阴极脉冲占空比与荧光屏电流关系研究

延 波，杨 晔，倪小兵，智 强，李军国，邓广绪



阴极脉冲占空比与荧光屏电流关系研究

延 波1,2，杨 晔1,2，倪小兵1,2，智 强1,2，李军国1,2，邓广绪1,2

（1. 微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065；2. 北方夜视科技集团有限公司，云南 昆明 650223）

自动门控电源作为微光像增强器的能量来源，其阴极脉冲占空比与荧光屏电流的关系对完善自动门控电源的自动亮度控制（ABC）电路设计具有重要意义。从自动门控电源与微光像增强器的匹配应用方面分析了阴极脉冲占空比对荧光屏电流的影响，又从自动门控电源ABC电路设计方面分析了阴极脉冲占空比如何跟随荧光屏电流变化，才能确保微光像增强器荧光屏亮度的基本恒定，给出了自动门控电源阴极脉冲占空比与荧光屏电流的曲线图。

自动门控电源；像增强器；自动亮度控制；阴极脉冲占空比；荧光屏电流

0 引言

微光像增强器是能将微弱光（如夜天光）照射下的景物，通过光电阴极的光电子转换、电子倍增器增强和荧光屏电-光转换再现可见图像的一类成像器件[1]。随着微光像增强器应用环境的复杂化、多元化，与其适配的微光电源不仅提供其各电极所需的稳定工作电压，以及具有自动亮度控制（automatic brightness control）功能和强光保护（bright source protection）功能外，还需微光像增强器具有更宽的动态工作范围[2]。自动门控技术的出现解决了微光像增强器向高照度应用范围扩展的需求，这一技术将MCP电压调控技术和阴极脉冲宽度调制技术相结合，在MCP电压调控的基础上，采用阴极脉宽调制技术代替阴极固定电压，从而拓展了微光像增强器动态工作范围[3-4]。

阴极脉宽调制技术在自动门控电源中的引入，使得自动门控电源电路中的ABC技术更加复杂。为了进一步完善自动门控电源的ABC电路设计，本文从自动门控电源与微光像增强器的匹配应用方面分析了阴极脉冲占空比对荧光屏电流的影响，又从自动门控电源ABC电路设计方面分析了阴极脉冲占空比如何跟随荧光屏电流变化，给出了阴极脉冲占空比随荧光屏电流变化的曲线图。

1 基于自动门控电源的微光像增强器的ABC工作原理

微光像增强器的ABC功能是指当外界光照强度变化时，微光像增强器荧光屏亮度基本保持恒定，即在人眼无法识别的前提下允许荧光屏亮度有微小变化，自动门控电源将此微小变化作为反馈信号，也就是将微光像增强器荧光屏电流的微小变化作为反馈控制信号，一方面自动调控MCP电压控制微光像增强器MCP的电流增益；另一方面自动调整阴极脉冲占空比，控制微光像增强器光电阴极的电子发射量，通过MCP电压调控和阴极脉宽调制共同实现微光像增强器荧光屏亮度的基本恒定[5-6]，ABC电路原理框图如图1所示。

当微光像增强器荧光屏亮度达到设定值，即荧光屏电流A达到设定值（一般设定为60nA），也就是自动门控电源阳极电流达到设定值之后，ABC功能起动，此时阳极电流的微小变化DA（一般在0～6nA），通过微电流采样放大电路转换为低压控制信号L，控制MCP电压升降，如图1中方式①所示，此种控制方式在微光电源中普遍采用，在此不再阐述；另一方面L转换为占空比随L自动调整的低压脉冲信号LV，控制阴极高压脉冲占空比HV的变化，如图1中方式②所示，LV和HV除电压幅度不同外，HV的频率和占空比跟随LV变化，在任意时刻低压脉冲信号占空比LV与高压脉冲占空比HV相同，即LV＝HV。

2 选通电源阴极脉冲占空比对荧光屏电流的影响分析

利用选通电源[7]的外部选通特性（HV的频率和占空比跟随LV变化），在选通电源阴极电压、MCP电压、阳极电压（荧光屏电压）都固定时，将选通电源与微光像增强器连接，且给微光像增强器光电阴极施加固定光照强度，此时通过调节选通电源外部选通脉冲的占空比来验证微光像增强器荧光屏亮度是否随阴极脉冲占空比线性变化，得到的一组荧光屏亮度随阴极脉冲占空比变化的数据，如表1所示。

从表1可知：微光像增强器荧光屏亮度跟随阴极脉冲占空比线性变化。

根据表1测试结果，再结合微光像增强器荧光屏电流A与荧光屏亮度A的推导关系式A＝π·A·A/(·A)[7]可知：在阳极电压A、荧光屏发光效率和荧光屏面积A都为固定值时，A和A有唯一线性对应关系，因此微光像增强器荧光屏电流跟随阴极脉冲占空比线性变化。

图1 自动门控电源ABC电路原理框图

Fig.1 ABC circuit principle of auto-gating power source

表1 一组荧光屏亮度随阴极脉冲占空比变化的数据

在上述测试条件下，MCP电压不变，则MCP电流增益不变，且电流增益未发生饱和现象；阴极电压不变，则光电阴极灵敏度C不变，且光电阴极面积C也为固定值。故荧光屏电流[7]可表示为：

A＝HV··C·C·(1)

式中：为光电阴极面照度。

在上述条件下，由于C、C、都为定值，设＝C·C·，故式(1)可近似表示为：

A＝HV··(2)

从式(2)可以看出，微光像增强器荧光屏电流只与阴极脉冲占空比和光电阴极照度有关。当光电阴极面光照强度增加时，若要保持微光像增强器荧光屏电流的基本恒定，只能通过减小阴极脉冲占空比来实现。

依据式(2)，再利用选通电源可实现阴极脉冲占空比HV为0.1%～100%可调、MCP电压可调至较低值和荧光屏电压在正常值保持不变的特性，在保持荧光屏亮度不变，即保持荧光屏电流A不变时，得到的一组阴极脉冲占空比随阴极面光照强度变化的数据如表2所示。

表2 使用选通型微光像增强器得到的一组数据

从表2数据可知，阴极脉冲占空比与阴极面光照强度有一一对应关系，且两者对应数据的乘积都基本相同，也验证式(2)推导的正确性。

3 自动门控电源阴极脉冲占空比对荧光屏电流的影响分析

从自动门控电源与微光像增强器匹配应用方面，分析阴极脉冲占空比对荧光屏电流的影响，通过借鉴关系式(2)，再结合自动门控电源ABC电路原理，得到基于自动门控电源的微光像增强器的阴极脉冲占空比、阴极面照度与荧光屏电流的关系式如下：

A＋ΔA＝HV··(3)

在原关系式(2)基础上增加了荧光屏电流变化量DA，因为基于选通电源的微光像增强器的荧光屏亮度需外部进行手动调节MCP电压和脉冲占空比，不需要选通电源内部产生反馈控制信号DA，而基于自动门控电源的微光像增强器的荧光屏是通过电源内部的ABC功能自动调节的，自动门控电源需要荧光屏电流DA作为反馈信号自动调节MCP电压和脉冲占空比，才能确保荧光屏亮度基本恒定，因此在荧光屏电流A的基础上增加荧光屏电流变化量DA。

从式(3)可知：当光电阴极面光照强度增加时，若要保持微光像增强器荧光屏电流的基本恒定，只能通过减小阴极脉冲占空比来解决，而阴极脉冲占空比又与微光像增强器荧光屏电流产生的控制信号有关。随着阴极面光照强度以指数形式增加，阴极脉冲占空比需随着荧光屏电流变化量DA的增加而基本以指数方式下降。

荧光屏电流变化量DA按照0～3nA考虑，为了保证荧光屏亮度的均匀性，及亮度曲线的平滑，荧光屏电流变化量DA选取0nA、1nA、2nA、3nA共4个数据点，要求荧光屏电流变化量DA与阴极脉冲占空比HV和阴极面光照强度的对应关系如表3所示。

表3 采用公式(3)得到的一组数据

要求自动门控电源ABC电路按表3数据进行设计，即随着荧光屏电流变化量的线性增加，阴极脉冲占空比基本按照指数方式下降，才能确保基于自动门控电源的微光像增强器ABC功能的实现。

4 荧光屏电流对自动门控电源阴极脉冲占空比的影响分析

在自动门控电源ABC电路设计时，荧光屏电流对阴极脉冲占空比的影响，主要体现为荧光屏电流对阴极脉冲占空比的控制情况，可分为荧光屏电流变化量DA与低压控制信号L的关系分析、低压控制信号L与低压脉冲占空比LV的关系分析、低压脉冲占空比LV与高压脉冲占空比HV的关系分析共3部分，其中LV与HV的关系上面已经分析。

4.1 VL与DIA的关系分析

自动门控电源的自动亮度控制功能起动后，微光像增强器荧光屏电流基本处于恒定状态，而荧光屏电流的基本恒定就代表荧光屏电流达到设定值后只允许有微小的变化DA，DA通常为几个纳安。DA被微电流采样放大电路转换为低电压控制信号L，此采样放大电路通常由低功耗精密运算放大器及T型电阻网络构成，L通常为几伏内的电压信号[8]。L与DA的关系可表示为：

L＝DA·(4)

式中：为荧光屏电流DA转低压控制信号L的放大系数，在电路参数固定时为常数，一般为0.1V/nA～0.5V/nA；DA为荧光屏电流变化量，在电路参数固定时为常数。

从关系式(4)可知：低压控制信号L是与微光像增强器荧光屏电流变化量DA有关的变量，且L与DA为线性关系。

4.2 VL与NLV的关系分析

自动门控电源将微光像增强器荧光屏电流采样放大后的低压控制信号L又控制低压脉冲占空比LV的变化，再结合上述HV＝LV，也就是阴极高压脉冲占空比HV根据低压控制信号L的变化而变化。

将低压控制信号L转换为低压脉冲占空比LV的方法至少有如下两种：

①将低压控制信号L与稳定的三角波进行比较，比较输出即为占空比可调的方波，方波的占空比根据L的变化而变化。

②将低压控制信号L通过A/D转换，再送入PWM脉冲调制器，从而输出占空比可调的方波信号，方波信号也随L的变化而变化。

低压控制信号L转换为低压脉冲占空比LV的实现方法不同，L与LV会有不同的对应关系，或通过电路设计，可让L与LV有特定的对应关系，可表示为：

LV＝L·(5)

式中：可通过电路设计具有不同的值，且可不为常数。

由式(4)与式(5)可推得如下关系式：

LV＝DA··(6)

从式(6)可知：低压脉冲占空比LV是与微光像增强器荧光屏电流变化量DA有关的变量，而HV＝LV，故可得到如下关系式：

HV＝DA··(7)

从式(7)可知：高压脉冲占空比HV是与微光像增强器荧光屏电流变化量DA有关的变量，且为常数，根据变量的不同，HV随DA进行线性，或非线性变化。

通过上述分析，再结合表3自动门控电源ABC电路的设计要求，自动门控电源阴极脉冲占空比需跟随荧光屏电流DA的线性增加而按指数方式下降。

5 讨论及结论

上述分析中荧光屏电流变化量与阴极脉冲占空比对应数据点的选择较少，在自动门控电源ABC电路设计时，选择更多的数据点将更有利于电路设计，而且使阴极脉冲占空比随荧光屏电流变化的实际电路曲线与理论设计曲线更加逼近。对荧光屏电流变化量进行细化后形成的阴极脉冲占空比随荧光屏电流变化量的变化曲线如图2所示。图2中阴极脉冲占空比随荧光屏电流变化量的线性增加而以指数形式由100%下降到0.1%。

本文从匹配应用和设计方面分析了阴极脉冲占空比与荧光屏电流的关系，并给出了自动门控电源随荧光屏电流变化量线性增加所对应的阴极脉冲占空比下降曲线，对于自动门控电源的ABC电路设计具有指导意义。

图2 阴极脉冲占空比随荧光屏电流变化量变化曲线

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Relationship Between Cathode Pulse Duty Cycle and Phosphor Screen Current

YAN Bo1,2，YANG Ye1,2，NI Xiaobing1,2，ZHI Qiang1,2，LI Junguo1,2，DENG Guangxu1,2

(1.,710065,；2..,.,650223,)

Investigating the relationship between cathode pulse duty cycle and phosphor screen current is extremely important for improving the automatic brightness control (ABC) circuit design of auto-gated power sources that are used as power supplies for image intensifiers. On one hand, our investigation includes analysis of the influence of cathode pulse duty cycle on phosphor screen current taking into account the matching application of the auto-gated power source and the image intensifier. On the other hand, in order to ensure that the phosphor screen brightness is maintained at a constant level, our investigation also includes the analysis of the change in cathode pulse duty cycle with change in phosphor screen current taking into account the design of the ABC circuit of the auto-gated power source. Finally, the curve diagram showing the relationship between cathode pulse duty cycle and phosphor screen current is presented.

auto-gating power source，image intensifier，automatic brightness control，cathode pulse duty cycle，phosphor screen current

TN223

A

1001-8891(2017)08-0757-04

2016-09-02；

2016-09-23.

延波（1984-），男，陕西绥德人，高级工程师，主要从事电子学在微光夜视技术中的应用研究。E-mail：yb840311@126.com。