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高功率脉冲马克思发生器
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3秒自动关闭窗口闪电制作-马克思发生器和特斯拉线圈的制作教程（转自肉丁）
友情提醒：高压危险，玩的时候小心点！
特斯拉线圈的制作
整理发布这篇特斯拉线圈的制作教程，让我们来膜拜一下这位”神的代言人”。
玩过红色警戒的朋友的对磁暴线圈一定映像深刻，今天就让我们一起来做个”磁暴线圈”吧。
先来看些效果图吧，看看这些特斯拉线圈爱好者们的杰作
上面的图片充分的展示了特斯拉线圈的”人造闪电”的魅力，就是这神一般的魔力，吸引着许多人来追寻这种美丽的火花，感受人类最初对”天火”那分震撼。
特斯拉线圈的制作前的准备和注意事项：
整个制作我们以变压器功率为1000w的中型特斯拉线圈为标准。(放电距离：&=120cm)（备注：特斯拉线圈的放电距离和功率成正比）
主要材料及大概成本：
1：高压变压器 1000W 输入220V 输出 10KV
2：大量无极电容 如用0.047uf
1000v~(1600v)的cbb电容需要准备100只左右，有大容量的高压电容请自己换算
3：直径13厘米长1米的聚氯乙烯管(壁厚0.61厘米)，pvc管材也将就，厚0.8厘米的绝缘板材(不能是木头!最好塑料)大约2.5平米，厚0.5厘米的绝缘板材(非木!)大约1.5平米，这些都可在家庭装饰城(就是那些买涂料，板材，工具等的那种大市场里)买到
4：导线，多芯铜导线，1000v50A大约6米;10kv1A导线3米
5：耐压漆包线 内径0.5mm 900米长
6：直径0.8厘米的铜管(壁厚1mm以上)长8米，直径3厘米厚&1mm长1米的铜管可在汽车配件或五金等地买到
7：电手钻，螺丝刀，手锯，钳子等工具，普通螺丝，塑料螺丝，环氧树脂胶，钢尺等
8：用于燃气热水器的排气管(金属制作，可弯曲，直径在10厘米以上)制作后期计算得到长度.
特斯拉线圈装配示意图和电路图
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自制的高压脉冲电源——马克思发生器
淘宝的套件，两个接到一起组成双极马克思发生器。
电路本身没啥可说的，组装起来就可以。24V供电，经过高压包输出大约20KV的高压，然后给马克思发生器供电。
这东西可以用来测物体耐压，还有就是电器的抗干扰能力。放到屋里啪啪啪的放电玩也不错，增加少量臭氧用于空气消毒。放电频率一秒钟两次，很稳定。
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臭氧可杀菌，但人最好要离开。
这玩意真有实用的地方？感觉就是装逼利器啊。。很炫的感觉。。
好东西，俺们见识了
收音机的大敌！@
很漂亮啊，弄个玩玩不错啊
怎么做的说说，骗女孩子不错
为什么成了“马克思”？
m22360 发表于
为什么成了“马克思”？
因为这个电路结构的发明人就姓马克思：
就好像李世民，李克强和李喵都姓李一样
这个可以玩玩，最起码，臭氧有利于空气的清洁
上班使用的高频火花枪比这个方便，体积小多了，简易测量真空度用的。
鲁道夫，科创论坛来的
24V需要多大的电流？
这个好玩& && && && && && &
<font color="# 发表于
上班使用的高频火花枪比这个方便，体积小多了，简易测量真空度用的。
& && &朋友在哪上班？我30年前在某电子管厂做花生管的抽真空工作，使用过你说的火花捡漏器。
Powered by“啪啪啪”！马克思发生器向你“放电”啦？！（内含制作过程）
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“啪啪啪”！马克思发生器向你“放电”啦？！（内含制作过程）
马克思发生器是个不新鲜的制作项目，但对于很多电子初学者，它的神奇表现很有吸引力，我也自制了一部，用实践来验证一下原理解读。马克思发生器的历史1924年，E.Marx提出了马克思发生器的结构，它是一种高压发生器，可用于物质的耐压检测，以及给加速器产生高电压，它的原理实际上有点像我们常用的采用并联方式充电的充电电池，然后以串联的方式为电子产品供电。但马克思发生器上不是充电电池，而是一个个高压电容，将它们经过高压电源的并联充电，然后通过火花隙串联放电，从而实现产生高压火花的目的。下图是一幅网上流传的电路图，我先用这幅图来说明它的原理。马克思发生器原理图首先来看原理图中虚线框右边的部分，虚线框代表一个高压变压器，它可以将输入的变化的小电压转换为高电压，电压达到5kV以上。图中的R1～R16以及那个2.2M?的电阻，在充电时起到限流的作用。图中的电容是串联使用的，这些电容的真正用途是在放电过程中起到防止电容并联放电的作用。当右侧电路加上高压电源时，每个电容器两端都产生电势差，它们开始并联充电，这时我们可以选择其中的一个单元来研究它的工作原理。电容器C1有放电的趋势，它放电可以击穿火花隙，但是因为它的两个引脚间串联了一个电阻R1，电容要想放电，需要克服电阻的阻碍作用，所以它不容易并联放电，因此可以通过调节火花隙的长度来控制电容的并联放电。再看两边的两根接地线，其实我觉得这样画不好，容易被误解，因为我们在做小型的马克思发生器时一般不采取接地的方式，接地的方式一般是对于大型的马克思发生器来说的，这两个接地端实际上是两根导线中间隔了一段空气（火花隙也是这样的）。如果电容的电压充到足够大，可以击穿所有的火花隙并且击穿两个放电端时，再看所有的电容，假设现在所有的放电间隙已经全部连通，所有的电容相当于串联在一起，这时就可以放电了。虚线框左边的电路是555集成电路，用它可以产生一个变化的直流信号，利用这个信号经过三极管的放大就可以驱动高压变压器产生高压。555集成电路制作过程下图是我刚开始制作的马克思发生器的样子。我刚开始制作出的马克思发生器这个制作存在很多问题，比如电容用的是4kV/ 47pF的，容量和耐压均不够；级数不够，不能产生很好的效果；电阻用的是4.7MΩ、1/4W的，功率和耐压太小，容易通过电阻放电。所以我又重新购买了一些元器件，如下图所示。制作步骤首先，要给木板钻孔，钻孔时，要根据螺丝的直径来钻。因为我一共买了8个电容，也就是一共8组，所以需要钻16个孔。然后进行火花隙的制作，这是最难的也是最重要的一步，我用的是直径2mm的单股线。接着，按电路图进行元器件的安装。安装时把电阻和电容的接脚在螺丝上绕一圈，因为有些电容的接脚比较短，我又用焊锡焊上了一段，这样做的目的只是考虑成品的美观性和稳固程度。最后，组装好的成品如下所示。制作电源最初我参照的是网上找的电路图资料，也就是图1来制作的电源部分，但后来我发现最初的电路原理图中有很多问题，所以，我在原来电路的基础上进行了修改了，如下图所示。我改进后的电源部分的电路我在新的电路原理图中加了一个二极管1N4148，目的有两个：一是防止反接带来的后果，因为如果555集成电路的1和8脚接反了，那么555集成电路直接就烧了；二是防止浪涌电压对555集成电路的影响，并且还在二极管后面增加了一个470μF的电容，用来平缓电压的波动和防止浪涌电压。555集成电路的第5脚称为控制极，它对电压很敏感，因为马克思发生器周围存在着很强的电场和磁场，所以对它的稳定性会造成很大的影响，所以我用一个0.1μF的电容接到公用负极进行保护。我还在第3脚与三极管之间串联上了一个100Ω的电阻，因为555的最大输出电流为200mA，而三极管的b-e两极的压降非常小，只有0.6V，所以加上一个电阻可以降低555集成电路的输出电流，这样也是对555集成电路的一种保护。最后，我想说一下高压变压器。我选择电视机高压包的目的，一是高压包具有很高的输出电压和很好的稳定性，二是高压包内部含有高压整流二极管，这样就不用再额外加上整流二极管了。我选用的高压包是彩电高压包，因为彩电高压包的输入电压是额定的，所以我们必须要用导线在磁芯上绕10匝左右，如下图所示。采用的彩电高压包再来看下图中的薯片桶，它可是给我带来了巨大的帮助。在没有这个薯片桶之前，我一共烧坏了4块555集成电路，而且都不明原因，后来想到了这个薯片桶，内壁是铝膜的，可以有一定的静电屏蔽功能，我就用它把我的面包板装起来，结果烧芯片的问题没再发生。面包板上的电源控制电路用薯片桶装起来正像前文所说，这个制作并不新鲜，写这篇文章的目的一是跟大家分享一下我的制作心得，二是对自己的理论学习与实践验证进行一个总结。理论和实践有时差别非常大，在制作过程中，我明显感觉到了这一点，比如，由理论知识画出的电路图，认为电源的内阻为0，但是在实际制作中，我发现内阻不可忽略。因为相机每秒的帧数不够多，所以我没能拍摄到我自己的这个马克思发生器放电的图片，不过网上有很多类似的图片，尤其是特别炫目的特斯拉线圈的放电照片，感兴趣的读者可以搜索一下。
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高功率脉冲马克思发生器
理工大学学士学位论文摘 要脉冲是短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。脉冲功率技术是一门新 兴的技术。从上世纪 70 年代后期，随着核物理技术、电子束、加速器、激光、放电理 论和等离子体技术的研究和日益广泛的应用，脉冲功率技术才得到重视和迅速的发展。 本论文首先介绍了仿真软件 Multisim 的发展以及在电路模拟方面的各种功能， 然后介绍 了高功率脉冲技术的发展、应用和 MARX 发生器的原理，同时结合 Multisim 设计电路， 最后对 MARX 发生器的元件参数和仿真结果进行了研究。 本课题是通过对高功率脉冲技术知识的了解，利用 Multisim 软件设计出基本的 MARX 发生器的电路， 然后对其进行仿真， 最后通过对开关等元件参数的调整设计出一 套能产生高功率脉冲电压的 MARX 发生器。关键词：高功率脉冲技术；MARX 发生器；MultisimI理工大学学士学位论文AbstractPulse mutation is a short time, then quickly returns to its initial values of physical quantities. Pulsed power technology is a new technology. In the later than 1970s ,as nuclear technology, electron beam, accelerator, laser, discharge theory and plasma technology has been widely research and application of pulse power technology to get attention and rapid development. This thesis firstly introduces the development of simulation software, Multisim and various functions in the circuit simulation, and then introduces the development and application of high power pulse technology and the principle of MARX generator, at the same time, combined with Multisim circuit design, the components of MARX generator parameters and simulation results are studied. This topic is through the understanding of the high power pulse technology, using the Multisim software to design the basic circuit of MARX generator, then carries on the simulation, finally through the adjustment of the switch element parameters, such as design a set of MARX generator can generate high power pulse voltage.Key words：High Pulsed Power T MARX MultisimII理工大学学士学位论文目 录摘 要 .................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................................. II 1 绪论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 课题背景 ........................................................................................................................ 1 1.2 高功率脉冲技术研究意义及现状 ................................................................................ 1 1.3 本课题研究的主要内容 ................................................................................................ 2 2 马克思发生器相关理论 ...................................................................................................... 3 2.1 马克思发生器的概述 .................................................................................................... 3 2.2 马克思发生器的原理 .................................................................................................... 3 2.2.1 主要元件及其功用 ................................................................................................. 4 2.2.2 结构特点 ................................................................................................................. 6 2.2.3 建立时间 ................................................................................................................. 7 2.3 马克思发生器的充电过程分析 .................................................................................. 10 2.4 马克思发生器的放电过程分析 .................................................................................. 10 3 MULTISIM 简介 ............................................................................................................... 13 3.1 MULTISIM 的概述 ......................................................................................................... 13 3.1.1 MULTISIM 的主窗口界面 ...................................................................................... 13 3.1.2 菜单栏 ................................................................................................................... 13 3.1.3 工具栏 ................................................................................................................... 17 3.2 MULTISIM 对元器件的管理 ......................................................................................... 17 3.3 输入并编辑电路 .......................................................................................................... 18 3.3.1 设置 MULTISIM 的通用环境变量 ......................................................................... 18 3.3.2 取用元器件 ........................................................................................................... 19 3.3.3 将元器件连接成电路 ........................................................................................... 19 3.4 虚拟仪器及其使用 ...................................................................................................... 19 3.5 MULTISIM 的优势和特点 ............................................................................................. 20 3.5.1 MULTISIM 的特点 .................................................................................................. 21III理工大学学士学位论文3.5.2 MULTISIM 软件优势 .............................................................................................. 22 3.5.3 MULTISIM 附加功能 .............................................................................................. 23 4 基于 MULTISIM 的高功率脉冲 MARX 发生器 ............................................................. 24 4.1 元件选择与参数设定 .................................................................................................. 24 4.2 电路图设计 .................................................................................................................. 27 4.3 马克思发生器运行及结果仿真 .................................................................................. 27 4.3.1 发生器运行的电路变化 ....................................................................................... 27 4.3.2 仿真结果 ............................................................................................................... 28 4.4 结果分析 ...................................................................................................................... 29 4.5 其他实验电路图 .......................................................................................................... 30 4.5.1 理想马克思发生器电路图 ................................................................................... 30 4.5.2 场效应管马克思发生器电路图 ........................................................................... 31 致 谢 ........................................................................................................................................ 34 参考文献 .................................................................................................................................. 35 附 录 ........................................................................................................................................ 36 附录 A 英文原文 ............................................................................................................... 36 附录 B 中文翻译 ............................................................................................................... 47IV理工大学学士学位论文1 绪论1.1 课题背景利用 NI Multisim11 可实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与 实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调 试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与 实验；可方便的对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲 线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，元器件种类不受限制，成本低、速度快、 效率高；所设计的电路可直接在产品中使用。 对脉冲功率技术的研究，始于 20 世纪 30 年代的电容器放电产生 X 射线。1938 年， 美国人 Kingdon 和 Tanis 第一次发表了用高压脉冲电源放电产生微秒脉冲 X 射线的文章。 20 世纪 60 年代是脉冲功率技术迅猛发展并形成单独科学的黄金年代。由于对核爆 炸有关的效应模拟和粒子束惯性约束核聚变研究的需求，出现了脉冲功率领域中的强流 粒子束加速器，并得到飞速发展。 1962 年，英国原子武器研究中心的 J.C.Martin 把 Blumlein 线和 Marx 发生器结合起来，从而把脉宽从微量级压缩到纳秒级。 为了适应脉冲功率技术的发展，1976 年在美国举行了第一届 IEEE 脉冲功率技术国 际会议，在这次会上“脉冲功率”这个术语被认同。现在，各个先进工业国家的许多军 用和民用研究部门、高等学校都在积极地开展脉冲功率技术及其应用的研究。 脉冲功率技术经过半个多世纪的发展， 已经从高新技术、 国防科研领域逐渐向工业。 民用领域延伸。作为当代高新技术领域的重要组成部分，它的发展和应用与其他科学的 发展有着密切的关系。 总之，脉冲功率技术已经在科学研究、国防工业以及工业、民用等众多领域有着极 为重要的应用。脉冲技术是当前比较活跃的一门前沿科学技术，是高新技术研究的重要 技术基础之一，有着非常广泛的发展和应用前景。1.2 高功率脉冲技术研究意义及现状随着脉冲功率技术研究的不断深入，高功率脉冲技术被越来越多地应用在工业及民 用领域。在环境工程领域，已经出现脉冲电晕等离子体法净化废气技术、高压脉冲放电 废水处理、脉冲静电除尘、微生物灭菌消毒、制取臭氧等；在生物医疗领域，也出现了1理工大学学士学位论文体外冲击波碎石技术（ESWL） 、脉冲电磁场对生物培养基影响研究；其他领域还有矿井 物探和水下目标探测、对岩石钻孔、高速 X 射线水下摄影、工业辐射源、快速加热淬火 等[1]。 脉冲功率形成的过程是首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量，然后向中 间储能和脉冲形成系统注入能量，接着能量经过存储、压缩、形成脉冲或转化等某些复 杂过程之后最后快速释放给负载。而要形成功率大、脉冲前沿陡的电脉冲需解决三个关 键技术：初始能源储能技术、脉冲开关技术、脉冲大电流测量技术。而根据这三大关节 技术不难看出脉冲功率技术的发展趋势，即由单次脉冲向重复的高功率脉冲发展；研制 高储能密度的电源；探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关；积极开辟新的应用领 域。 作为当代高新技术研究的重要技术基础之一，脉冲功率技术的发展与应用与其他科 学的发展有着密切的联系。随之研究的不断深入，其相关研究成果将越来越多地转化到 生产应用领域[2]。1.3 本课题研究的主要内容在高功率脉冲技术中， MARX 发生器作为现阶段应用最广的第一储能器， 在相关领 域的研究中占有极其重要的位置。设计高功率脉冲 MARX 发生器首先应考虑的是选择 一种适合自身实现功能的电路设计及接线方式；而为实现其功能最基本的考虑则是选择 一组衔接良好、互感微弱、参数适中的电容、电阻及开关等元器件。最后通过周密的计 算和反复的实验整理出一组仿真结果放大效果明显，脉冲坡度陡峭的 MARX 发生器电 路。 本文将首先研究 MARX 发生器的组成、原理，然后对 MARX 发生器的充、放电过 程进行简要分析，最后对 MARX 发生器的参数测量和发展情况加以介绍。熟悉使用 Multisim 软件，对 MARX 发生器电路进行结果仿真，得到波形结果。2理工大学学士学位论文2 马克思发生器相关理论模拟信号经过信源编码得到的信号为数字基带信号，将这种信号经过码型变换，不 经过调制，直接送到信道传输，称为数字信号的基带传输。2.1 马克思发生器的概述马克思发生器（Marx Generator）是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置， 该结构由 E.Marx 于 1924 年提出，它能模仿雷电及操作过电压等过程。所以经常用于绝 缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等试验中。2.2 马克思发生器的原理马克思满足两个基本要求：即输出一定幅度（兆幅）的电压和具有一定时间宽度的 波形。在高功率脉冲技术中，还要求马克思发生器具有低电感，以缩短对传输线的充电 时间，减轻对传输线的绝缘要求。以下图这个简单的马克思发生器为例。充电 R R R R 输出V0触发C0SC0SC0SC0RRR图 2.1 马克思发生器的基本线路线路的工作原理可以简单地概括为： “电容器并联充电，串联放电” ，通常人们习惯 把马克思发生器由多个电容器组成定名为马克思发生器的级数。把每个电容量为 C0 的 电容器（总数为 n 个）通过充电电阻 R 并联充电到电压 V0，而后使所有开关 S（通常 充气火花间隙开关）接通，这些电容器就会全部串联起来，建立起电压幅值为 nV0 的高 压，并在负载上产生一定脉宽波形的高压脉冲。因为由并联充电变成串联放电，是靠火 花间隙开关来实现的， 所以开关放电同步的好坏， 就直接决定了发生器同步性能的好坏。 电阻 R 在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。 为了触发放电，第一个开关通常采用三电极结构，外触发脉冲加到触发电极上，其 余开关则因放电间隙上过压而相继击穿[3]。3理工大学学士学位论文2.2.1 主要元件及其功用 由图 2.1 可知，马克思线路的基本元件，除了充电直流电源、触发电源和负载以外， 主要元件是：高压电容器、火花间隙开关、充电电阻和接地电阻。 1、高压电容器 这类高压电容器中，对电容器的主要要求是：总储能大和储能密度高并且他的故有 电感小。因此要求马克思发生器对传输线的充电时间要小，因此马克思发生器电路必须 是低电感的，而电容器的电感又是回路电感的主要组成部分之一。同时，也希望电容器 的尺寸尽量小，质量要轻，因为外形尺寸太大时，也会给放电回路引入较大的电感。 电容放电时，实际为一衰减的 L-C 振荡电路，会出现反向电压和电流，在应用中不 能够超过允许的反向电压、电流值，使用时必须仔细设计。 电容器的直接短路放电，一般是不允许的。必须串入一个小电阻或小电感。因此， 在某些应用中还要专门考虑储能电容器的保护问题。已充电的发生器的电容器中储存有 大量的能量，如果某个电容器内部的绝缘体击穿，其他电容器的能量会泄放到有故障的 电容器当中去，能量又很大，使电容器中油迅速分解气化，在内部产生很大的压力，从 而使电容器有爆炸的危险。通常采用隔离间隙，串接入吸能电阻的方法对电容器进行保 护[4]。 2、火花间隙开关 早期马克思发生器的火花间隙开关大多采用空隙球，处于大气中，球的间隙距离可 以方便调节。并且把全部球隙至于同一垂线上，便于火花放电时产生紫外线或射线相互 照射，达到同步。脉冲功率技术中用的马克思发生器为了缩短火花隙的导通时间，通常 采用充气火花间隙开关。在一定的间隙距离下，利用改变充气压力，可以改变运行电压 的工作范围。利用火花间隙之间的电容耦合得到过电压，无需紫外线照射（有时还附加 上电阻触发） 。对于开关的主要要求是导通时间要短，工作稳定性要好，同步抖动要小。 常用的触发开关是三电级开关和场畸变开关。三电级开关简图见图 2.2，这是应用 比较广泛，而且结构简单的一种间隙开关。当外加触发脉冲到达触发针 Z 上后，引起针 和电极 G0 之间发生电火花，引起电极附近的电场畸变，加之光子照射，使主间隙形成 流柱，间隙迅速闭合[5]。4理工大学学士学位论文图 2.2 三电级开关简图三电级间隙的击穿过程可以分为两种：一种叫做短时间击穿过程，即大间隙 G1-G0 先击穿，小间隙 G0-Z 后击穿；一种叫做长时间击穿过程，即小间隙 G0-Z 先击穿，大 间隙 G1-G0 后击穿。 带中间平面的场畸变开关，如图 2.3 场畸变开关是利用场畸变原理来点燃间隙的。 触发电极处在两个球或圆柱电极之间的对称平面上，并取圆盘形式，中心开孔，保证电 场分布不因中间平面而改变。当外加触发脉冲到达后，中间平面道口边缘的电场分布发 生了严重畸变，引起间隙的一边导通。当一边导通后，整个间隙电压加在间隙的其余一 半上，整个间隙迅速导通[6]。图 2.3 带中间平面的场畸变开关5理工大学学士学位论文3、充电和接地电阻 马克思发生器中使用的充电电阻、 接地电阻、 触发电阻和限流电阻一般不影响波形， 对稳定性要求不高，而且阻值比较大，所以通常选用将 CuSO4 溶液盛入柔性塑料管中 做成水电阻，组织可调，管子两端配上封闭的铜或铝电极。这些电阻热容量较大，能够 耗散较大功率的热量，而且是柔性的，易于做到与等场强线相一致，以适应马克思发生 器电绝缘强度的要求。电阻值根据设计要求可用调配 CuSO4 水溶液的浓度达到。绝缘 管的长度决定于出现在它上面电位差和结构上的要求。绝缘管的直径与吸收的能量有 关。充电电阻除应能耐受充电电流引起的发热外，还要考虑同步不好时局部放电电流流 过充电电阻可能引起的升温；接地电阻在平衡充电情况下，几乎没有电流流过。 2.2.2 结构特点 早期电力系统用的马克思发生器大部分直接暴露在大气中，尺寸结构庞大。脉冲功 率技术中用的马克思发生器都是浸在变压器绝缘油或压缩气体中，结构比较紧凑。发生 器是靠电容器串联放电来获得高压的，每台电容器 1 有不同的电位，应当按照电位来把 电容器分布在相应的位置上。电容器相互之间、电容器和地之间都应保持一定的绝缘距 离。因此，电容器的排列形式常常是马克思发生器结构因素的中重要的决定因素。 对马克思结构设计总的要求如下： （1）电性能上要求绝缘可靠，不发生闪络或击穿事故。 （2）要是放电回路尽可能短，以减小电感。 （3）易于接近马克思发生器的各个部分，尤其是经常需要调节或更换的部件，以便于 维修时的操作。 （4）在保证绝缘的基础上，结构尽可能紧凑。 脉冲功率系统中发生器的主要结构有两种主要形式： 一种是排列， 电容器直立放置， 几个电容器组成一排，用尼龙夹把电容器固定在一起，如图 2.4 所示。火花间隙开关放 在电容器上部，充电电阻在排与排之间连接。另一种结构是组叠式，电容器横卧放置， 如图 2-5 所示：8 个电容器两叠用绝缘架组合在一起，四个火花间隙开关安装在横卧的 两叠电容器中间，充电电阻在组件内已连接好。6理工大学学士学位论文图 2.4 排式结构示意图图 2.5 卧式结构示意图2.2.3 建立时间 发生器从第一对触发间隙开关被触发点火后，到全部火花间隙击穿所需要的时间称 为马克思发生器的建立时间（或叫动作时间） 。发生器的建立，除与电容器的充电电压、 间隙工作电压、触发电压等有关之外，主要取决于系统每对间隙开关之间的杂散电容 Cg 和相邻排列每两对间隙开关之间的耦合电容 CR （CR＞＞Cg） ， 如果 A 点电位为 VA， 开关 S1 闭合以后，意味着 B 点电位为 VB=VA+2V0，式中 V0 是电容器的充电电压。由 电容分压加在 BD 之间的电压为VBD ? 2V 0[1 ? Cg ?t / R ( CR ?Cg ) ] e CR ? Cg（2.1）当 t=0，VBD ?2V 0CR CR ? Cg（2.2）耦合电容通过电阻 R 放电，时间常数约为 R（CR+Cg),当 t ? ? 给出间隙上电位差 趋近于 2V0。 因此， 如果 S2 调整在 V0&V&V0 不发生自击穿， 于是 S2 在过电压 VB=2V0 时自击穿。n=2 马克思发生器电路的特点是每两个火花间隙之间的耦合电容 CR 做的比 Cg 大得多，并且充电电阻和接地电阻也处在两个间隙之间。在 n=3 的马克思发生器中， 当前面的两个间隙被触发时，间隙电压达到 3V0 充电电压知道约为每个单间隙自击穿电 压的 1/3 时，马克思发生器仍能够建立。 高 n 的马克思发生器较易排除自击穿问题。但是与较简单的结构比较，建立时间趋 于很长。马克思发生器的自建立不总是最好的。在某些情况下，可以触发部分或全部火 花间隙，已获得短的建立时间和小的建立时间抖动。7理工大学学士学位论文实验研究了马克思发生器的几种排列线路，根据电容器和电阻的机械排列而定图 2.6 即 Z 型线路， 由电容器排列而成 Z 型， 此种线路火花间隙开关可以有较大的触发工作范围。图 2.6 Z 型线路马克思发生器电路图图 2.7 即 S 型线路，电容器排列成 S 型，可以得到较低的回路电感。图 2.7 S 型线路马克思发生器电路图图 2.8 叫做混合型线路，具有 S 型电容耦合和电阻触发两个特点，可以获得低的同 步时间抖动。不同线路，在开关杂散电容和极间耦合电容的分压作用影响下，加到开关 上的瞬间过电压是不一样的，要根据具体线路进行分析[7]。8理工大学学士学位论文图 2.8 混合型线路马克思发生器电路图有一种叫 L-C 型的马克思发生器，如图 2.9 此种发生器可以得到很低的电感。在这 种结构中，电容器被交替相反的极性充电，当开关闭合时，马克思发生器建立。在共振 的半周期内达到峰值电压，缺点是全部间隙在一定的时间接通，可能引起个别元件过电 压或震荡。一些小型水介质装置采用了此种电路[8]。图 2.9 L-C 型马克思发生器电路2.2.4 同步特点 马克思发生器由并联充电转变为串联放电是靠点火击穿第一级间隙或前几级间隙， 其余间隙靠自然过压而逐个击穿，产生输出高压，这个过程叫同步。通常用发生器建立 时间的分散性来表示同步的好坏。点火间隙通常用三电级或带中间平面的场畸变开关。 影响同步的主要因素是火花间隙放电的分散性，以及电路中由于寄生电容的影响，使得 某些环节自然过电压倍数β 降低。为了使发生器工作可靠，同步良好，要求过电压倍数9理工大学学士学位论文超过间隙放电的分散性范围，有人认为过压倍数β 不应低于 1.2 倍。 减少每个火花间隙放电电压分散性是改善同步性能，减少时间抖动的一个重要途 径。要克服同步不可靠的困难，有两种方法：一种是采用适当的回路布置，增加自然过 电压；一种是利用外触发来迫使间隙击穿，触发电压从已击穿的级上用电阻耦合引到高 的级上去。 对于马克思发生器同步时间抖动的要求，在多台并联运行时，或者对加速器产生的 电子束和 X 射线的应用有严格的时间同步要求时， 同步问题才显得比较突出。 一般发生 器的时间抖动为几百纳秒，近几年来上百级的发生器可以做到 50ns，甚至可以做到只有 10ns[9]。2.3 马克思发生器的充电过程分析虽然马克思发生器充电回路多种多样，但基本充电回路如图 2.10。电路一般缺点是 每个电容器的充电时间不一样，当首端电容器充满电时，末端的电容器还可能没充满。 为使电容器上充电比较均匀，一般选保护电阻 r 的阻值为 10 倍于充电电阻 R 的阻值。 保护电阻不仅起保护整流元件的作用，还起到均压充电的作用[10]。图 2.10 发生器充电回路2.4 马克思发生器的放电过程分析传统的马克思发生器，主要用于高压试验室中，他是研究雷电冲击绝缘耐压实验的 基础。马克思发生器的特征参数：级数 n，每级电容的电容量 C0，每级最大充电电压 V0，发生器的串联电容量 C=C0/n，发生器的标称输出电压 Vm=nV0，发生器的最大标称 储能 W=0.5CVm?=0.5nC0V0?。 描述一个马克思发生器时， 标称输出电压和标称储能是重 要指标，要决定实际输出电压幅值和波形时，还必须考虑到其他一些因素，如电阻，电10理工大学学士学位论文感及负载参数对电路放电过程的影响。 图 2.11 为简化了的马克思发生器五元件电路原理图。图 2.11 马克思发生器五元件原理图Cm 为发生器的串联电容； Vm 为发生器的标称电压； Rs 为发生器的串联电阻； Rf 为发生器的波前电阻； Rp 为发生器的放电电阻及波尾电阻； Cl 为发生器的负载电容及高压电极对地电容； Vc 为发生器的输出电压。列出电路方程，经整理后：d 2Vc dV c a ?b ? VC ? 0 2 dt dt（2.3）式中 a=CmCl(Rs+Rp+RsRf+RfRp) b=Cm(Rs+Rp)+Cl(Rf+Rp) 初始条件 t=0，Vc=0dVC VMRpCm ? dt a（2.4）利用特征方程求解：ap2 ? bp ? 1 ? 0（2.5）11理工大学学士学位论文b ?b? p1, 2 ? ? ? ? ? ? a 2 ?2?2（2.6）我们感兴趣的是 b*b＞4a，即电路中产生非周期震荡放电的情况，求解电路方程得到输 出电压为一双指数波形：p1 p 2 Vc(t ) ? VmCmRp p1? p 2 (e p1t ? e p 2t )（2.7）由 dVc(t ) ? 0 ，可求得 Vc（t）的最大值及其到达最大值的时间 tm ，分别为： dttm ? ?ln( p1 / p2)?/( p1 ? p2)（2.8）Vc max p1 p 2 ? C mR p ( e p 1 t m ? e p 2 t m ) ? ? c? s ? ? m Vm p1 ? p 2（2.9）此即发生器放电时的电压转换效率或称传输效率，令为 ? m ，式中放电回路领用系数：? c ? C mR p电压波利用系数：p1 p 2 p1 ? p 22 m（2.10）?s ? e p t ? e p t1m（2.11）因此，在一定电压波形条件下，为了获得最大的电压传输效率，应合理选择马克思 回路的形式及回路的最佳参数。 通常，我们还可以把发生器的输出电压用时间常数来表示，可写成Vc(t ) ? Vm.?m(e?t /?d ? e?t /?r )式中 ，波前时间常数（2.12）?r ? ?波尾时间常数1 p2（2.13）?d ? ?1 p1（2.14）通常一个实际电压波形的时间常数我们并不知道，但是我们可以通过波前时间（上 升时间）即电压从 0 上升到峰值的时间（规范定义为从 0.1 上升到 0.9 峰值的时间）和 波尾时间即电压从 0 上升至最大，再降到半峰值的时间来代替[11]。12理工大学学士学位论文3Multisim 简介Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具，适 用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。 它包含了电路原理图的图形输入、 电路硬件描 述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。3.1 Multisim 的概述软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般 Windows 应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。 3.1.1 Multisim 的主窗口界面 界面由多个区域构成：菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。 通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测 和分析。用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。 3.1.2 菜单栏 菜单栏位于界面的上方，通过菜单可以对 Multisim 的所有功能进行操作。不难看出 菜单中有一些与大多数 Windows 平台上的应用软件一致的功能选项， 如 File， Edit， View， Options，Help。此外，还有一些 EDA 软件专用的选项，如 Place，Simulation，Transfer 以及 Tool 等。 1、File File 菜单中包含了对文件和项目的基本操作以及打印等命令。 New 建立新文件 Open 打开文件 Close 关闭当前文件 Save 保存 Save As 另存为 New Project 建立新项目 Open Project 打开项目13理工大学学士学位论文Save Project 保存当前项目 Close Project 关闭项目 Version Control 版本管理 Print Circuit 打印电路 Print Report 打印报表 Print Instrument 打印仪表 Recent Files 最近编辑过的文件 Recent Project 最近编辑过的项目 Exit 退出 Multisim 2、Edit Edit 命令提供了类似于图形编辑软件的基本编辑功能，用于对电路图进行编辑。 Undo 撤消编辑 Cut 剪切 Copy 复制 Paste 粘贴 Delete 删除 Select All 全选 Flip Horizontal 将所选的元件左右翻转 Flip Vertical 将所选的元件上下翻转 90 ClockWise 将所选的元件顺时针 90 度旋转 90 ClockWiseCW 将所选的元件逆时针 90 度旋转 Component Properties 元器件属性 3、View 通过 View 菜单可以决定使用软件时的视图，对一些工具栏和窗口进行控制。 Toolbars 显示工具栏 Component Bars 显示元器件栏 Status Bars 显示状态栏 Show Simulation Error Log/Audit Trail 显示仿真错误记录信息窗口 Show XSpice Command Line Interface 显示 Xspice 命令窗口 Show Grapher 显示波形窗口14理工大学学士学位论文Show Simulate Switch 显示仿真开关 Show Grid 显示栅格 Show PageBounds 显示页边界 Show Title Block and Border 显示标题栏和图框 Zoom In 放大显示 Zoom Out 缩小显示 Find 查找 4、Place 通过 Place 命令输入电路图。 Place Component 放置元器件 Place Junction 放置连接点 Place Bus 放置总线 Place Input/Output 放置输入/出接口 Place Hierarchical Block 放置层次模块 Place Text 放置文字 Place Text Description Box 打开电路图描述窗口，编辑电路图描述文字 Replace Component 重新选择元器件替代当前选中的元器件 Place as Subcircuit 放置子电路 Replace by Subcircuit 重新选择子电路替代当前选中的子电路 5、Simulate 通过 Simulate 菜单执行仿真分析命令。 Run 执行仿真 Pause 暂停仿真 Default Instrument Settings 设置仪表的预置值 Digital Simulation Settings 设定数字仿真参数 Instruments 选用仪表（也可通过工具栏选择） Analyses 选用各项分析功能 Postprocess 启用后处理 VHDL Simulation 进行 VHDL 仿真 Auto Fault Option 自动设置故障选项15理工大学学士学位论文Global Component Tolerances 设置所有器件的误差 6、Transfer 菜单 Transfer 菜单提供的命令可以完成 Multisim 对其它 EDA 软件需要的文件格式的输出 Transfer to Ultiboard 将所设计的电路图转换为 Ultiboard（Multisim 中的电路板设计软件）的文件格式 Transfer to other PCB Layout 将所设计的电路图以其他电路板设计软件所支持的文件格式 Backannotate From Ultiboard 将在 Ultiboard 中所作的修改标记到正在编辑的电路中 Export Simulation Results to MathCAD 将仿真结果输出到 MathCAD Export Simulation Results to Excel 将仿真结果输出到 Excel Export Netlist 输出电路网表文件 7、Tools Tools 菜单主要针对元器件的编辑与管理的命令。 Create Components 新建元器件 Edit Components 编辑元器件 Copy Components 复制元器件 Delete Component 删除元器件 Database Management 启动元器件数据库管理器，进行数据库的编辑管理工作 Update Component 更新元器件 8、Options 通过 Option 菜单可以对软件的运行环境进行定制和设置。 Preference 设置操作环境 Modify Title Block 编辑标题栏 Simplified Version 设置简化版本 Global Restrictions 设定软件整体环境参数 Circuit Restrictions 设定编辑电路的环境参数16理工大学学士学位论文9、Help Help 菜单提供了对 Multisim 的在线帮助和辅助说明。 Multisim Help 在线帮助 Multisim Reference 参考文献 Release Note 发行申明 About Multisim 版本说明 3.1.3 工具栏 Multisim 2001 提供了多种工具栏， 并以层次化的模式加以管理， 用户可以通过 View 菜单中的选项方便地将顶层的工具栏打开或关闭，再通过顶层工具栏中的按钮来管理和 控制下层的工具栏。通过工具栏，用户可以方便直接地使用软件的各项功能。 顶层的工具栏有：Standard 工具栏、Design 工具栏、Zoom 工具栏，Simulation 工具栏。 1、Standard 工具栏包含了常见的文件操作和编辑操作。 2、Design 工具栏作为设计工具栏是 Multisim 的核心工具栏，通过对该工作栏按钮的操 作可以完成对电路从设计到分析的全部工作，其中的按钮可以直接开关下层的工具栏： Component 中的 Multisim Master 工具栏，Instrument 工具栏。 （1）作为元器件（Component）工具栏中的一项，可以在 Design 工具栏中通过按钮来 开关 Multisim Master 工具栏。该工具栏有 14 个按钮，每个每一个按钮都对应一类元器 件，其分类方式和 Multisim 元器件数据库中的分类相对应，通过按钮上图标就可大致清 楚该类元器件的类型。具体的内容可以从 Multisim 的在线文档中获取。 这个工具栏作为元器件的顶层工具栏，每一个按钮又可以开关下层的工具栏，下层工具 栏是对该类元器件更细致的分类工具栏。以第一个按钮 为例。通过这个按钮可以开关 电源和信号源类的 Sources 工具栏如下图所示： （2）Instruments 工具栏集中了 Multisim 为用户提供的所有虚拟仪器仪表，用户可以通 过按钮选择自己需要的仪器对电路进行观测。 3、用户可以通过 Zoom 工具栏方便地调整所编辑电路的视图大小。 4、Simulation 工具栏可以控制电路仿真的开始、结束和暂停。3.2 Multisim 对元器件的管理EDA 软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了该 EDA17理工大学学士学位论文软件的质量和易用性。Multisim 为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器 件，使得用户能够自己添加所需要的元器件。 Multisim 以库的形式管理元器件， 通过菜单 Tools/ Database Management 打开 Database Management（数据库管理）窗口（如下图所示） ，对元器件库进行管理。 在 Database Management 窗口中的 Daltabase 列表中有两个数据库：Multisim Master 和 User。其中 Multisim Master 库中存放的是软件为用户提供的元器件，User 是为用户 自建元器件准备的数据库。 用户对 Multisim Master 数据库中的元器件和表示方式没有编 辑权。当选中 Multisim Master 时，窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色。但用户 可以通过这个对话窗口中的 Button in Toolbar 显示框，查找库中不同类别器件在工具栏 中的表示方法。 据此用户可以通过选择 User 数据库，进而对自建元器件进行编辑管理。 在 Multisim Master 中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：一种是 与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不 仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到 Ultiboard 中 进行 PCB 的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用 户可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。它们 在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件的按 钮的图标与该类实际器件的图标形状相同， 但虚拟器件的按钮有底色， 而实际器件没有。 相同类型的实际元器件和虚拟元器件的按钮并排排列，并非所有的是元器件都设有 虚拟类的器件。3.3 输入并编辑电路输入电路图是分析和设计工作的第一步，用户从元器件库中选择需要的元器件放置 在电路图中并连接起来，为分析和仿真做准备。 3.3.1 设置 Multisim 的通用环境变量 为 了 适 应 不 同 的 需 求 和 用 户 习 惯 ， 用 户 可 以 用 菜 单 Option/Preferences 打 开 Preferences 对话窗口。通过该窗口的 6 个标签选项，用户可以就编辑界面颜色、电路尺 寸、缩放比例、自动存储时间等内容作相应的设置。18理工大学学士学位论文3.3.2取用元器件 取用元器件的方法有两种：从工具栏取用或从菜单取用。下面将以 74LS00 为例说明两种方法。 1、从工具栏取用：Design 工具栏&Multisim Master 工具栏&reg；TTL 工具栏&reg； 74LS 按钮。从 TTL 工具栏中选择 74LS 按钮打开这类器件的 Component Browser 窗口， 如下图所示。 其中包含的字段有 Database name （元器件数据库） ，Component Family （元 器件类型列表） ， Component Name List （元器件名细表） ， Manufacture Names （生产厂家） ， Model Level-ID（模型层次）等内容。 2、从菜单取用：通过 Place/ Place Component 命令打开 Component Browser 窗口。 3、选中相应的元器件 在 Component Family Name 中选择 74LS 系列，在 Component Name List 中选择 74LS00。单击 OK 按钮就可以选中 74LS00，出现如下备选窗口。7400 是四/二输入与非 门，在窗口种的 Section A/B/C/D 分别代表其中的一个与非门，用鼠标选中其中的一个 放置在电路图编辑窗口中。器件在电路图中显示的图形符号，用户可以在上面的 Component Browser 中的 Symbol 选项框中预览到。当器件放置到电路编辑窗口中后，用 户就可以进行移动、复制、粘贴等编辑工作了。 3.3.3 将元器件连接成电路 在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后，用鼠标就可以方便地将器件连接 起来。方法是：用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点。在 Multisim 中连线的 起点和终点不能悬空。3.4 虚拟仪器及其使用对电路进行仿真运行，通过对运行结果的分析，判断设计是否正确合理，是 EDA 软件的一项主要功能。 为此， Multisim 为用户提供了类型丰富的虚拟仪器， 可以从 Design 工具栏&Instruments 工具栏，或用菜单命令（Simulation/ instrument）选用这 11 种仪 表在选用后，各种虚拟仪表都以面板的方式显示在电路中。 下面将 11 种虚拟仪器的名称及表示方法总结如下表：19理工大学学士学位论文表 3.1 11 种虚拟仪器的名称及表示方法仪器名称 万用表 波形发生器 瓦特表 示波器 波特图图示仪 字元发生器 逻辑分析仪 逻辑转换仪 失真度分析仪 频谱仪 网络分析仪电路中的仪器符号 Multimeter Function Generator Wattermeter Oscilloscape Bode Plotter Word Generator Logic Analyzer Logic Converter Distortion Analyzer Spectrum Analyzer Network Analyzer注 1：该软件中用 ’ 代替 ― 表示反变量。 注 2：该软件没有异或符号，处理方式是将异或运算写成。 在电路中选用了相应的虚拟仪器后，将需要观测的电路点与虚拟仪器面板上的观测口相 连，可以用虚拟示波器同时观测电路中两点的波形。3.5 Multisim 的优势和特点Multisim 软 件 是 一 个 专 门 用 于 电 子 线 路 仿 真 与 设 计 的 EDA 工 具 软 件 。 作 为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设计环境。 Multisim 计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的 这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并 且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim 极大地提高了学员的学习 热情和积极性,真正的做到了变被动学习为主动学习 ――这些在教学活动中已经得到了 很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器技术对教员的教学也是一 个很好的提高和促进。美国 NI 公司提出的理念： “把实验室装进 PC 机中” “软件就是 仪器”20理工大学学士学位论文3.5.1 Multisim 的特点 （1）直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器 件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来， 软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实 仪器上看到的一样。图 3.1 图形界面（2）丰富的元器件库：Multisim 大大扩充了 EWB 的元器件库， 包括基本元件、半导 体器件、运算放大器、TTL 和 CMOS 数字 IC、DAC、ADC 及其他各种部件，且用户可 通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过 liT 公司网站或其代理商获得 元件模型的扩充和更新服务。 （3）丰富的测试仪器： 除 EWB 具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、 扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分 析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与 EWB 不同的是：所有仪器均可多台同时调用。21理工大学学士学位论文图3.2 示波器和万用表（4）完备的分析手段：除了 EWB 提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里 叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输 函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分 析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子 电路的分析设计要求。图 3.3 网络分析仪和频谱分析仪（5）强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行 数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、 提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。 3.5.2 Multisim 软件优势 （1）鼠标点击控制更易于使用 ● 单击拨动开关 ● 键区按钮 ● 用滑动条调节可变元器件的值 （2）改进的微控制器（MCU）仿真 ● MCU 和 SPICE 协仿真提高电路性能 ● 支持 C 语言和汇编语言 ● 新 2 色， 256 x 256 LCD22理工大学学士学位论文（3）会聚帮助（Convergence Assistant） ● 自动解决仿真错误 ● 不需要理解复杂的 SPICE 选项和设置 （4）数据的可视化与分析功能增强 ● 用新的电流探针仪器显示通过线路的瞬变电流 ● 强化的静态探针用于参考测量，可用作任何分析的数据输出 ● 初始条件在原理图中的显示，增强对仿真行为的理解 （5）元件库的质量和容量提高 ● 1200 多个新元器件和 500 多个新模块，来自美国模拟器件公司（Analog Devices） ， 德州仪器（Texas Instruments）和凌力尔特公司（Linear Technologies） ● 新的电源仿真模块，来自 Christophe Basso ―“Switch-Mode Power SupplySPICE Cookbook” 一书的作者 ● 无源器件功能加强：改变参数，如元件的公差、电阻、电容、电感的组合时，无需 重新替换元器件 ● 新的双极电压和电流源 ● 单一符号数字元器件 3.5.3 Multisim 附加功能 ● 交互式 SPICE 环境不需要复杂的语法 ● 3D 电路试验板环境允许学生在做实验前进行虚拟原型设计 ●“虚拟”仪器用于体现实际数据的副本 ● 设置个性化的电路测试题以检测学生的理解能力 ● 电路限制和错误隐藏可以用于故障检测教学 ● 用于控制理论的梯形图23理工大学学士学位论文4 基于 Multisim 的高功率脉冲 Marx 发生器4.1 元件选择与参数设定图 4.1 3000V 直流电压 V1图 4.2 10KΩ负载电阻 R8图 4.3 2KΩ回路电阻 R×15图 4.4 2000pF 电容 C×8图 4.5 时序开关 J×8开关选择 Basic 库→SWITCH→TD_SW1 的时序单刀双掷开关。步骤如图 4.6。24理工大学学士学位论文图 4.6 开关选取路径开关参数设置：鼠标右键开关→属性，进入调试页面如图 4.7。设置参数 TON=0msec， TOFF=10msec。图 4.7 开关参数设置页面25理工大学学士学位论文图 4.8 示波器示波器在显示器栏中选择，如图 4.9。图 4.9 示波器选择路径示波器参数设置：鼠标右键示波器→属性，进入调试页面如图 4.10。图 4.10 示波器参数设置页面26理工大学学士学位论文4.2 电路图设计为了使脉冲电压放大效果明显，我采用了 n=8 的 8 级 MARX 发生器的 Z 型电路设计， 减小了因无火花间隙开关而造成的对脉冲电压幅值的影响。电路图见图 4.11。图 4.11 MARX 发生器电路图4.3 马克思发生器运行及结果仿真4.3.1 发生器运行的电路变化 电路运行开始时，八个开关均处于断开状态。电路状态为 8 个电容器并联连接的充 电状态。如图 4.12 所示。27理工大学学士学位论文图 4.12 充电状态电路充电过程经过 10ms 时，时序开关闭合，充电过程结束。电路变成 8 个电容串联放 电电路。如图 4.13 所示。图 4.13 放电状态电路4.3.2仿真结果 开始仿真运行后点击示波器，观察波形如图 4-14。28理工大学学士学位论文图 4.14 仿真波形图4.4 结果分析通过观察发现，在 10ms 处产生瞬时脉冲信号，幅值约为 8KV。一定程度上实现了马 克思发生器的功能,产生了高功率脉冲电压。 但设计仍存在以下不足： （1）脉冲电压幅度小于理论值。 （2）脉冲电压坡度不够陡峭。 （3）出现微弱互感现象。 原因分析： 由于 Multisim 11 元件库元件不足，在电源、继电器的选择上始终无法达到完美。 然而对结果影响最大的因素即是没有合适的火花间隙开关这一元件，经过反复试验，并 没有发现有特别好的替代品可以完成其功能。29理工大学学士学位论文4.5 其他实验电路图4.5.1 理想马克思发生器电路图图 4.15 理想马克思发生器电路图仿真结果：图 4.16 仿真结果图30理工大学学士学位论文分析：这是通过实物检验的理想变压器电路图，实物中可以产生约 14 厘米的电弧，两 端电压约为 40KV 左右。但在仿真过程中，因为开关原因，并没有达到相继击穿的效果 达到联通的目的，故电路显示为断路，仿真失败。 4.5.2 场效应管马克思发生器电路图图 4.17 场效应管马克思发生器电路图仿真结果：图 4.18 仿真结果图31理工大学学士学位论文分析：因为器件原因我选择了一种回避开关元件限制的电路设计，通过场效应管来实现 击穿放电使电容串联。但效果同样不理想，电路导通后依旧不稳定，仿真失败。32理工大学学士学位论文结 论通过四个月的学习和研究， 本题目高功率脉冲 MARX 发生器的设计已经顺利完成。 经过设计，分析的结果均能实现基本要求。在 Multisim 电路绘制、仿真运行和结果 分析等方面进行了学习和调试。首先，对高功率脉冲技术的发展、现状及应用进行了一 个比较宏观的了解。然后，对马克思发生器的原理、性能进行了深入的研究，通过比较 各种电路构成的优缺点和各元件的选择对结果的影响，充分思考权衡，力争将误差减小 到最小。最后反复进行试验验证，得出一组结果最为明显的数据，用 Multisim 中示波器 观察其产生脉冲的强度和波形。最后我对结果出现的波形与理想波形进行了比对，通过 查资料了解了消除互感等干扰的基本理论，但理想状态很难达到。 综上所述，本人较圆满地完成了毕业设计课题所要求的内容，达到了预期的目的。33理工大学学士学位论文致 谢让人铭记的大学生活随着毕业设计的完成也接近了尾声。在这一个学期里，从选题 到设计再到最终完成，所经历的绝不只是一个设计那么简单。在这个过程中，有工作的 艰辛，有勤劳的汗水，有失败的迷茫，也有成功的喜悦。 在整个设计过程中，很多人给予了我帮助。首先要感谢我的指导教师老师。正是他 在资料上给予我极大的支持，在技术上提供我无私的帮助，情感上提醒我不要懈怠，不 能放弃，才使我圆满完成了毕业设计。我在这里衷心地对孟老师说一句：谢谢！老师您 辛苦了！ 同时在这里还要感谢其他给我支持、 鼓励和帮助的老师和同学们。 美好的大学生活， 充实的毕业设计，并肩的师生情谊，这些对我未来的工作、学习和生活都将产生极为深 刻的影响，我必将带着我在毕业设计中所学的知识，培养出的不服输不放弃的攻坚克难 精神走向我的工作岗位， 为社会创造更大的价值， 不辜负母校的殷切期望， 为母校争光！34理工大学学士学位论文参考文献[1] 曾正中,实用脉冲功率技术引论[M].西安:陕西科学技术出版社,. 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The current photoelectric hybrid current transformer has entered practical phase of the study, the use of advanced electronic and optical techniques, both for the hybrid optoelectronic current transformer development or promotion is very important. Practice has proved that, using this design method in hybrid optoelectronic current transformer reliable work, high integration degree, effectively solved the high end and low end of insulation and other issues, to overcome the traditional electromagnetic current transformer faults, so hybrid optoelectronic current transformer in substation automation system widely used accumulation the experience. 1hybrid optoelectronic current transformer classification Photoelectric current mutual inductor can be divided into passive and active type two categories, the former based on optical sensing technology, is generally based on the Faraday ( Faraday ) effect of magneto optical transformation principle, this type of transformer direct light information transformation and transmission, and high voltage circuit are completely isolated, with no electromagnetic interference, measurement range, response frequency bandwidth, volume and convenient digital transmission and the like, which is characterized in the high side portion without power supply, it is called passive electronic the latter is based on the electromagnetic induction principle, such as the use of no core Rogoswki coils, this kind of electronic current transformer and the conventional current transformer are similar, but the volume of small, transient response, high reliability, and can be directly to the analog output signal is digitized, can also be used after the technology of optical fiber to transmit information, this greatly simplified the transformer insulation structure, applicable to high voltage system, this kind of electronic current transformer is36理工大学学士学位论文characterized by high voltage side of the electronic circuit, need to have the power to the power. It is known as the active electronic current transformer. (1) passive type optical current transformer and its structure working principle The so-called passive photoelectric current transformer is the sensing head portion does not need power supply of electronic current transformer. Its basic principle is to use the principle of light transmission. The light in the process of communication, if the perpendicular to the direction of propagation of the light plane, the light vector along a fixed direction vibration, we call this light is linearly polarized. The magnetic field can make originally not having optically active substance producing optical. When a beam of linearly polarized light passes through without rotating media, if the medium along the light propagation direction by applying a magnetic field, light passes through the medium, light vibration surface will turn an angle, this phenomenon is known as the Faraday effect and Faraday effect. For a given medium, vibration plane angle and medium length L and the strength of the magnetic field is proportional to H, i.e. the proportional coefficient v = VHL, called the Verdet constant (Verdet ), the medium and the wavelength decided. Faraday effect in the direction of rotation only magnetic field direction with respect to the direction of light propagation, and is independent of the inverse, Faraday phenomenon and crystal natural phenomenon of rotation is different. Beam back and forth through natural rotation of material, because the angle of rotation in opposite directions and equal offset each other, but through the magneto-optic medium, as long as the direction of the magnetic field is constant, rotational angle in a direction toward increased, therefore, magnetic rotation effect is an irreversible optical process.37理工大学学士学位论文Magneto optical Faraday effect principle diagramThe present study more practical, a higher degree of passive type ECT is based on the Faraday magneto-optic effect current transformer. When a beam of polarized light through placed in a magnetic field in Faraday optical material, if the direction of the magnetic field and the direction of propagation of the light rays are parallel, the plane of polarization of the polarized light will produce a rotating magnetic field generated by the current signal, the signal is modulated polarized wave.Based on the Faraday magneto-optic effect of passive photoelectric current transformer schematic. (2) the active electronic current transformer principle and structure At present, more mature research and put into operation of substation is the main active electronic transformer, applications are mainly HVDC gas insulated switchgear ( GIS, SF6) and low voltage switch cabinet. Passive electronic transformer due to its first side optical current, voltage sensor manufacturing complex, stability and consistency can be controlled easily, so the active electronic current transformer is decided by the characteristics of it in the practical road edge. Active type and can be called a hybrid, a hybrid optoelectronic current transformer is a kind of traditional current sensor based on principle, the use of active devices modulation technique and optical fiber transmission technology of electronic current transformer. It uses the electromagnetic CT, shunt or Rogowski coil and the measured current proportional to the signal, through conversion, using fiber optical signals are transmitted to the low pressure side, then through the photoelectric conversion signal into the combined unit for the two device using the. Because of the need working power supply circuit, it is called active photoelectric current mutual inductor.38理工大学学士学位论文Active photoelectric current transformer structureActive photoelectric current mutual inductor has the advantages of simple structure, good long-term operating stability, easy to form a high precision, stable performance of the utility of industrial products. Which based on the Rogowski loop principle active OECT because of its large measurement range, good linearity, no magnetic saturation has become a research hotspot. The current mutual inductor both the use of optical fiber system provides high insulation advantages, can significantly reduce the current transformer manufacturing cost, volume and weight, and give full play to the power system wide acceptance of the traditional CT measuring device of the advantage, but also avoid the passive OECT sensing head light path complexity and full optical fiber sensor head for linear birefringence, glass block total reflection phase difference and other technical difficulties, is the current domestic and foreign research mainstream. But the active OECT because of the high pressure side of the signal processing circuit, so there must be a stable power supply system to work properly, all of these have yet to be studied further. Active OECT is mainly composed of a sensing head, high side data collection unit, a signal transmission system, low voltage side unit, high side power supply system. 2hybrid optoelectronic current transformer &#39;s structure and principle On the electronic current transformer (including hybrid optoelectronic current transformer), the International Electrotechnical Commission has formulated the corresponding international standards, standards mentioned in: electronic transformer is a connected to the transmission system and the two converter of one or more current or voltage sensor, is used to39理工大学学士学位论文transfer proportional to the measured quantity, measuring instruments, instrument supply and relay protection and control device. 2.1 hybrid optoelectronic current transformer structure According to the International Electrotechnical Commission raised the standards of IEC6O044-8, a current sensor produces a signal corresponding to the terminal via the current, it is a kind of electrical, electronic, optical or other device. A converter converts from a current sensor and converted into signals suitable for transmission system signal. Transmission system for a component and a two component for transmitting signals between short or long distance coupling device. According to the technique used, can also be used to transmit power transmission system. The two converter will come from the transmission system and converted into signals proportional to a current supply terminal signal, measuring instrument, instrument and relay protection and control device. For analog output type ECT converter, two direct supply measurement apparatus, instrumentation and relay protection and control device. The digital output of electronic transformer, two converter is usually connected to the merging unit and then output to the two device. Single phase electronic type current transformer structure2.2 hybrid optoelectronic current transformer sensing head (1) the Rogowski coil overview Hybrid optoelectronic current transformer sensing head part of the design is directly related to the mutual inductor sample data reliability and precision of the whole system, is one of the core components. Electronic current transformer using Rogowski ( Luo Kefu Pinsky ) coil, it has higher measuring precision, wide dynamic range, low manufacturing cost and other advantages. Based on the Rogowski coil is the main body of a wire is uniformly and40理工大学学士学位论文densely wound around an annular prismatic non-magnetic skeleton and the formation of the hollow inductance coil, measured from the center of the coil voltage and current through the coil, to generate induced electromotive force. Because the coil without iron core, the output voltage value is very small, can be directly input into the microcomputer system. (2) the structure and principle of Rogowski coil Rogowski coil can be designed into a circular, rectangular, pincer shapes. Measuring wire evenly around the uniform cross-section of the non-magnetic material frame, form the Rogowski coil. As a result of electronic current transformer must be satisfied at the same time measurement, protection, so the use of two Rogowski coil for a measuring channel, one for the protection channel. Below is the electronic current transformer using Rogowski coil current measurement schematic diagram, the output voltage e is proportional to the measured current rate of change:Type is M bus between the transformer coil, the measured current signal I can be expressed asKnown to be measured, a current signal, must be on the Rogowski coil two output voltage signal integration. Rogowski coil output signals are usually weak, susceptible to interference from external electromagnetic field. For this, answer coils are shielded, output signal shielded twisted pair extraction.41理工大学学士学位论文Rogowski coil principle diagramIn the graph, using Rogowski coil current is measured, the measured current from the center of the coil through, by electromagnetic induction principle that: any of a time-varying current I ( T ) is always accompanied by a time-varying magnetic field ring chain, the magnetic field is generated in the coil EMF e ( T ), potential e (T) and the rate of change of the current name is di / dt proportional to:According to ampere current law, the magnetic field strength, magnetic induction intensity. By the law of electromagnetic induction to:For a graph 2.8A with rectangular section in the Rogowski coil, a magnetic fluxTotalflux, induced electromotive forceThe derivation of the coil, Rogowski output voltage and Rogowski through the coil carrier fluid is directly proportional to the current flowing in the derivative, namely Rogowski coil output voltage and current to be measured into differential relationship, need an integrator for reducing current signal phase correction. (3) the Rogowski coil circuit analysis42理工大学学士学位论文Figure 2.10 is the Rogowski coil application circuit direct load equivalent circuit. In the graph, e (T) for the induction coil voltage coil winding resistance, R0, R is the coil load resistor, L self inductance coil. Let u (T) for coil output voltage,Rogowski coil circuit diagramThe analysis shows that, figure 2.10 shows the Rogowski coil circuit signal output circuit not only with the intrinsic time constant, but also with the measured input signal properties (steady state current, transient current) about. Therefore, in order to meet the different requirements of current measurement, when two measured the spectrum of the input signal appear some differences of the structure of Rogowski measurement, the time constant circuit should also be different, namely Rogowski measurement circuit structure is different. 3hybrid optoelectronic current transformer power supply mode Because the transformer low voltage high, no electric contact, therefore, to the high pressure side of the electronic device power supply becomes a key technology of measuring system. Power supply usually have three ways: directly from the bus for energy (small power CT); adopting the solar (solar powered); from the ground energy in the form of light emission to the high pressure side (laser power supply).43理工大学学士学位论文(1) the bus take energy program (referred to as CT power supply scheme): take buscurrent as an energy source, through an annular iron core coil (CT) from bus induction energy, after rectification, filtering after setting for DC voltage, for the electronic circuit provides working power. This scheme has low cost, but there are no load or reclosing when the normal power supply faults, but there are still some such as electromagnetic shielding, anti-surge measures, small CT in most cases needed to work in the saturated zone and other technical problems need to be solved carefully. At the same time, in the DC transmission cannot be directly from the high voltage bus access to energy. Can bus and schematic diagram (2) the solar battery power supply scheme: Based on photovoltaic effect of solar cell is the basic structure of PN junction. The output characteristics of the solar cell with the light intensity, temperature and other external conditions change. Using silicon solar cell as power supply, generally including silicon solar battery, storage battery and control box3 parts. Because silicon solar cells only in light to electricity, do not have the ability to save electric energy, in order to obtain a stable power output, to ensure uninterrupted power to the load, need for batteries and solar cells connected in parallel, in the sun for a silicon battery power to the load, the face of a battery charging, on a cloudy day or night the battery power to the load. This programme is that can not see the sun, in cloudy day and night of silicon solar cell can supply power to the load, but must rely on batteries. So the battery whether to load the long-term stability of the power supply, the power system stability has a great influence on. The battery performance is affected by temperature, which makes the whole power supply system can work stably for a long time44理工大学学士学位论文this must be long-term stable operation in the outdoor high voltage end of the transformer is not allowed.(3)laser power supply scheme using ground of the laser source, the light through theoptical fiber to the high side, at the side of high voltage converting light energy into electric energy, and the power supply related function modules. This is a kind of new power supply mode, the utility model has the advantages of energy in the form of light in transmittedthrough the optical fiber, fully implement high, low-voltage electrical isolation, not subject to electromagnetic interference and power fluctuations, is stable and reliable with low noise. Long-term safe, reliable power supply, and is beneficial for the power system to the optical fiber, digital, networked direction. In recent years due to the rapid development of optoelectronic technology, high power semiconductor laser and the photoelectric conversion device achieves very high index, and the cost is reduced ceaselessly, make this scheme completely replace the traditional bus power supply ways become possible. Schematic diagram of laser power supply 3.1the special coil for the photoelectric current transformer structure The power supply part is the core part of the system of. Because of this the photoelectric current transformer sensing head is installed at a high potential side, and completely by an electronic circuit, so there must be corresponding to the power supplied to the sensor head of electronic circuit.45理工大学学士学位论文In the above system, special coil, a current-limiting resistor, a rectification filtering device, over voltage protection, energy release circuit, voltage monitor and protection circuit and DC-DC converter constitute the system of power supply section. Among them, special coil from bus induction AC power, after the rectifier, by DC-DC converter to generate + 5V and + 12V group two power provided to the output stage circuit. Voltage monitor and protection circuit is mainly composed of the relay control rectifying voltage value, if the voltage value exceeds the monitoring values, starting protective circuit of the relay, the front end of the release of energy, to reduce the effect of voltage protection circuit.46理工大学学士学位论文附录 B 中文翻译脉冲功率测试技术 ――光电电流互感器原理及应用电流互感器作为电力系统中的重要设备， 对电力系统的正常运行和电力的精确计量 有非常重要的作用。目前光电混合式电流互感器己进入实用化研究阶段，采用先进的电 子和光学技术， 无论对于光电混合式电流互感器的研制还是推广都非常重要。 实践证明， 采用这种方法设计的光电混合式电流互感器工作可靠、集成度高，有效的解决了高压端 与低压端间的绝缘等问题，能够克服传统电磁式电流互感器的缺点，因此为光电混合式 电流互感器在变电站自动化系统中的广泛应用积累了经验。1光电混合式电流互感器的分类光电式电流互感器可分为无源型和有源型两大类，前者基于光学传感技术，一般是基于法拉第(Faraday)效应等磁光变换原理，这类互感器直接用光进行信息变换和传输， 与高电压电路完全隔离，具有不受电磁干扰，测量范围大，响应频带宽，体积及便于数 字传输等优点，其特点是在高压侧部分无需电源，故称为无源电子式电流互感器 ;后者 基于电磁感应原理，如采用无铁心的 Rogoswki 线圈，这类电子式电流互感器与常规电 流互感器较相似，但体积小，暂态响应好，可靠性高，可以直接以模拟量形式输出，也 可将信号数字化后用光纤技术进行信息传送，这样大大简化了互感器的绝缘结构，适用 于高电压系统，这类电子式电流互感器的特点是高压侧有电子电路，需要有电源对其供 电。故称为有源电子式电流互感器。 无源型光电电流互感器的工作原理及其结构 所谓无源型光电电流互感器乃是传感头部分不需要供电电源的电子式电流互感器。 其基本原理是利用了光的传播原理。光在传播过程中，如果在垂直于光传播方向的平面 内，光矢量始终沿一个固定的方向振动，就称这种光为线偏振光。磁场能使本来不具有 旋光性的物质产生旋光性。即当一束线偏振光穿过无旋性介质时，如果在介质中沿}