阻器R4的抽头相连。滑动变阻器另外两端其中一端与另一端接地的电阻R6相连，而另一端则与电阻R3相连。电感L5的另一端与一个另一端接地的电容C19和一个另一端与输入端（RF IN）相连的电容C18相连。

实施二

如图2所示，采用含变容二极管的输入输出匹配电路，将原电调开关A（6）由含变容二极管的输入匹配电路A（20）代替，电调开关B(10)由含变容二极管的输入匹配电路B（21）代替，结构如下：

如图4所示，所述的含变容二极管的输入匹配电路A（20）连接功率放大器A（7）；功率放大器A（7）连接含变容二极管的输入输出匹配电路B（21）组功率放大电路，包含功率放大器MRFE6VS25N，电容，电感，电阻，可变电阻以及稳压二极管。电路中四个D Zener均为稳压二极管，二极管正输入端向地串联，另一端与电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电容CAP1，电容CAP2，电阻R2，电阻R3，电阻R5相连。电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电容CAP1，电容CAP2的另一端均接地。电阻R2另一端与电阻R1和电源VCC相连以及四个并联电容，电容C5，电容C6，电容C7，电容CAP3和一个电感L1相连。R1的另一端与四个并联电容，电容C8，电容C9，电容C10，电容CAP4以及一个电感L2相连。L1另一端与正端接地的变容二极管D1，电感L3以及功率放大器Q1的漏极（标号1）相连，电感L3另一端与正端接地的变容二极管D2和另一端接输出端（RF OUT）的电容C11相连。功率放大器Q1的源极（标号3）接地，功率放大器Q1的栅极（标号2）与一个电容C13和滑动变阻器R7的抽头相连，滑动变阻器R7另外两端一端与另一端接地的电阻R8和电阻R5相连。电容C13另一端与一个正端接地的变容二极管D4和一个电感L4相连。电感L4的另一端与一个正端接地的变容二极管D3和电容C12相连。电容C12与电感L2和功率放大器Q2的漏极（标号1）相连。功率放大器Q2的源极（标号3）与地相连。功率放大器Q2的栅极（标号2）与一个正端接地的变容二极管D6和一个电感L5以及滑动变阻器R4的抽头相连。滑动变阻器另外两端其中一端与另一端接地的电阻R6相连，而另一端则与电阻R3相连。电感L5的另一端与一个正端接地的变容二极管D5和一个另一端与输入端（RFIN）相连的电容C14相连；

所述的单片机采用MSP430F438单片机。

如图5所示，所述的降压电路（12）由两个50K欧姆电阻R1和R2以及一个1:1巴伦K1和一个50欧姆电阻R3组成。其中电阻R1和R2一端分别与升压器后面的负载电阻RL的两端相连。而R1和R2的另一端分别于巴伦K1的原边的两端相连。巴伦K1的副边一端接地，另一端与一个另一端接地的电阻R3和输出端相连。

如图6所示，所述的高压升压器（11）为：金属壳（22）内固定电感固定杆（23）、拨片导向杆（27），拨片移动杆（28）两端贯穿金属壳（22）；电感固定杆（23）上两端缠绕电感一（24）、电感三（26）,中间缠绕电感二（25）；电感一（24）、电感二（25）、电感三（26）一端接地，电感一（24）、电感三（26）另一端固定在电感固定杆（23）上，电感二（25）另一端接电阻和电感；拨片移动杆（28）上两端为不导电材质连接金属杆，金属杆连接螺纹杆，螺纹杆中间连接不导电材质，两段螺纹杆上各套有一拨片（29），拨片（29）下方通孔由拨片导向杆（27）贯穿，拨片移动杆（28）两端的金属杆上连接螺母（30），两螺母（30）之间电连通，设有并联的电阻和电容。

实施一：

如图7、8、9所示，实验采用的锁相环（17）来产生各频率的信号，实验采用锁相环为ADF4351，可实现35MHz至4400MHz（本升压设备期望可输出50M到200MHz的高压）的频率输出最小-4dBm功率最大5dBm功率，在锁相环后面加入10dB衰减器，使得输入给可变增益放大器VGA（15）的功率大概为-14dBm至-5dBm，实验所采用的可变增益放大器VGA（15）为ADL5331（工作频率为1MHz至1.2GHz），根据数据手册可以实现在50MHz至200MHz的-10dB至13dB的增益。至此可变增益放大器VGA可为后级功率放大器（7）（8）（9）在50MHz至200MHz提供-24dBm至8dBm的输入功率。

后级功率放大器（7）（8）（9）均采用两个级联的MRFE6VS25N的LDMOS场效应管，此功率放大器（7）（8）（9）可以在50MHz至200MHz实现25dB增益和25W的最大输出功率，实验预设置第一级和二级功率放大器均为18dB增益，本实验只要求功率放大器最大至少可以输出20W(43dBm)的功率即可满足实验要求，根据前级电路提供的输入功率最大为8dBm可以估算，出功率放大器（7）（8）（9）的第一级输出功率大概为26dBm（0.4W），而第二级只需17dB的增益即可达到43dBm（20W）的输出功率。按照实施一的方法，可以设置功率放大器（7）的中心频率为65MHz频带范围为50MHz至80MHz，设置功率放大器（8）的中心频率为80MHz至130MHz，设置功率放大器（9）的中心频率为130MHz值200MHz。为了达到预期目标在设计时功率放大器（7）（8）（9）第一级以最大输入为8dBm时有27dBm（0.5W）的输出功率为标准，即需要19dB的增益（预设为18dB即可，这里提供了1dB的余量），根据R=U^2/(2P)=（40*0.7）^2/(2*1)=392欧姆，功率放大器（7）（8）（9）根据数据手册推荐供漏源电压为VDS=50V，但是根据实际实验可以得出只需VDS（漏源电压）供电40V即可满足第一级的实验要求，因为第一级VDS供电压为40V，而交流电压摆幅实际中不可能达到40V，这里根据实际经验将交流摆幅设置为直流电压的0.7倍，而最大输出功率设置为1W，这样设置的目的是我们一定可以达到0.5W的第一级输出，根据上述公式可估算出第一级功率放大器需要的输出阻抗大概为392欧姆。功率放大器（7）（8）（9）的第二级输入阻抗只需匹配至392欧姆即可。根据实验要求第二级功率放大器输出需要20W（43dBm）的输出功率，通过估算功率放大器（7）（8）（9）第二级输出阻抗大概需要R=U^2/(2P)=（50*0.7）^2/(2*20)=31欧姆，那么只需要将对外50欧姆（各种测试设备以及器件的标准输入输出阻抗为50欧姆，各器件对外均呈现50欧姆时，在器件相互级联时可实现匹配）的阻抗值匹配至对第二级功率放大器输出呈现31欧姆即可，而对于功率放大器输入级匹配只需要根据矢量网络测量仪反射系数最小即可（因为矢量网络测量仪的仪器阻抗为50欧姆，测得结果即为功率放大器对50欧姆的最小反射系数，即可达到功率放大器输入得无反射匹配效果）。功率放大器（7）（8）（9）分别将65MHz、105MHz、165MHz功率放大器各级阻抗匹配至上述阻抗即可，并测试满足对应带宽即可。根据实际高温测试发现，整体功率放大器（7）（8）（9）系统的增益对外呈现正温度特性，即随温度的升高功率放大器增益在变大，而这会影响整体系统输出的稳定性。这里采用两种措施来保证功率放大器（7）（8）（9）尽可能少地受温度的影响。措施一，为功率放大器板设计一个合适的腔体，将功率放大器（7）（8）（9）功率放大器处涂上导热硅脂放入腔体，再在腔体背后用导热胶连接一个小型风扇，这样腔体和风扇均会为功率放大器提供散热效果。

措施二，利用齐纳二极管的负温度特性，将4个可以稳压2V左右的齐纳二极管串联接入两级功率放大器的VGS（栅源电压）输入偏置电路，即最终可稳压置8V，然后再设计分压电路，并在分压电路中加入可调电阻，将VGS直流偏置电压调至大于2.5V即可，若温度升高齐纳二极管的稳压值会下降会使得总的稳压值小于8V，从而使得VGS直流偏置电压小于2.5V此时会使功率放大器增益变小，从而抵消了因温度升高而导致的原本功率放大器系统功率放大器增益变高的现象，从而达到整体功率放大器系统输出稳定的效果。这里使用哪一个功率放大器（7）（8）（9）由用户在小型电脑（16）所设频率决定，单片机（5）根据所设频率所属频段，控制电调开关A（6）和电调开关B（10）开通哪一路功率放大器。功率放大器（7）电路具体如下，功率放大器（8）（9）电路类似，只是改变了输入输出的电感和电容值，见图3。

后级升压器（11）采用电容、电感串联谐振与并联谐振组合的方式升压，并采用镀银线圈保证所扰电感的高Q值。根据谐振原理，当电容电感发生谐振时，将获得最大的能量转换，此时电容和电感一者的放能等于另一者的储能。即当L1和C1谐振时L1和C1可以获得最大的能量，其中C1上的电压为U1=(1/C1)∫idt，又根据变压器变压原理，将U1电压从变压器原边变为副边电压U2，此时若可以将L3，L4以及L2在副边上产生的互感与C2发生谐振，则可以使副边得到最大电压，同样谐振时U0=U2=(1/C1)∫idt。而对于不同的频率点串联谐振我们可以使用耐高压可变电容来充当C1（一般可变电容上有个螺丝钉可以转动来改变容值），对于并联谐振我们可以通过改变弹簧拨片的位置来改变副边电感L3和L4的电感值，并根据谐振频率fc=1/(2π*根号下LC)来估算所需变化的电容和电感值。实际中我们通过步进电机A（18）和步进电机B（19）分别连接可变电容和变压器副边的弹簧拨片的转动轴，当步进电机A（18）转动时即为改变电容C1，步进电机B（19）转动时即为改变电感L3和L4，实际中我们只需测量每个频点处串联和并联谐振时电容和电感值，并测算转动角度即可完成让L1和C1在不同频率下谐振，同时完成L3、L4以及L2在副边上产生的互感与C2发生谐振。R1和R2为50KΩ电阻，他们与一个1:1巴伦K1和一个并联50欧姆电阻组成了一个降压电路（12），此降压电路通过传输线与升压器输出端的电容相连。其中50KΩ的电阻相对负载5KΩ为高阻所以他对负载RL的影响很小，这里巴伦K1起到一个差分转单端的作用，R1:R3=R2:R3=1000，所以此降压电路相当于将高压可降低2000倍并从U测输出，见图5。

U测输出一个与高压成比例的电压，输入检波器（13），检波器（13）后有连有一个功分器，将检波器（13）信号分为2路，一路输入运算放大器（14），一路输入比较器（4）。其中比较器（4）的负输入端接功分器，正输入端连接单片机（5）。由单片机（5）提供一个升压器预设定的最高安全压经过分压电路（12）检波器（13）功分器应在比较器（4）负端呈现的电压，并将此电压提供给正输入端与负输入端电压进行比较，当负输入端电压高于此电压时，比较器会输出一个高电平来对电调开关A(6)进行关断，并对供电开关（3）进行关断，使设备的信号输入通路和直流供电通路同时被关闭，以此来保护设备。

图7、8所示，为升压器输出电压Uo的实验测试图，可以看出这次试验是在91M时用100倍衰减探头测试的，输出电压在功率放大器供电功率为15W（电源电压采用双24V串联形式为48V，实际我们采用50V供电，电源电压显示变小是因为实验时高压辐射导致，当设备装入最终系统金属外壳中就不会对外产生辐射了）时可以达到4770V，可见此系统升压效果明显，见图6。根据实验测试本系统50MHz~200MHz最高电压均至少可达6000V，本设备最终以6000V为最高输出电压，而最小则可以提供百毫伏级电压。

升压器的所用C2电容未耐高压电容此高压电容有一个等效的寄生电阻大概为5kΩ。

运算放大器（14）采用MAX4265，其中运算放大器（14）负输入端电压为功分器另一端输出电压，这个负端输入电压是根据升压器输出电压经过降压电路（12）检波器（13）以及功分器而一一与升压器输出电压对应的一个电压，而运算放大器（14）的正输入端是由单片机（5）提供的一个基准电压。这个正端电压减去负端电压可以让运算放大器（14）输出一个控制可变增益放大器VGA增益的电压，此控制电压可以改变可变增益放大器VGA的增益，而此时可变增益放大器VGA输出功率也对应一个升压器（11）输出高压，以此可变增益放大器VGA（15）电调开关（6）功率放大器（7）（8）（9）电调开关（10）升压器（11）降压电路（12）检波器（13）功分器以及运算放大器（14）就形成一个负反馈。运算放大器（14）的正输入端由单片机（5）产生的基准电压的高低决定理想情况下可变增益放大器VGA的增益，当基准电压高的时候会使可变增益放大器VGA增益变大，反之变小。当根据需求通过单片机（5）设定好一个可变增益放大器VGA增益对应的基准电压时，基准电压不再变化，而如果说受环境等干扰因素影响，此时升压器电压高于设定输出电压的话，那么运算放大器（14）负输入端电压必然会被抬高，那么本来的由单片机（5）产生的基准电压又不变，那么会使运算放大器（14）输出电压uo=A(uid)=A(u+-u-)会变小，那么就会使可变增益放大器VGA（15）控制电压变小，可变增益放大器VGA（15）输出功率会变小，会使升压器电压下降。同理如果说升压器（11）输出电压低于设定电压的话，运算放大器（14）输出电压uo会变大，那么就会使可变增益放大器VGA(15)控制电压变大，可变增益放大器VGA（15）输出功率会变大，会使升压器电压上升。因此负反馈系统保证了升压系统输出电压的稳定性，当受到干扰导致电压上下波动时，系统会自动对可变增益放大器VGA的增益进行控制，即构成了一个自动增益控制系统AGC，使得输出电压稳定可靠。注意：这里运算放大器（14）利用了它在线性放大区的性质如下图9所示，u1即为我们此系统输入的uid，当u1变大时uo变大，反之变小。从而起到负反馈的作用。

实施二：

实施二与实施一的区别仅在于两级功率放大器输入匹配、级间匹配和输出匹配上，将功率放大器的输入匹配、级间匹配和输出匹配电路所用LC电路的电容改成变容二极管，固定电感值，仅改变通过改变电容二极管控制电压来改变电容值，从来改变匹配谐振频率。由于仅改变电容值的话根据谐振频率公式fc=1/(2π*根号下LC)（其中L和C分别为输入输出匹配网络中所有电感电容等小的感值和容值）可以改变匹配谐振频率，但是整体电路的Q值（品质因数）较低，也就是频率抗干扰能力较弱，而且输出功率效率相对于实施一的低。因为后面升压器（11）是个高Q值器件，所以这里功率放大器的相对低Q值不易引起电路的不稳定和过多谐波的干扰。所以说此实施二的方法在本升压系统中是可实施的，具体电路图见电路图4。

Claims

1.一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，包括单片机（5），其特征在于，小型电脑（16）连接单片机（5）；单片机（5）分别连接比较器（4）、电调开关A（6）、运算放大器（14）、锁相环（17）、步进电机A（18）、步进电机B（19）；锁相环（17）连接可变增益放大器VGA（15）；可变增益放大器VGA（15）连接电调开关A（6）；电调开关A（6）分别连接功率放大器A（7）、功率放大器B（8）、功率放大器C（9）；功率放大器A（7）、功率放大器B（8）、功率放大器C（9）连接电调开关B（10）；电调开关B（10）、步进电机A（18）、步进电机B（19）连接高压升压器（11）；高压升压器（11）一端输出，另一端连接降压电路（12）；降压电路（12）连接检波器（13）；检波器（13）分别连接比较器（4）、运算放大器（14）；运算放大器（14）连接可变增益放大器VGA（15）；比较器（4）分别连接供电开关（3）、电调开关A（6）；供电开关（3）连接可充电电池（2）、电源适配器（1）；电源适配器（1）连接可充电电池（2）；电源适配器（1）输入端接220V；

利用锁相环产生不同频率的信号，通过串口来控制锁相环变频,通过可变增益放大器VGA和运算放大器以及峰值检波器构成一个自动增益控制AGC系统，通过设置单片机输出引脚的电平，来使高压升压器稳定在所有放大器在极限输出功率内的某一升压器对应的电压上，系统会对过高压和过低电压进行检测，通过改变可变增益放大器VGA放大器增益来调节后级功率放大器的输入功率，使得功率放大器的输出功率对应的升压器输出电压如果大于期望值，通过AGC系统降低功率放大器输出功率使最终电压降低，反之亦然。

2.根据权利要求1所述的一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，其特征在于，所述的电调开关A（6）、功率放大器A（7）、功率放大器B（8）、功率放大器C（9）、电调开关B（10）组成功率放大电路，其中包括电路中四个D Zener均为稳压二极管，电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电容C5，电容C6，电容C7，电容C8，电容C9，电容C10，电容C11，电容C12，电容C13，电容C14，电容C15，电容C16，电容C17，电容C18，电容C19，电容C20，电容CAP1，电容CAP2，电容CAP3，电容CAP4，电感L1，电感L2，电感L3，电感L4，电感L5，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R5，电阻R6，电阻R8，滑动变阻器R4，滑动变阻器R7，功率放大器Q1，功率放大器Q2。

3.根据权利要求1所述的一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，其特征在于，所述的电调开关B（10）通过SMA转接头连接传输线，再由传输线连接高压升压器（11），高压升压器（11）的输入由同轴线接入。

4.根据权利要求1所述的一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，其特征在于，采用含变容二极管的输入输出匹配电路，将原电调开关A（6）由含变容二极管的输入匹配电路A（20）代替，电调开关B(10)由含变容二极管的输入匹配电路B（21）代替，结构如下：

5.根据权利要求4所述的一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，其特征在于，所述的含变容二极管的输入匹配电路A（20）连接功率放大器A（7）；功率放大器A（7）连接含变容二极管的输入输出匹配电路B（21）组成功率放大电路，其中包括电路中四个D Zener均为稳压二极管，电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电容C5，电容C6，电容C7，电容C8，电容C9，电容C10，电容C11，电容C12，电容C13，电容C14，变容二极管D1，变容二极管D2，变容二极管D3，变容二极管D4，变容二极管D5，变容二极管D6，电容CAP1，电容CAP2，电容CAP3，电容CAP4，电感L1，电感L2，电感L3，电感L4，电感L5，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R5，电阻R6，电阻R8，滑动变阻器R4，滑动变阻器R7，功率放大器Q1，功率放大器Q2。

6.根据权利要求4所述的一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，其特征在于，所述的含变容二极管的输入输出匹配电路B（21）输出端通过SMA转接头连接传输线，再由传输线连接高压升压器（11），高压升压器（11）的输入由同轴线接入。

7.根据权利要求1或4所述的一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，其特征在于，所述的单片机采用MSP430F438单片机；所述的单片机（5）通过串口连接锁相环（17），锁相环（17）ADF4351输出连接可变增益放大器VGA（15）ADL5331。

8.根据权利要求1或4所述的一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，其特征在于，所述的降压电路（12）由两个50K欧姆电阻R1和R2以及一个1:1巴伦K1和一个50欧姆电阻R3组成。

9.根据权利要求1或4所述的一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，其特征在于，所述的高压升压器（11）为：金属壳（22）内固定电感固定杆（23）、拨片导向杆（27），拨片移动杆（28）两端贯穿金属壳（22）；电感固定杆（23）上两端缠绕电感一（24）、电感三（26）,中间缠绕电感二（25）；电感一（24）、电感二（25）、电感三（26）一端接地，电感一（24）、电感三（26）另一端固定在电感固定杆（23）上，电感二（25）另一端接电阻和电感；拨片移动杆（28）上两端为不导电材质连接金属杆，金属杆连接螺纹杆，螺纹杆中间连接不导电材质，两段螺纹杆上各套有一拨片（29），拨片（29）下方通孔由拨片导向杆（27）贯穿，拨片移动杆（28）两端的金属杆上连接螺母（30），两螺母（30）之间电连通，设有并联的电阻和电容。

10.根据权利要求1或4所述的一种便携式可调的稳定交流高压产生系统，其特征在于，所述的锁相环（17）、步进电机A（18）、步进电机B（19）、电调开关A（6）、电调开关B（10）以及含变容二极管的输入匹配电路A（20）和含变容二极管的输入匹配电B（21）的变容二极管变容电压均是由单片机（5）控制的，可变增益放大器VGA（15）是由单片机产生基准信号通过运算放大器（14）间接控制。