具体实施方式

下面结合附图，说明本发明各部分电路的具体结构和工作原理。附图中所标参数为各实施例的优选电路参数。

实施例1系统整体结构

如图1所示，系统结构有单片机模块1、高压储能模块2、脉宽调节模块3、脉冲驱动模块4、调制输入模块5、脉冲显示模块6、指示灯驱动模块7、按键输入模块8、前面板9、脉冲峰值电压检测模块10、脉冲宽度检测模块11、检波模块12、带通滤波模块13和脉冲频率检测模块14。

实施例2单片机模块

如图2所示，所述的单片机模块1的结构为，单片机U1的端口VCC和端口GND分别接+5V电源和数字地,VCC通过电容C1、电容C2接地，电平转换芯片U2的端口VCC和端口GND分别接+5V电源和数字地，端口VDD通过电容C3接+5V电源，端口VEE通过电容C4接数字地，端口C2+和端口C2-之间接电容C5，端口C1+和端口C1-之间接电容C6，端口T1IN和端口R1OUT分别接单片机U1的端口RXD和端口TXD，端口R1IN和端口T1OUT分别接D形接口J3的3脚和2脚，D形接口J3的5脚接数字地，所述的单片机U1的型号是STC15W408S，电平转换芯片U2的型号是MAX232，D形接口J3是一个9针D形接口；

单片机模块1负责整个系统的控制工作，包括接收按键输入状态；控制前面板上指示灯状态；控制内调制和外调制输入工作状态；显示当前输出脉冲参数；读取脉冲峰值电压检测模块测得的峰值电压；根据测得的峰值电压自适应调节脉冲宽度检测模块H_Vpulse端口脉冲电压信号的衰减幅度，使L_Vpulse端口脉冲电压信号的高电平等于5V；读取检波模块输出的代表高压脉冲源输出脉冲电压信号脉宽的直流电压；根据脉冲频率检测模块提供的定时器T0中断，自适应调节分频倍数，并计算高压脉冲源输出脉冲电压信号的重复频率；根据测得的输出脉冲电压信号的峰值电压、重复频率和脉宽，对高压脉冲源的输出脉冲电压信号进行校正，形成闭环控制，确保高压脉冲源输出脉冲电压信号的峰值电压、重复频率和脉宽与设定值保持一致(注：当高压脉冲源工作在内部调制模式时对重复频率有闭环控制，当高压脉冲源工作在外部调制模式时对重复频率不采用闭环控制)；完成单片机与上位机电脑之间的数据通信的功能。

实施例3高压储能模块

如图3所示，所述的高压储能模块2的结构为，开关控制芯片U3的端口GND接模拟地，端口VCC接+12V电源、通过电阻R2接端口SWC并通过电容C7接模拟地，端口SWE接N沟道场效应管Q1的栅极并通过电阻R4接模拟地，端口TCAP通过电容C8接模拟地，端口IPK接脉冲变压器T1的初级线圈的同名端、通过电阻R3接端口DRVC并通过电阻R1接+12V电源，脉冲变压器T1的初级线圈的另一端接N沟道场效应管Q1的漏极，N沟道场效应管Q1的源极接模拟地，开关控制芯片U3的端口-V IN接数字电位器U4的端口W并通过电阻R5接模拟地，数字电位器U4的端口VDD和端口GND分别接+5V电源和数字地，端口ADDR和端口VSS分别接+5V电源和数字地，端口EXT_CAP通过电容C9接数字地，端口SCL通过电阻R9接单片机U1的端口P20，端口SDA通过电阻R8接单片机U1的端口P21，端口通过电阻R7接+5V电源，脉冲变压器T1的次级线圈的同名端作为高压储能模块2的第一个输出端记为端口H_Vdc接肖特基二极管D1的正极并通过电阻R6接数字电位器U4的端口A，脉冲变压器T1的次级线圈的另一端接模拟地，肖特基二极管D1的负极作为高压储能模块2的第二个输出端记为端口H_Vpulse并通过相互并联的电容C10、C11、C12、C13和C14接模拟地，所述的开关控制芯片U3的型号是MC34063，数字电位器U4的型号是AD5272BRMZ-100；

高压储能模块2根据开关控制芯片U3的端口SWE输出的开关信号控制N沟道场效应管Q1的导通和关断，当Q1导通时开始在脉冲变压器T1的初级线圈上储存能量，当Q1关断时脉冲变压器T1将能量耦合到次级线圈上并将该储存的能量传入电容C10～电容C14中，如此往复，电容中的能量越来越大，端口H_Vdc上的电压就越来越高，为了将端口H_Vdc上的电压限制在一固定的值，引入了一个反馈，将该电压经数字电位器U4+电阻R6和电阻R5分压后输入开关控制芯片U3的端口-V IN，在开关控制芯片U3的内部与一标准1.25V参考电压相比较，当分压后的电压小于1.25V时Q1处于开关工作状态，使端口H_Vdc上的电压不断增加，一旦分压后的电压大于1.25V，Q1将一直处于导通状态，从而使端口H_Vdc上的电压不再上升，最终端口H_Vdc输出的电压值为：

由上式可知，端口H_Vdc上的输出电压取决于数字电位器U4的阻值，因此可以通过单片机U1控制数字电位器U4的阻值大小来调节高压储能模块2的输出电压，另外由于端口H_Vdc上的电压在开机后是逐渐增加的，因此输出脉冲的峰值电压会从0平缓上升到设定值，从而实现上电冲击保护功能。

实施例4按键输入模块

如图9所示，所述的按键输入模块8的结构为，反相施密特触发器U11A的输入端通过电阻R31接插座J5的1脚、通过电阻R30接+5V电源并通过电容C22接数字地，输出端接单片机U1的端口P15，反相施密特触发器U11B的输入端通过电阻R33接插座J5的2脚、通过电阻R32接+5V电源并通过电容C23接数字地，输出端接单片机U1的端口P16，反相施密特触发器U11C的输入端通过电阻R35接插座J5的3脚、通过电阻R34接+5V电源并通过电容C24接数字地，输出端作为按键输入模块8的一个输出端记为端口Enable，反相施密特触发器U11D的输入端通过电阻R37接插座J5的4脚、通过电阻R36接+5V电源并通过电容C25接数字地，输出端接单片机U1的端口INT0，反相施密特触发器U11E的输入端通过电阻R39接插座J5的5脚、通过电阻R38接+5V电源并通过电容C26接数字地，输出端接单片机U1的端口INT1；

按键输入模块8通过插座J5分别与前面板9上的输出控制开关908、脉冲参数选择按钮905、参数调节旋钮906和工作模式按钮912相连，将相应的开关状态转化为高低电平输出到端口Enable、单片机U1的端口P06、端口INT0、端口INT1和端口P07。

实施例5调制输入模块

如图6所示，所述的调制输入模块5的结构为，单片机U1的端口P25接N沟道场效应管Q3的栅极，N沟道场效应管Q3的源极接模拟地，漏极接继电器K1的5脚，继电器K1的4脚接+12V电源，3脚接单片机U1的端口P24，1脚作为调制输入模块5的输出端记为端口Pulse_Orig，2脚接肖特基二极管D6的正极、肖特基二极管D7的负极并通过电阻R18接运放U9A的输出端，肖特基二极管D6的负极接+5V电源，肖特基二极管D7的正极接数字地，运放U9A的同相输入端通过电阻R17接运放U9A的输出端并通过电阻R16接数字地，反相输入端接肖特基二极管D4的正极、肖特基二极管D5的负极并通过电阻R15接插座J2的1脚，肖特基二极管D4的负极接+5V电源，肖特基二极管D5的正极接数字地，插座J2的2脚接数字地；

调制输入模块5根据单片机U1的端口P25输入的高低电平，决定端口Pulse_Orig上输出的波形来自于单片机U1的端口P24还是插座J2的1脚(外部调制信号经前面板9上的调制输入端口909接入插座J2)，从而实现内部调制和外部调制两种工作模式的转换。

实施例6脉宽调节模块

如图4所示，所述的脉宽调节模块3的结构为，D触发器U5A的端口D接按键输入模块8的端口Enable，端口CLK接调制输入模块5的端口Pulse_Orig，端口CLR接+5V电源，端口作为脉宽调节模块3的输出端记为端口Pulse_LC，端口PR接数字电位器U6的端口A并通过电容C15接数字地，端口Q接电位器W1的抽头端，电位器W1的一个固定端接数字电位器U6的端口W，数字电位器U6的端口VDD和端口GND分别接+5V电源和数字地，端口ADDR和端口VSS分别接+5V电源和数字地，端口EXT_CAP通过电容C16接数字地，端口SCL通过电阻R12接单片机U1的端口P22，端口SDA通过电阻R11接单片机U1的端口P23，端口通过电阻R10接+5V电源，所述的数字电位器U6的型号是AD5272BRMZ-50；

脉宽调节模块3的作用是将调制输入模块5的端口Pulse_Orig输出的一定频率的方波调整为相同频率、脉宽可调的信号，并将该信号在端口Pulse_LC上输出，可以通过单片机U1控制数字电位器U6的阻值大小来调节该模块输出脉冲信号的脉宽；从端口Enable输入的使能信号控制脉宽调节模块3是否输出脉冲，使能信号为低电平时允许模块正常输出脉冲，使能信号为高电平时脉宽调节模块3的输出恒为低电平。

实施例7脉冲驱动模块

如图5所示，所述的脉冲驱动模块4的结构为，电位器W2的抽头端接脉宽调节模块3的端口Pulse_LC，电位器W2的一个固定端通过电容C19接模拟地并接MOSFET驱动芯片U7的端口IN A和端口IN B，MOSFET驱动芯片U7的端口VCC和端口GND分别接+12V电源和模拟地，端口EN A和EN B接+12V电源并通过相互并联的电容C17和电容C18接模拟地，端口OUT A和端口OUT B接二极管D2的正极并接PNP三极管Q2的基极，PNP三极管Q2的集电极接模拟地，二极管D2的负极接二极管D3的正极，二极管D3的负极接PNP三极管Q2的射极并接电阻R13和电容C20的一端，电阻R13和电容C20的另一端接在一起后接高速MOSFET芯片U8的端口G并通过电阻R14接模拟地，高速MOSFET芯片U8的1脚、3脚、4脚和6脚接在一起后接地，高速MOSFET芯片U8的端口D接插座J1的2脚，插座J1的1脚接端口H_Vpulse；

脉冲驱动模块4的作用是利用Pulse_LC输入的电压脉冲信号控制高速MOS管U8的开启和关断，U8关断时插座J1两端电压为0，U8开启时插座J1两端电压由端口H_Vdc的电压大小决定，从而在插座J1处形成脉冲电压信号。该脉冲电压信号经插座J1连接前面板9上的负载端口914。

实施例8脉冲显示模块

如图7所示，所述的脉冲显示模块6的结构为，显示屏U10的端口D0～端口D7分别接单片机U1的端口P10～端口P17，端口EN、端口W/R和端口RS分别接单片机U1的端口P26、端口和端口端口VL和端口BL-接数字地，端口BL+接电位器W3的抽头端，端口VDD接+5V电源并通过电容C21接数字地，端口VSS接数字地，电位器W3的一个固定端接+5V电源，所述的显示屏U10的型号为LCD1602；

显示屏U10位于前面板9上，是一个16*2的集成液晶显示屏，由单片机U1控制，用于显示系统工作参数。

实施例9指示灯驱动模块

如图8所示，所述的指示灯驱动模块7的结构为，N沟道场效应管Q4的栅极通过电阻R20接单片机U1的端口P10，源极接数字地，漏极通过电阻R19接插座J4的1脚，N沟道场效应管Q5的栅极通过电阻R22接单片机U1的端口P11，源极接数字地，漏极通过电阻R21接插座J4的2脚，N沟道场效应管Q6的栅极通过电阻R24接单片机U1的端口P12，源极接数字地，漏极通过电阻R23接插座J4的3脚，P沟道场效应管Q7的栅极通过电阻R26接按键输入模块8的端口Enable，源极接+5V电源，漏极通过电阻R25接插座J4的4脚；N沟道场效应管Q8的栅极接P沟道场效应管Q9的栅极并通过电阻R29接单片机U1的端口P25，源极接数字地，漏极通过电阻R27接插座J4的5脚，P沟道场效应管Q9的源极接+5V电源，漏极通过电阻R28接插座J4的6脚；

指示灯驱动模块7的作用为根据端口Enable和单片机的端口P03、端口P04、端口P05、端口P25的逻辑状态分别驱动前面板9上的电压输出指示灯913、脉冲幅度指示灯902、脉冲宽度指示灯903、重复频率指示灯904、内部调制指示灯910和外部调制指示灯911的亮灭。

实施例10前面板

如图10所示，所述的前面板9的结构有，显示屏901、脉冲幅度指示灯902、脉冲宽度指示灯903、重复频率指示灯904、脉冲参数选择按钮905、参数调节旋钮906、电源开关907、输出控制开关908、调制输入端口909、内部调制指示灯910、外部调制指示灯911、工作模式按钮912、电压输出指示灯913和电压输出端口914，其中，显示屏901是脉冲显示模块6中所述的显示屏U10，型号为LCD1602，脉冲幅度指示灯902、脉冲宽度指示灯903、重复频率指示灯904、电压输出指示灯913和内部调制指示灯910是5个发光二极管，其正极均接+5V电源，负极分别接指示灯驱动模块7中插座J4的1脚、2脚、3脚，4脚和5脚，外部调制指示灯911也是个发光二极管，其正极接指示灯驱动模块7中插座J4的6脚，负极接数字地，脉冲参数选择按钮905的一个引脚接按键输入模块8中插座J5的1脚，另一个引脚接数字地，参数调节旋钮906是一个旋转编码器，旋转编码器的1脚接按键输入模块8中插座J5的4脚，旋转编码器的2脚接按键输入模块8中插座J5的5脚，旋转编码器的3脚公共端接数字地，电源开关907是整个装置是否通电的总开关，输出控制开关908是一个钥匙开关，钥匙开关的一个引脚接按键输入模块8中插座J5的3脚，另一个引脚接数字地，调制输入端口909是一个SMA母头，其正极接调制输入模块5中插座J2的1脚，负极接调制输入模块5中插座J2的2脚，工作模式按钮912的一个引脚接按键输入模块8中插座J5的2脚，另一个引脚接数字地，电压输出端口914是也一个SMA母头，其正极接脉冲驱动模块4中插座J1的1脚，负极接脉冲驱动模块4中插座J1的2脚。

实施例11脉冲峰值电压检测模块

如图11所示，所述的脉冲峰值电压检测模块10的结构为，放大器U12A的端口4接地，端口3通过接电阻R41接地、通过接电阻R40接端口H_Vdc；端口2通过接电阻R43接U12B的端口6、且接肖特基二极管D8负极；端口8接+5V电源；端口1通过电阻R42接U12B的端口5、接肖特基二极管D8正极、且接肖特基二极管D9负极；放大器U12B的端口5、通过电容C27接地；放大器U12B的端口6、端口7接单片机U1的端口P00；

脉冲峰值电压检测模块10实现了对高压脉冲源输出脉冲电压信号峰值电压的检测功能。其工作原理为：在高压脉冲源输出脉冲电压信号的低电平期间，高压储能模块相当于没有带负载，则端口H_Vdc的电压较高；在高压脉冲源输出脉冲电压信号的高电平期间，如果其带较重负载，则端口H_Vdc的电压就会相应变低，而端口H_Vdc电压较低时的电压等于高压脉冲源输出脉冲电压信号的峰值电压，因此脉冲峰值电压检测模块10需要对端口H_Vdc的较低输出电压幅度进行测量。测量时，为了后续处理方便，需要先将端口H_Vdc的电压衰减25倍，然后再测量衰减后信号较低值的大小，再将该值乘以25即为实际输出脉冲电压信号峰值的大小。端口H_Vdc信号衰减25倍后波形与脉冲峰值电压检测模块10输出端口P00输出直流电压信号间的关系如附图16所示。利用单片机U1的P0.0口的A/D转换功能得到端口P00上电压值，再将该值乘以25即可得到实际输出脉冲电压信号峰值的大小。

实施例12带通滤波模块、脉冲宽度检测模块和检波模块

如图12所示，所述的脉冲宽度检测模块11的结构为，U13的VDD端口和GND端口分别接+5V电源和模拟地，端口A接端口H_Vpulse，端口ADDR接+5V电源，端口SCL经电阻R44接单片机U1的端口P02，端口SDA经电阻R45接单片机U1的端口P27，端口通过电阻R46接+5V电源，端口EXT_CAP通过电容C28接地，端口VSS接地、通过电阻R47接U13的端口W，U13的端口W作为脉冲宽度检测模块11的第一个输出端记为端口L_Vpulse，端口L_Vpulse接U14B的端口5、接U14A的端口2，U15的VCC端口和VSS端口分别接+5V电源和-5V电源，端口S1接地，端口S3接Sine1k，端口IN3接U14B的端口7，U14B的端口8接+5V电源，D10的正极接地、D10的负极接U14A的端口3、接U14B的端口6、并经电阻R48接+5V电源，U14A的端口4接地，端口1接U15的端口IN1，U15的端口D1和端口D3接R49并通过接C29接地，U16A的端口3接地，端口4接-5V电源，端口8接+5V电源，端口2通过R50接电容C29的正极、通过电容C30接端口1，端口1通过R51接C29的正极，端口1通过R52接电容C31接地，U16B的端口5接地，端口6通过R53接电容C31的正极、通过电容C32接U16B的端口7，U16B的端口7通过电阻R54接电容C31的正极、并作为脉冲宽度检测模块11的第二个输出端记为端口SineD；

如图13所示，所述的检波模块12的结构有，U17的端口RMS通过电容C37接端口IBFOUT、接端口IBUFIN-，端口IBUFIN+通过电容C36接端口SineD、通过电阻R55接端口IGND，端口OGND接地，端口OUT通过接电容C35接地、接端口OBUFIN+，端口CAVG通过接电容C34接+5V电源，端口CCF通过接电容C33接+5V电源，端口VCC、端口IBUFV+、端口OBUFV+接+5V电源，端口OBUFOUT和端口OBUFIN-接单片机U1的端口P01，端口VEE接-5V电源；

如图14所示，所述的带通滤波模块13的结构有，U18A的端口4接-5V电源，端口8接+5V电源，端口2通过接R58接端口1、通过电容C38并通过R56接单片机U1端口P41，电容C38与R56公共点经R57接地、通过C39接端口1，端口1通过R59并通过C40接U18的端口6，U18B的端口6通过R61接端口7，R59与电容C40的公共点通过C41接端口7、通过接R60接地，端口7作为带通滤波模块15的输出端记为端口Sine1k；

由于高压脉冲源输出脉冲电压信号的脉宽非常窄，最低可达20ns左右，因此不能采用普通直接测量的方法检测脉宽。本发明通过带通滤波模块13、脉冲宽度检测模块11和检波模块12相互配合，将高压脉冲源输出脉冲电压信号的脉宽转换成了与其成线性关系变化的直流电压信号，从而实现了对高压脉冲源输出脉冲电压信号脉宽的检测功能。其工作原理为：带通滤波模块13的输入信号为单片机U1端口P41输出的频率为1kHz的方波，经带通滤波模块处理后在端口Sine1k上的输出信号为Asin(2πft)，其中A＝4.6V为正弦信号幅度，f＝1kHz为正弦信号频率；单片机U1根据脉冲峰值电压检测模块10测得的峰值电压自适应调节脉冲宽度检测模块11端口H_Vpulse的脉冲电压信号的衰减幅度，使端口L_Vpulse上脉冲电压信号的高电平等于5V，再与2.5V基准电压信号进行比较，得到脉宽等于高压脉冲源输出脉冲电压信号半高宽度的标准脉冲方波信号，该脉冲方波信号和端口Sine1k上的正弦信号Asin(2πft)经调节脉冲宽度检测模块11处理后，在其输出端口SineD上得到信号的表达式为5Adsin(2πft)，其中d为脉冲方波信号的占空比；将端口SineD的信号输入检波模块12，得到其输出端口P01上的直流电压大小为利用单片机U1的P0.1口的A/D转换功能得到端口P01上电压值，计算出脉冲方波信号的占空比d，进而根据输出脉冲电压信号的重复频率即可计算出高压脉冲源输出脉冲电压信号的脉宽。

实施例13脉冲频率检测模块

如图15所示，所述的脉冲频率检测模块14的结构有，U19的端口RST接地，端口CLK接单片机端口H_Vpulse、接U20的端口I0，端口Q1接U20的端口I1，端口Q2接U20的端口I2，端口Q3接U20的端口I3，端口Q4接U20的端口I4，端口Q5接U20的端口I5，端口Q6接U20的端口I6，端口Q7接U20的端口I7，U20的端口A接单片机U1的端口P35，U20的端口B接单片机U1的端口P36，U20的端口C接单片机U1的端口P37，端口接地，端口Z接单片机U1的端口P34；

脉冲峰值频率检测模块14实现了对高压脉冲源输出脉冲电压信号重复频率的检测功能。其工作原理为：将调整好幅度的端口L_Vpulse上的脉冲电压信号作为输入，通过计数器CD4040对该信号进行分频，得到对输入信号进行2ⁿ(n＝1～12)分频后的12个信号，再利用数据选择器74HC151选择原始信号和CD4040的Q1～Q7输出端中的一个作为端口P34上的输出信号，输入到单片机U1的定时器中断T0上，从而实现对频率的测量；数据选择器进行输入信号选择的条件是，只要端口P34上信号的测量频率高于8kHz就增大分频倍数，直至端口P34上信号的测量频率低于8kHz，此时读取该频率再乘以分频倍数，即可得到高压脉冲源输出脉冲电压信号的重复频率，采用该方法可极大提高信号重复频率的测量精度。

实施例14本发明的工作过程

参考附图1～附图15，本发明的工作过程如下：通过脉冲参数选择按钮905选择要调节的输出脉冲参数并由显示屏901以每秒30帧的速度进行显示，由参数调节旋钮906调节各参数的设定值，由工作模式按钮912选择内部调制和外部调制两种工作模式，通过按键输入模块8，将开关状态转换成高低电平信号送入单片机模块1；在按动脉冲参数选择按钮905调节脉冲幅度、脉冲宽度和重复频率时，单片机U1会根据当前调节的参数，通过其端口P03、端口P04和端口P05控制指示灯驱动模块6的输出，使前面板9上的脉冲幅度指示灯907、脉冲宽度指示灯908和重复频率指示灯909按需要亮灭，以提示用户当前正在调节哪个参数；在按动工作模式按钮912选择工作模式时，单片机U1会根据当前工作模式，通过其端口P25控制内部调制指示灯910和外部调制指示灯911按需要亮灭，以提示用户当前工作在内部调制模式还是外部调制模式；输出控制开关908决定是否在电压输出端口914上输出电压脉冲，该开关状态通过按键输入模块8转换为端口Enable上的高低电平，该高低电平控制脉宽调节模块3的端口Pulse_LC是否输出脉冲电压信号，即在负载端口914上是否输出脉冲电压信号，另外端口Enable还通过指示灯驱动模块7控制电压输出指示灯913的亮灭，以提示用户当前是否输出脉冲电压信号；单片机U1将脉冲峰值电压检测模块反馈回的实际峰值电压与脉冲峰值电压设定值作比较，根据实际值与设定值的差值通过PID算法调节高压储能模块2中的数字电位器U4，改变端口H_Vdc的电压大小，确保高压脉冲源输出脉冲电压峰值与设定值相等；单片机U1将脉冲宽度检测模块配合检波模块反馈回的实际脉冲半高宽度与脉宽设定值作比较，根据实际值与设定值的差值通过PID算法调节脉宽调节模块3中的数字电位器U6，改变端口Pulse_LC输出脉冲的脉宽，该脉宽决定了最终高压脉冲源输出脉冲电压信号的脉宽，从而确保高压脉冲源输出脉冲电压信号的脉宽与设定值相等；单片机U1根据工作模式按钮912的输入状态，控制端口P25的高低电平，进而通过调制输入模块5决定当前工作在内部调制模式还是外部调制模式；如果当前工作在内部调制模式，单片机U1将脉冲频率检测模块反馈回的实际输出信号重复频率与重复频率设定值作比较，根据实际值与设定值的差值通过PID算法调节单片机U1端口P24输出标准方波的频率，该频率决定了最终输出电压脉冲的重复频率，从而确保高压脉冲源输出脉冲电压信号的重复频率与设定值相等；如果当前工作在外部调制模式，最终输出电压脉冲的重复频率取决于调制输入端口909输入的外调制信号的频率，没有闭环控制。