高壓靜電發生器在靜電除塵［1］、油煙凈化［2］、靜電噴漆以及各種高壓靜電場實驗中應用廣泛。目前，國內生產的高壓靜電發生器可產生幾千伏至幾

 百千伏的高壓［3］，但大多為模擬儀表顯示，而且價格比較昂貴。因此，本文設計了一種可產生 0 ～10 kV 連續可調、帶數字顯示的高壓靜電發生器，具有體積小、元件簡單、成本低廉等優點。

1 工作原理

 高壓靜電發生器的總體框架如圖 1 所示。220 V的交流電經過變壓器降壓、整流、濾波后，形成約12 V 的直流電壓，輸出的 12 V 直流電壓分別輸入7805 和 LM317，其中 7805 將輸出穩定的 5 V 直流電壓，作為單片機 AT89S52 及 A/D 轉換芯片 ADC0804的工作電壓 ，而 LM317 與電位器等元件組成可控直流部分，輸出連續可調的 25 V 以內的直流電壓。通過編程，使單片機輸出 20 kHz 的方波，并用此方波來控制開關管的通斷，而開關管的 C 極與 LM317 產生的直流電壓分別加在升壓變壓器的低壓輸入的兩端，便可形成一正一負周期性的尖峰脈沖。該脈沖經升壓后再倍壓整流、濾波，便可形成直流高壓，且其電壓值大小可由 LM317 組成的可控直流電壓的大小控制。直流高壓經過高倍數的分壓后，得到一個很小的直流電壓，輸 入 ADC0804 進 行 模 數 轉換［4］，再將得到的數字量送入單片機，通過單片機編程使電壓值在數碼管上顯示［5 － 6］。

2 發生器各模塊詳細介紹

2. 1 直流電壓產生模塊

 如圖 2 所示，220 V 交流電壓經過降壓變壓器降壓后，形成 23 V 的交流電壓，再經過四端整流橋 D1進行全波整流和 1 000 μF 的大電容 C1 濾波，可得到約 27 V 的直流電壓。這 27 V 的直流電壓分別輸入三端穩壓器 7805 和 LM317 的輸入端，則 7805 和 LM317 的輸出端與調整端電壓分別為5 V和 1. 25 V 直流電壓。由圖 2 可知，LM317 輸出的端電壓為:VLM317 －OUT = Ｒ0 + VＲ1Ｒ0× 1. 25 ( 1)式中，Ｒ0為 100 Ω 的固定電阻，VＲ1為 2 kΩ 的電位器，VLM317 － OUT 的取值范圍為 1. 25 ～ 25 V，具體取值可根據需要調節電位器得到。

圖 2 中的穩壓二極管 D2、D3起限流保護作用。

2. 2 方波產生模塊

 此模塊功能為產生 100 kHz 左右的方波信號，用于驅動開關三極管。此模塊可由 555 定時器、3 個首尾相連的反相器構成的環形振蕩器或單片機來實現。由于單片機 AT89S52 使用方便，且內部CMOS 電路產生的噪音較小，在本文中采用單片機產生方波信號。因本文中單片機 AT89S52 還要實現電壓測量和數字顯示控制的功能，為實現單片機同時控制若干個模塊，所以對方波信號的產生將采用 AT89S52 里的定時器功能: 選擇 12 MHz 的晶振為單片機提供時鐘信號( 單片機每個機器周期為1 μs) ，通過程序設定每隔 5 μs 定時器計數溢出( 周期為 10 μs) ，產生中斷信號，使 AT89S52 的P3. 0 管腳產生反向跳變，產生 100 kHz 的方波信號，且不影響單片機對電壓測量和數字顯示的控制。對于方波信號的頻率選擇，若頻率過小則*終經倍壓整流后產生的高壓帶負載能力下降，電壓值衰減嚴重; 若頻率過大( 接近 1 MHz) 則單片機無法控制其他模塊。經實驗驗證，100 kHz 左右的頻率較為適宜。

2. 3 正負尖脈沖產生模塊

 此模塊用于產生一正一負交替產生的尖峰脈沖。電路連接如圖 3 所示，其中 T2為升壓變壓器，Q1為 8050 三極管，Ｒ10為三極管基極限流電阻。方波產生模塊中的單片機 P3. 0 腳產生的方波信號通過 Ｒ10后輸入 8050 的基極，8050 發射極接地，集電極與 T2的一個低壓輸入端 TI2相連，而直流電壓產生模塊中的 LM317 輸出端與 T2的另一個輸入端TI1相連，VI1得到1. 25 ～ 25 V 的直流電壓。而方波信號輸入三極管 8050，將控制 8050 周期性導通 －截止。由于三極管集電極與 LM317 輸出的直流電壓之間接了變壓器，相當于接了一個較大的電感，因此在 8050 導通 － 截止的瞬間 VI2端產生一個正向脈沖，在其截止 － 導通瞬間產生一個負向脈沖，周期性正負脈沖可由此產生，如圖 4 所示，其脈沖頻率等于方波信號頻率，脈沖幅度由 LM317 輸出的直流電壓值決定。該脈沖信號經升壓變壓器升壓后，輸出頻率不變、幅值被放大了的脈沖電壓。

2. 4 倍壓整流模塊

 此模塊主要由一個倍壓整流電路和相應的分壓、濾波電路組成。電路原理圖如圖 5 所示。圖 5 中電容 C6 ～ C15、二極管 D6 ～ D15 為倍壓整流部分，電容 C16 ～ C20為濾波電路，電阻 Ｒ11和Ｒ12為分壓電路。尖脈沖產生模塊中的升壓變壓器輸出的高幅值脈沖輸入倍壓整流電路，根據倍壓整流原理，隨著電容 C6 ～ C15的交替相互充放電，*終將達到穩定值。若正負脈沖的幅值相等，則穩定后電容 C7 ～ C15、二極管 D6 ～ D14 上的壓降都相等且應為電容 C6上壓降的兩倍。為使輸出電壓盡可能高，且帶負載能力較強，應要求 C6 ～ C15的容量和耐壓值都盡可能大。本文采用容量 0. 2 μF、耐壓值 2 kV 的電容作為倍壓整流的電容。二極管的選取也應與電容相匹配，其耐壓值應達到 2 kV，在實際電路制作過程中每個二極管可由兩個整流二極管 1N4007( 耐壓值 1 200 V) 串聯來取代。電容C16 ～ C20構成濾波電路。倍壓整流后輸出的電壓在不加任何負載的情況下為穩定的直流高壓，加上負載后，由于有了負載的放電電流，輸出電壓值將略有下降且不穩定，因此需添加濾波電路。濾波電路的電容要求也是耐壓值和容量都盡可能高，在本文中 C16 ～ C20 的選擇可與倍壓整流中所使用電容一致。圖 5 中 Ｒ11、Ｒ12組成分壓電路，使 Ｒ12 的電壓為 C15 的 電 壓 的 1 /1001，約 為 總 輸 出 電 壓 的1 /5 000，Ｒ9的電壓( 0 ～ 2 V) 將輸入電壓測量模塊中的 AD 轉換芯片，用于電壓測量。為使 Ｒ11、Ｒ12的放電電流盡可能小，從而對輸出電壓的影響盡可能小，Ｒ11、Ｒ12阻值應盡可能大。實際電路制作過程中 Ｒ11 為 10 個20 MΩ 的 電 阻 串 聯 構 成，Ｒ12 選200 kΩ的電阻。

2. 5 電壓測量與數字顯示控制模塊

 此模塊主要由單片機 AT89S52、集成模數轉換器 ADC0804 和 4 位 7 段 共 陽 數 碼 管 構 成。ADC0804 是一單片 CMOS8 位逐次逼近型的 A/D 轉換器，有較高的轉換精度，工作速度中等，成本低，與 8 位微機兼容，其三態輸出可直接驅動數據總線。單片機、A/D 轉換芯片工作電壓以及驅動數碼管的三極管發射極電壓均由直流電壓產生模塊中的 7805 提供。整個模塊的接線如圖 6 所示。其中關鍵部分接線為: ADC0804 的片選 CS、數字地 DGND、模擬地 AGND、VIN_ 等引腳接地，VIN + 輸入被測電壓 vI，WＲ、ＲD、INTＲ 分別與單片機的 WＲ、ＲD、INT0 相連，其輸出端的 8 位數字信號與單片機的 P1 口相連，其參考電壓輸入端VＲEF /2 輸入 1. 28 V 電壓，可由 7805 和電位器組成串聯分壓電路獲得。ADC0804 的時鐘信號由 10 kΩ的電阻和 150 pF 的電容串聯形成振蕩得到。工作時，單片機 WＲ 端輸出一個上升沿信號，AD 轉換開始。當 AD 轉換結束時，ADC0804 的 INTＲ 端輸入一個低電平，單片機 INT0 檢測到此低電平后 ＲD端輸出一個低電平，允許 ADC0804 將數字量輸出。單片機 P1 口接收到數字量后，開始對其進行處理，將其轉換為相應的十進制電壓數值和對應的數碼管并輸出至數碼管顯示。經過一段時間( 約 0. 5 s) 延時后，單片機 WＲ 端再輸出一個上升沿，開始下一次 A/D 轉換—數據處理—顯示的過程。值得注意的是，ADC0804 的參考電壓輸入端 VＲEF /2 輸入電壓 1. 28 V，而實際參考電壓為 VＲEF = 2. 56 V，則由 A/D 轉換輸入輸出公式［6］為:D = 2nVＲEFvI ( 2)式中，vI 為輸入的電壓模擬量，D 為輸出的數字量。此處 ADC0804 的 8 位輸出端數字量 為 D =100vI。而根據倍壓整流模塊中的電路結構，vI為實際輸出高電壓 vOUT的 1 /5 000，則 ADC0804 輸出數字量為 D = vOUT /50。因此，單片機對接收到的數字量進行處理時需將 D 擴大 50 倍，得到實際的輸出端電壓對應的二進制數后，才能繼續進行下一步數碼管顯示數碼的處理。受 ADC0804 轉換精度所限，整個系統能區分出輸出高電壓的*小差異為 50 V，若數碼管顯示標識單位為 kV，則可顯示至小數點后兩位，精度為 0. 05 kV。另外，ADC0804 轉換時間為 0. 1 ms，但在實際電路中不宜使 ADC0804 一次轉換結束后立刻開始下一次轉換，否則若測量電壓出現波動，在很短時間內有多次測量的不同的電壓值被送到數碼管輸出，由于肉眼的視覺暫留效應，數碼管上將無法清晰顯示電壓值。

3 結束語

 本文介紹的高壓靜電發生器可產生 0 ～ 10 kV連續可調電壓，帶數字顯示的功能，不但具有體積小、元件簡單、成本低廉等優點，而且在制作過程中便于調節，對方波的頻率調節、數字顯示控制等功能只需將單片機取下修改程序即可。目前，該高壓靜電發生器使用效果良好。