一种高压脉冲波形的编辑装置和方法与流程

本发明属于高功率脉冲领域，具体涉及一种高压脉冲波形的编辑装置和方法。

背景技术：

在等离子体放电等领域中，一般用于产生高压脉冲波形的方法只能产生一些周期性的，比较有规律的高压脉冲波形，不能满足等离子体电子学系统深入研究和应用的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高压脉冲波形的编辑装置和方法，用于解决现有技术的问题，本发明通过在计算机上绘制任意高压脉冲波形，然后对绘制的高压脉冲波形特征参数进行提取，通过编译后发给高压脉冲产生装置，最终输出所编辑的高压脉冲。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高压脉冲波形的编辑装置，包括五大模块，即高压脉冲波形绘制模块、高压脉冲波形显示模块、高压脉冲波形设置模块、高压脉冲波形编辑模块以及高压脉冲波形数据发送模块。

其中，高压脉冲波形绘制模块用于绘制任意形状的高压脉冲波形。高压脉冲波形显示模块将已绘制的高压脉冲波形在该模块的显示界面直观的显示出来。

高压脉冲波形设置模块可以实现高压脉冲波形的撤销(撤销上一步绘制的高压脉冲波形)、高压脉冲波形的清除(清除所绘制的所有高压脉冲波形)、高压脉冲波形的周期性生成(再次生成已绘制的高压脉冲波形)等功能；并且可以通过该模块设置所绘制高压脉冲波形的电压、脉宽、周期数、上升/下降沿时间等参数。

高压脉冲波形编辑模块是将已生成的高压脉冲波形进行编辑，计算提取出每段高压脉冲波形的电压、脉宽、上升/下降沿时间等参数的大小。

高压脉冲波形数据发送模块负责将需要发送的全部参数按照特定的格式发送给高压脉冲电源的控制端，使高压脉冲产生电路输出和绘制的高压脉冲波形一致的高压脉冲。

进一步地，该高压脉冲波形编辑装置能够通过四种编辑方式形成任意形状的双极性高压脉冲波形或者单极性的脉冲波形，并且可以在高压脉冲波形编辑完成之后将该高压脉冲波形相对应的电压、脉宽、周期数、上升/下降沿时间等参数进行提取，然后发送给高压脉冲电源的控制端。

进一步地，高压脉冲波形显示模块的显示界面由横轴、横轴的水平滚动条、纵轴、游标四个部分组成。横轴设置为脉宽，表示高压脉冲宽度的大小，单位可以为纳秒、毫秒或其它时间单位，范围为0到100秒。横轴的水平滚动条是为了便于查看已绘制的全部高压脉冲波形。纵轴设置为电压，表示高压脉冲电压的大小，单位为伏特，该装置所能编辑的电压范围为0到500千伏。游标是为了在绘制高压脉冲波形时能够清楚地看到自己所绘点的横纵坐标，使绘制的高压脉冲波形更加精确。

进一步地，高压脉冲波形绘制模块提供了四种高压脉冲波形的绘制方法。第一种高压脉冲波形的绘制方法是在高压脉冲波形显示模块的显示界面手动绘制所需的任意形状的高压脉冲波形。在显示界面使用鼠标拖动游标进行绘图，长按鼠标即可拖动游标，当松开鼠标时在游标所在位置绘制出一个点，以此类推，将绘制的这些点用线段连接起来，即可产生所需要的高压脉冲波形。第二种高压脉冲波形的绘制方法为使用输入控件直接输入点的坐标，在高压脉冲波形显示界面上将这些点显示出来，然后用线段将绘制的点依次连接起来，即可产生所需要的高压脉冲波形。第三种高压脉冲波形的绘制方法为从excel表格导入数据，excel中的数据分为两列，第一列数据表示脉冲宽度，第二列数据表示电压，每一行的两个数据在高压脉冲波形显示模块的显示界面上均可用点来表示，将所有的点连接起来即可产生所需要的高压脉冲波形。第四种绘制高压脉冲波形的方法为前三种方法的结合。当使用鼠标绘图方便时，例如所需绘制高压脉冲波形的参数较小，则使用鼠标绘图；当使用鼠标绘图麻烦时，则使用输入控件直接输入点的坐标的方法或者excel表格导入数据的方法，当所需绘制高压脉冲波形的点较少或者参数较大时，使用输入控件直接输入点的坐标的方法；当想快速生成高压脉冲波形时，使用excel表格导入数据的方法。

进一步地，该装置可以产生周期性和非周期性的高压脉冲波形。对于非周期性的高压脉冲波形，可以通过高压脉冲波形绘制模块提供的四种绘制波形方法直接绘制。对于周期性的高压脉冲波形，可以先通过高压脉冲波形绘制模块提供的四种绘图方法绘制出一个周期的高压脉冲波形，再在高压脉冲波形设置模块输入需要循环的高压脉冲波形的起始点坐标、终止点坐标以及周期数，即可在已绘制的单个周期高压脉冲波形的后面生成相应周期数的高压脉冲波形。

进一步地，高压脉冲波形的编辑方法为通过高压脉冲波形编辑模块获得每段高压脉冲波形的首尾两点坐标，从而求出每段高压脉冲波形的斜率，以下将用斜率描述段波形(高压脉冲波形由所绘制的点依次连接而成，相邻两点连接而成的高压脉冲波形以下统称为段波形)。

对于斜率为零的段波形，即段波形是水平的，需要传输的电压值即为首尾两点纵坐标的大小，脉宽值即为首尾两点横坐标的差值的绝对值。

对于斜率为无穷大的段波形，即上升沿或下降沿时间为零，段波形为竖直方向，则无需考虑，不做任何处理。

对于斜率为零到无穷大之间的数，即上升沿或下降沿时间不为零，段波形为倾斜方向，需要将该段波形拆分为多个斜率为零和斜率为无穷大的段波形，由于斜率为无穷大的段波形不需考虑，所以斜率为零到无穷大中间的数的段波形可以视为多段斜率为零的段波形，每段斜率为零的段波形根据上面的方法均可求出其电压值和脉宽值。

进一步地，高压脉冲电源控制端电压的控制方法有两种，一种是通过控制可编程充电电源的电压，可以得到连续变化的高压脉冲幅值；另一种是通过控制高压脉冲电源控制端开关的通断，得到非连续的高压脉冲幅值。

进一步地，为了得到非连续的高压脉冲幅值，高压脉冲电源控制端含有n个开关通道(n为正整数)，需要将电压幅值平均分配到每个开关通道，开关通道闭合的数量决定电压的大小。高压脉冲波形编辑模块可以计算出每段高压脉冲波形的电压幅值，通过遍历提取出电压的最小值和最大值构成一个集合，将该集合等分为n份，得到n个新的集合，分别用数字1～n表示。每段脉冲波形的电压值均可以判断其所处的集合，用相应的数字去表示电压的大小。

由于脉冲电源控制端的开关通道控制电压的大小，开关通道每打开一个，电压值所在集合表示的数字会加一，故对于上升沿时间不为零的段波形，将其等效为阶梯型的电压所在集合表示的数值依次加一的多段段波形；对于下降沿时间不为零的段波形，将其等效为阶梯型的电压所在集合表示的数值依次减一的多段段波形。

进一步地，高压脉冲波形数据发送模块对于周期性和非周期性的高压脉冲波形需要传递的参数不同。对于非周期性的高压脉冲波形，需要发送给高压脉冲电源控制端的参数主要为高压脉冲波形编辑模块计算出的全部段波形的电压值和脉宽。对于周期性的高压脉冲波形，需要发送的参数除了高压脉冲波形编辑模块计算出的全部段波形的电压值和脉宽，还有高压脉冲波形设置模块所设置的需要循环的高压脉冲波形的起始点坐标和终止点坐标以及周期数。

在参数数据发送之前，需要在高压脉冲波形数据发送模块将这些参数转化为十六进制数，并且为了便于高压脉冲电源控制端对于这些参数的识别，分别在这些参数数据的前面加上特定的标识符，电压的标识符为00(01)aaaaaa，脉宽的标识符为02aaaaaa，需要循环的高压脉冲波形起始点的横坐标标识符为03aaaaaa，纵坐标标识符为04(05)aaaaaa，需要循环的高压脉冲波形终止点的横坐标标识符为06aaaaaa，纵坐标标识符为07(08)aaaaaa，周期数的标识符为09aaaaaa。

进一步地，该装置可以对所绘制的任意极性的高压脉冲波形进行识别。当每段段波长计算出的电压值为全为正值时，该高压脉冲为正脉冲；当每段段波长计算出的电压值为全为负值时，该高压脉冲为负脉冲；当每段段波长计算出的电压值为既有正值又有负值时，该高压脉冲为双极性脉冲。为了使高压脉冲电源的控制端能够识别所接收的电压值的正负情况以及高压脉冲波形的类别，正负电压值采用不同的前缀标识符，如00aaaaaa表示电压为正，01aaaaaa表示电压为负，04aaaaaa表示需要循环的高压脉冲波形起始点纵坐标即电压值为正，05aaaaaa表示起始点纵坐标为负，07aaaaaa表示需要循环的高压脉冲波形终止点纵坐标即电压值为正，08aaaaaa表示终止点纵坐标为负。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明装置可以编辑任意脉冲宽度、电压幅值和上升/下降沿时间的周期性或非周期性的高压脉冲波形，并可以计算和提取出全部高压脉冲参数，以一定的格式发给高压脉冲电源控制端，结构简单，操作方便，具有非常广泛的应用领域。

高压脉冲波形绘制模块可以通过四种高压脉冲波形的绘制方法绘制出任意形状的周期性或非周期性的单极性正/负高压脉冲波形或者双极性高压脉冲波形，并且可以在高压脉冲波形显示模块将所绘制的高压脉冲波形直观的显示出来。

高压脉冲波形绘制的过程中可以用高压脉冲波形设置模块对已绘制出的高压脉冲波形进行微调、修改或者设置所需绘制的高压脉冲波形的参数，使高压脉冲波形可以人为控制，让绘制出的高压脉冲波形更全面的满足需求。

高压脉冲波形绘制完成后，通过高压脉冲波形的编辑方法计算出其每段波形的电压值、脉宽值以及上升/下降沿时间等参数的大小，最后通过高压脉冲波形数据发送模块将需要发送的全部参数转化为十六进制数，再加上前缀标识符，发送给高压脉冲电源的控制端，用于控制端高压脉冲波形的生成。

附图说明

图1是本发明的装置结构图；

图2是高压脉冲波形的参数示意图；

图3是高压脉冲波形的波形编辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定：

参见图1，为本发明的装置结构图。该装置含有五大模块，即高压脉冲波形绘制模块、高压脉冲波形设置模块、高压脉冲波形编辑模块和高压脉冲波形数据发送模块。在程序运行之后进入高压脉冲波形绘制模块，该模块提供了四种不同的高压脉冲波形绘制方法。第一种高压脉冲波形的绘制方法是在高压脉冲波形显示模块的显示界面手动绘制所需的任意形状的高压脉冲波形。在显示界面使用鼠标拖动游标进行绘图，长按鼠标即可拖动游标，当松开鼠标时在游标所在位置绘制出一个点，以此类推，将绘制的这些点用线段连接起来，即可产生所需要的高压脉冲波形。第二种高压脉冲波形的绘制方法为使用输入控件直接输入点的坐标，在高压脉冲波形显示界面上将这些点显示出来，然后用线段将绘制的点依次连接起来，即可产生所需要的高压脉冲波形。第三种高压脉冲波形的绘制方法为从excel表格导入数据，excel中的数据分为两列，第一列数据表示脉冲宽度，第二列数据表示电压，每一行的两个数据在高压脉冲波形显示模块的显示界面上均可用点来表示，将所有的点连接起来即可产生所需要的高压脉冲波形。第四种绘制高压脉冲波形的方法为前三种方法的结合。当使用鼠标绘图方便时，例如所需绘制高压脉冲波形的参数较小，则使用鼠标绘图；当使用鼠标绘图麻烦时，则使用输入控件直接输入点的坐标的方法或者excel表格导入数据的方法，当所需绘制高压脉冲波形的点较少或者参数较大时，使用输入控件直接输入点的坐标的方法；当想快速生成高压脉冲波形时，使用excel表格导入数据的方法。

对于非周期性的高压脉冲波形，可以通过四种不同的绘图方法绘制出任意形状的高压脉冲波形；对于周期性的高压脉冲波形，可以先通过高压脉冲波形绘制模块提供的四种绘图方法绘制出单个周期的高压脉冲波形，再在高压脉冲波形设置模块输入需要循环的高压脉冲波形的起始点坐标和终止点坐标以及周期数，即可在已绘制的单个周期高压脉冲波形的后面生成相应周期数的高压脉冲波形。在绘制高压脉冲波形的过程中，如果高压脉冲波形绘制错误，可以通过高压脉冲波形设置模块对已绘制出的高压脉冲波形进行撤销、清除，并且可以在该模块对高压脉冲波形的参数进行设置，使绘制出的高压脉冲波形更能满足需求。

当高压脉冲波形绘制完成后进入高压脉冲波形编辑模块，在该模块可以采集所绘制高压脉冲波形各个绘制点的坐标，通过这些坐标可以计算出每段段波形的电压、脉宽。由于高压脉冲电源的控制端含有n个开关通道，开关通道闭合的数目可等效为电压值的大小，故需要将高压脉冲波形编辑模块计算出的段波长的电压幅值等分成n份，用于控制高压脉冲电源开关通道的闭合的数量。表1为电压幅值为vol伏特，高压脉冲电源控制端开关通道数为n的电压幅值与开关通道数的对应关系表。将电压幅值等分为n份，分别对应高压脉冲电源控制端开关通道的闭合数目1～n，开关通道闭合越多，电压越大。

表1电压幅值与开关通道数的对应关系表

高压脉冲波形数据发送模块把高压脉冲波形编辑模块计算出的每段段波形的脉宽和电压值对应的数值转化为十六进制，在发送的十六进制数前加上前缀，便于高压脉冲电源控制端识别。对于非周期性的高压脉冲波形，只需将脉宽和电压值对应的十六进制数以及前缀通过通信协议传递给高压脉冲电源控制端；对于周期性的高压脉冲波形，在将脉宽和电压值对应的十六进制数以及前缀通过通信协议传递给高压脉冲电源控制端之后，还需将需要循环的高压脉冲波形的起始点坐标和终止点坐标以及周期数转化为十六进制数，再加上所定义的新的前缀一起传递给高压脉冲电源控制端，从而使高压脉冲电源控制端得到周期性的高压脉冲。

参见图2，为高压脉冲波形的参数示意图。根据本发明所示的高压脉冲波形的编辑方法，能够实现脉冲电压、脉冲宽度、脉冲上升时间和下降时间、周期数等参数的全部连续和非连续可调。电压幅值的单位为伏特，本装置所能编辑的电压范围为0到500千伏；脉冲宽度的单位可以为纳秒、毫秒或其它时间单位，所能编辑的脉冲宽度范围为0到100秒；上升沿和下降沿的单位为纳秒，所能编辑的范围为0到100毫秒。

图3为高压脉冲波形的波形编辑图。下面将以此图为例，介绍该装置的数据编辑方法，得到每段段波长的电压值和脉冲宽度。该图为所绘高压脉冲波形截取出的一部分，我们的目的是通过波形编辑模块计算出ab、bc、cd、de、ef、fg、gh、hi、ij这9段段波长对应的电压值和脉冲宽度。具体方法如下：

通过波形编辑模块可以获得每段波形的首尾两点坐标，坐标如图3所示，将10组数据横坐标存入数组arr1中，即arr1＝[a1，a2，a3，a4，a5，a6，a6，a7，a7，a8]，纵坐标存入数组arr2中，即arr2＝[b1，b1，b2，b2，b3，b3，b4，b4，b5，b5]，通过遍历两数组可以依次求出相邻两点所组成段波形的斜率，经求得ab段斜率为0，bc段斜率为(b2-b1)/(a3-a2)，cd段斜率为零，de段斜率为(b3-b2)/(a5-a4)，ef段斜率为零，fg段斜率为无穷，gh段斜率为零，hi段斜率为无穷，ij段斜率为零。

对于斜率为零的段波形，即段波形是水平方向，需要传输的电压值即为首尾两点纵坐标的大小，脉宽值即为首尾两点横坐标的差值的绝对值，这样ab段的脉冲宽度为(a2-a1)，电压值为b1；cd段的脉冲宽度为(a4-a3)，电压值为b2；ef段的脉冲宽度为(a6-a5)，电压值为b3；gh段的脉冲宽度为(a7-a6)，电压值为b4；ij段的脉冲宽度为(a8-a7)，电压值为b5。

对于斜率为无穷大的段波形，即上升沿或下降沿时间为零，段波形为竖直方向，则不做任何处理，即fg段和hi段无需考虑。

对于斜率为零到无穷大中间的数，即上升沿或下降沿时间不为零，段波形为倾斜方向，需要将该段波形拆分为多个斜率为零和斜率为无穷大所组合的段波形，由于斜率为无穷大的段波形不需考虑，所以斜率为零到无穷大中间的数的段波形可以视为多段斜率为零的段波形，每段斜率为零的段波形均可求出其电压值和脉宽值。此种情况对应bc和de段，对于bc段，需要将该段波形拆分为(b2-b1)个斜率为零和斜率为无穷大所组合的段波形；对于de段，需要将该段波形拆分为(b3-b2)个斜率为零和斜率为无穷大所组合的段波形。

若b2-b1＝2，b3-b2＝3，则分解情况如图3虚线部分所示。可以得出bc段需要传输的脉冲宽度为(a3-a2)/(b2-b1)、(a3-a2)/(b2-b1)、……、(a3-a2)/(b2-b1)，共有(b2-b1)个数，电压为b1+1、b1+2、……、b1+(b2-b1)；de段需要传输的脉冲宽度为(a5-a4)/|(b3-b2)|、(a5-a4)/|(b3-b2)|、……、(a5-a4)/|(b3-b2)|，共有|(b3-b2)|个数，电压为b2-1、b2-2、……、b2-(b3-b2)。综上所述，便可求出高压脉冲波形每段段波长需要传输的电压值和脉冲宽度值。