CN102468828B - 一种波形发生器的脉冲边沿调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波形发生器的脉冲边沿调控装置，该装置包括：脉冲输入单元、上升沿电流源、下降沿电流源、切换单元、电容充放电单元及波形输出单元，其中，脉冲输入单元，用于接收快沿脉冲波形信号；上升沿电流源，用于输出预设值的充电电流；下降沿电流源，用于输出预设值的放电电流；切换单元，用于根据快沿脉冲波形信号控制所述上升沿电流源对电容充放电单元充电，或控制下降沿电流源对电容充放电单元放电；电容冲放电单元，用于根据充电电流和放电电流调整快沿脉冲波形信号的脉冲边沿时间；波形输出单元，用于输出脉冲边沿时间调整后的脉冲波形信号。

Description

一种波形发生器的脉冲边沿调控装置

技术领域

本发明关于波形发生器，具体的讲是一种波形发生器的脉冲边沿调控装置。

背景技术

在现有技术中，DDS函数任意波形发生器基本上都具有脉冲波形输出功能，但是能够支持脉冲边沿控制与调节的波形发生器大多只支持脉冲边沿的同步改变，即，脉冲波形上升沿的上升时间与下降沿的下降时间做相同的改变，不能对脉冲边沿进行分别控制。

如图1所示就是一个脉冲信号的典型波形。边沿时间的定义：边沿时间包括上升沿和下降沿。上升沿定义为脉冲幅度从10％阈值上升至90％阈值所持续的时间。下降沿定义为脉冲幅度从90％阈值下降至10％阈值所持续的时间。目前的DDS函数任意波形发生器只能对对图1所示的脉冲边沿(上升沿与下降沿)做相等的改变，且上升沿上升时间与下降沿的下降时间相等。

为了改变波形发生器只能对脉冲边沿同步调控的缺陷，现有技术中也提供能够对脉冲边沿进行分别控制的波形发生器，但是这种波形发生器的缺点是边沿时间的调节受限于DAC的位数，以及波表的大小，致使产生的脉冲波形边沿不稳，抖动较大，且边沿或有微小的台阶状波形，并且这种波形发生器的脉冲边沿调控器件都是采用专用ASIC芯片，成本昂贵，且实现机理复杂。

目前，也有少数厂商采用DDS波表实现对脉冲边沿的分别控制，但是缺点是边沿时间的调节受限于DAC的位数，以及波表的大小，这种方法还有一个明显的缺点就是产生的脉冲波形边沿不稳，抖动较大，且边沿或有微小的台阶状波形。

发明内容

本发明实施例提供了一种波形发生器的脉冲边沿调控装置。

本发明的目的提供一种波形发生器的脉冲边沿调控装置，该装置包括：脉冲输入单元、上升沿电流源、下降沿电流源、切换单元、电容充放电单元及波形输出单元，其中，脉冲输入单元，用于接收快沿脉冲波形信号；上升沿电流源，用于输出预设值的充电电流；下降沿电流源，用于输出预设值的放电电流；切换单元，用于根据快沿脉冲波形信号控制所述上升沿电流源对电容充放电单元充电，或控制下降沿电流源对电容充放电单元放电；电容冲放电单元，用于根据充电电流和放电电流调整快沿脉冲波形信号的脉冲边沿时间；波形输出单元，用于输出脉冲边沿时间调整后的脉冲波形信号。

通过本发明的一种波形发生器的脉冲边沿调控装置，实现了低抖动脉冲边沿时间的分别精确可调，为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种脉冲信号典型波形；

图2为本发明波形发生器的脉冲边沿调整装置的结构框图；

图3为本发明波形发生器的脉冲边沿调整装置的电路图；

图4为本发明脉冲波形边沿控制方法的流程图；

图5为本发明实施例的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

当电流给电容充电时，电容两端的电压差就会改变。如下列公式所推导：

Q＝I*t； (2)

其中，Q为被充电电容两端的电荷；U为被充电电容器两端的电压差；I为充电电流；t为充电时间；C为电容的大小。

通过以上的推导可以得出，如果要改变被充电电容的充放电时间，通过改变三个物理量可以实现，他们分别是：1、改变电容值大小；2、改变电容两端的电压差；3、改变充电的电流大小。

综上，要改变被充电电容的充放电时间最容易实现的方法以及能够连续高精度调节的最合适的物理量为：改变对电容的充放电电流的大小；此外，由公式(5)可知一旦电容的充放电电流以及电容量固定以后，电容充放电的时间与电容两端的电压差是一个线性关系，不再是常见的指数关系，这样还可以得到上升以及下降时间笔直的，与理想情况最接近的脉冲波形。

本发明提供的一种波形发生器的脉冲波形边沿调控装置，其基本原理是通过利用电容的充放电的基本原理，实现对脉冲波形的边沿时间分别进行任意的设置。

本发明实施例提供了一种波形发生器的脉冲波形边沿调控装置，如图2所示，本发明实施例的波形发生器的脉冲波形边沿调控装置包括：脉冲波形输入单元101、上升沿电流源102、下降沿电流源103、切换单元104、电容充放电单元105及脉冲波形输出单元106，其中，脉冲波形输入单元101，用于接收快沿脉冲波形信号；上升沿电流源102，用于输出预设值的充电电流；下降沿电流源103，用于输出预设值的放电电流；切换单元104，用于根据快沿脉冲波形信号控制上升沿电流源102对电容充放电单元105充电，或控制下降沿电流源103对电容充放电单元105放电；电容冲放电单元105，用于根据充电电流和放电电流调整快沿脉冲波形信号的脉冲边沿时间；波形输出单元106，用于输出脉冲边沿时间调整后的脉冲波形信号。

如图3所示，为本发明波形发生器的脉冲波形边沿调控装置的电路结构示意图，其中包括，上升沿电流源102、下降沿电流源103、射频二极管D1、D2、D3、D4及电容C1、C2、C3、C4。本实施例中通过射频二极管D1、D2、D3、D4组成的电路303构成本发明波形发生器的脉冲波形边沿调控装置的切换单元104；电容C1、C2、C3、C4即为本发明波形发生器的脉冲波形边沿调控装置的电容充放电单元105，通过切换单元切换上升沿电流源102和下降沿电流源103与电流充放电单元的连接，并控制上升沿电流源102和下降沿电流源103的充放电电流值对充放电单元实现电容的充放电操作。下面结合图3所示的电路对本发明实施例做进一步详细说明。

图4所示，为具有本发明实施例的脉冲边沿调控装置的波形发生器系统结构框图，脉冲波形生成整形电路10产生一个边沿时间非常陡峭(小于1ns)的脉冲波形，同时，脉冲波形生成整形电路10还要通过变换对这个非常陡峭的脉冲信号的幅度进行调节，将其幅度调整为脉冲波形边沿控制装置20所能够接受的电平范围以内；幅度调整后的信号便进入了脉冲波形边沿控制装置20，脉冲波形边沿控制装置20将用户的设置值，转化为不同的电流值去对脉冲波形边沿控制装置20中的电容充放电单元电容进行充放电，并完成脉冲上升沿与下降沿充电电流的高速切换；这样通过脉冲波形边沿控制装置20后脉冲波形就由原来的边沿很陡峭的对称波形，变换为用户设置的不同的上升沿时间与下降沿时间的非对称或相同的上升沿时间与下降沿时间的对称波形，最后脉冲波形边沿控制装置20的波形输出到脉冲波形输出整形装置30：脉冲波形输出整形装置30将经过脉冲波形边沿控制装置20调节的脉冲信号进行电平的搬移、放大，使其符合下一级电路的输入要求。

由脉冲波形生成整形装置10生成的快沿脉冲通过脉冲波形输入单元101进入由射频二极管D1、D2、D3、D4组成的高速开关切换网络，当脉冲上升沿到来时二极管D1、D4截止，D2、D3导通，这样上升沿电流源的电流就通过D2给电容C1、C2、C3、C4中的一个或他们四个电容的任意组合而成的电容充电，在具体实施本发明实施例的脉冲边沿调控装置时，可以首先将可调控的边沿时间范围分档，不同的档位对应不同的电容值，然后根据用户设定的时间选择档位，再进一步根据具体的时间值选择对应的电容值；下降沿电流源通过二极管D3以及前面的电路配合起来同时也在正常工作；当被充电的电容充电电压达到输入的快沿脉冲的高电平值时，就会停止充电，这时候上升沿电流源和下降沿电流源之间的电流差由前级电路来补偿，不会进入被充电的电容中，所以电容电压维持不变，直到快沿的下降沿到来后，二极管D1、D4导通，D2、D3截止，这时候下降沿电流源I2通过二极管D4给充好电的电容放电，当放电电压低至输入的快沿的低电平的时候则停止放电，这时候上升沿电流源和下降沿电流源之间的电流差由前级电路来补偿，不会进入被充电的电容中，所以电容电压维持不变；由于上升沿电流源以及下降沿电流源可以分别设置电流大小，以及后面的电容可以有不同的组合，这样前级输入的快沿对称脉冲经过这样的变换以后就可以得到上升以及下降沿分别可调的脉冲波形，最后脉冲波形输出，进入后级的信号处理电路；

本实施例中的电流源是由一个16bit的DAC来控制的，数字电路将用户输入的边沿时间的值换算成DAC的二进制码，然后再去控制一个恒流源电路输出的电流的大小，这样就可以实时的，灵活的根据用户的输入以及设定值来调节脉冲波形的边沿时间。

如图5所示，为本发明实施例的电路图，运放U812输入一个低抖动、快边沿的LVDS信号，经过运放整形后得到一个以0电压为对称轴的快沿方波信号，该信号通过由Q8001以及Q8002组成的由图3所描述的开关网络以后去给后面的电容C879、C881、C882、C883、C884、C8078充放电，上升沿电流源以及下降沿电流源分别由运放U813A,U813B以及三极管Q801、Q803及其外围电路和运放U813C、U813D，三极管Q802、Q804及其外围电路组成；三极管Q805、Q806、Q807、Q808及其外围电阻、电容组成了电容的切换电路；最后经过变换的脉冲波形通过运放U814放大整形后再输出到下级电路，直至最后的输出。

在实际中，本发明实施例中的脉冲波形边沿控制系统中的脉冲波形生成装置及脉冲波形整形装置用于整形的运放是ADI公司的AD8037，同时如果对电路稍加变形也可用NS的LMH6553或者Intersil的HFA1130IBZ等类似的带有箝位功能的运放来实现。

利用本发明中公开的一种波形发生器脉冲波形边沿调控装置，实现了低抖动脉冲边沿时间分别精确可调，可以实现输出很短的上升级下降实际的脉冲波形，脉冲波形在任意频率下、任意脉宽下的抖动很小，且边沿没有台阶，边沿平滑的脉冲波形的输出，具有很高的信号质量，脉冲波形的上升沿的上升时间与下降沿的下降时间可以分别设置，可以设置为相等，也可以设置为不相等。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种波形发生器的脉冲边沿调控装置，其特征在于，所述的装置包括：脉冲输入单元、上升沿电流源、下降沿电流源、切换单元、电容充放电单元及波形输出单元，在所述切换单元和所述电容充放电单元之间设置有由接地电容构成的前级电路单元，其中，

所述的脉冲输入单元，用于接收快沿脉冲波形信号；

所述的上升沿电流源，用于输出预设值的充电电流；

所述的下降沿电流源，用于输出预设值的放电电流；

所述前级电路单元，用于对所述上升沿电流源和所述下降沿电流源之间的电流差进行补偿；

所述的切换单元，用于根据所述的快沿脉冲波形信号控制所述上升沿电流源对所述电容充放电单元充电，或控制所述的下降沿电流源对所述电容充放电单元放电；

所述的电容冲放电单元，用于根据充电电流和放电电流调整所述的快沿脉冲波形信号的脉冲边沿时间；

波形输出单元，用于输出脉冲边沿时间调整后的脉冲波形信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的上升沿电流源根据预设的脉冲边沿时间输出预设值的充电电流。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的下降沿电流源根据预设的脉冲边沿时间输出预设值的放电电流。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括：一个16位的DAC，用于根据预设的边沿时间控制所述的上升沿电流源输出的充电电流和下降沿电流源输出的放电电流。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的切换单元包括：多个射频二极管，所述的多个射频二极管组成高速开关切换网络，根据所述的快沿脉冲波形信号控制所述上升沿电流源对所述电容充放电单元充电，或控制所述的下降沿电流源对所述电容充放电单元放电。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的电容冲放电单元，包括多个电容，所述的多个电容并联连接，用于根据预设的脉冲波形的边沿时间确定对所述电容充放电单元中进行充放电操作的电容，根据充电电流和放电电流调整所述的快沿脉冲波形信号的脉冲边沿时间。