CN102621401A - 单粒子瞬态脉冲宽度测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，该电路包括控制信号产生电路及至少一级延时翻转电路；所述控制信号产生电路具有单粒子脉冲接收端、脉冲开始信号输出端和脉冲结束信号输出端，当单粒子脉冲接收端接收到单粒子脉冲产生电路产生的单粒子脉冲信号，脉冲开始信号输出端输出的脉冲开始信号发生翻转；每级所述延时翻转电路具有翻转输入端、使能输入端和翻转输出端，其中当使能输入端信号有效时，翻转输入端的信号发生翻转后经过一定延时将使翻转输出端输出信号发生翻转，当使能输入端的使能信号输入无效时，翻转输出端信号保持不变。采用本发明实现的测量电路，能够对单粒子瞬态脉冲信号的脉冲宽度进行测量。

Description

单粒子瞬态脉冲宽度测量电路

技术领域

本发明涉及电脉冲宽度测量技术领域，特别涉及一种单粒子瞬态脉冲宽度测量电路。

背景技术

随着航天电子器件集成度的不断提高，空间辐射已经成为影响航天器可靠性和运行寿命的重要因素。辐射对集成电路的影响主要分为两大类：单粒子效应和总剂量效应。总剂量效应是集成电路长期处在辐射环境中，辐射效果积累所产生的效应；单粒子效应是辐射能量粒子进入集成电路后，辐射效果即时作用所产生的效应。其中单粒子效应可细分为三类：

1、单粒子软错误效应：包括单粒子翻转效应，单粒子瞬变效应，单粒子多翻转效应等，在短时间内对电路节点产生干扰。

2、具有潜在危险性的效应：如单粒子闩锁效应，如不加以控制，可能会导致芯片发生单粒子烧毁。

3、单粒子硬错误效应，如位移损伤等，会使得芯片中的晶体管彻底不能工作。

其中，单粒子瞬变效应是常见的影响芯片性能的主要因素，当芯片放置在辐射环境中，周围能量粒子会注入到芯片内部，通过电离辐射在能量粒子的运动轨迹上产生一定数目的电子、空穴对，这些电子、空穴对会在电场的作用下被电路节点吸收，改变节点电平，如果没有反馈回路，那么当单粒子作用的时间结束后，该节点电平又会恢复回原来的值，从而在电路中产生一个脉冲信号。

为了深入研究单粒子效应的发生机理、规律，测量各种星载电子元器件和集成电路的辐射敏感参数，评价其抗单粒子效应的水平和故障风险，为器件选型和抗辐射加固措施提供依据，需要搭建有效的测量环境，对瞬态脉冲信号宽度等特征进行准确测量。其中测量环境往往选择地面辐照实验，通过模拟产生宇宙射线粒子对待测芯片进行轰击试验，模拟真实的宇宙空间辐射环境。在对脉冲信号宽度进行测量时，根据入射粒子种类、能量等不同，产生的单粒子脉冲信号电平维持时间也不同，脉冲宽度可以从几十皮秒到一千皮秒以上。如果采用传统的示波器或逻辑分析仪等检测设备测量单粒子瞬态脉冲宽度，要求测量设备的频率必须非常高，这样的高频设备往往国内不能生产，国外也禁止输出，这使得测量成本非常高，实现难度大。如果采用片上电路进行测量，现有的脉冲宽度测量方法往往通过外部输入高频信号对脉冲信号采样来进行测量，因此捕获精度受采样信号的频率和波形影响，实际测量中也难以提供频率极高，波形特点又十分优良的采样信号，使得电路可测范围小，测量精度低。

发明内容

针对之前测量电路可测范围小，测量精度低的缺点，本发明提供一种单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，包括：

控制信号产生电路，具有单粒子脉冲接收端、脉冲开始信号输出端和脉冲结束信号输出端，当在单粒子脉冲接收端接收到单粒子脉冲信号，脉冲开始信号输出端输出的脉冲开始信号发生翻转，当该单粒子脉冲信号结束时，脉冲结束信号输出端输出的脉冲结束信号发生翻转；

至少一级延时翻转电路，每级延时翻转电路具有翻转输入端、使能输入端和翻转输出端，翻转输入端的信号发生翻转后经过一定延时将使翻转输出端输出信号发生翻转，当使能输入端的使能信号输入无效时，翻转输出端输出信号将不随翻转输入端信号变化，即，翻转输出端信号保持不变。

其中，所述脉冲开始信号输出端连接到第一级延时翻转电路的翻转输入端，其后每一级延时翻转电路的翻转输入端连接上一级延时翻转电路的翻转输出端，脉冲结束信号输出端连接到所有延时翻转电路的使能输入端。

根据本发明提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，通过改变电路级数和电路结构、电路尺寸等可以控制每级输出结果，能够调节测量位数和每级比较的测量精度，更好的适合所测单粒子瞬态脉冲的特点，可测脉冲宽度范围大，测量精度高。

附图说明

图1为本发明的一个实施例提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路结构示意图

图2为本发明的一个实施例提供的控制信号产生电路的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例提供的控制信号产生电路工作波形示意图；

图4为本发明的一个实施例提供的带逻辑功能的双稳态电路结构示意图；

图5为本发明的一个实施例提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路测量一个单粒子瞬态脉冲的整体工作波形示意图；

具体实施方式

图1所示为连接了单粒子脉冲信号产生电路100的，本发明的一个实施例提供的单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，包括控制信号产生电路101及至少一级延时翻转电路102。图1中示出延时翻转电路102有n级(例如，可以由5级电路构成)。下文中在测量特定宽度范围的单粒子脉冲信号时，采用5级延时翻转电路，当然根据测量需要，不限于此。根据本发明的实施例，每级延时翻转电路102由带逻辑功能的双稳态电路构成。每级延时翻转电路102包括翻转输入端、使能输入端和翻转输出端，其中当使能输入端的使能信号输入有效时，翻转输入端的信号发生翻转后经过一定延时将使翻转输出端输出信号发生翻转，当使能输入端的使能信号输入无效时，翻转输出端输出信号将不随翻转输入端信号变化，即，翻转输出端信号保持不变。

控制信号产生电路101，具有单粒子脉冲接收端、脉冲开始信号输出端和脉冲结束信号输出端，当在单粒子脉冲接收端接收到单粒子脉冲产生电路100产生的单粒子脉冲信号时，脉冲开始信号输出端输出的脉冲开始信号发生翻转，当该单粒子脉冲信号结束时，脉冲结束信号输出端输出的脉冲结束信号发生翻转；

其中，由单粒子脉冲信号产生电路100产生待测单粒子脉冲信号input，输入到控制信号产生电路101的单粒子脉冲接收端。该脉冲信号发生翻转时驱动控制信号产生电路101在脉冲开始信号输出端输出的脉冲开始信号begin信号发生翻转，当该脉冲信号结束时，脉冲结束信号输出端输出的脉冲结束信号end信号发生翻转。其中将脉冲开始信号begin信号输入到第一级延时翻转电路的翻转输入端，从第二级延时翻转电路开始，每一级延时翻转电路的翻转输入端连接到上一级延时翻转电路的翻转输出端out1/.../n-1。将所述脉冲结束信号end信号连接到所有各级延时翻转电路的输入使能输入端。

为了测量高电平单粒子瞬态脉冲宽度，本实施例中，设计了如图2所示的控制信号产生电路，所述控制信号产生电路包括2个或非门基本RS锁存器：第一RS锁存器201和第二RS锁存器202、非门203和与门204。2个RS锁存器的R输入端均用于接收复位输入信号，用于将脉冲开始信号输出端和脉冲结束信号输出端复位，使得在待测信号input输入前，二者均能处于确定的电平状态。如图2中所示，两个RS锁存器201和202的R端作为复位信号输入端，接收的reset信号即为复位输入信号(高电平有效)。input信号作为第一RS锁存器201的S端输入信号，同时也作为非门203的输入信号。第一RS锁存器201的Q端输出信号即为begin信号，非门203的输出信号同begin信号分别作为与门204的两个输入信号，与门204的输出信号作为第二RS锁存器202的S端输入信号，第二RS锁存器202的Q端输出信号即为end信号。

参考图2和图3，观察上述控制信号产生电路101的工作波形。图3中从上到下依次为脉冲结束信号end和脉冲开始信号begin，粒子脉冲信号input，复位信号reset的电压波形。当reset信号为高电平时，RS锁存器201和202复位，begin信号置为低电平，end信号置为高电平。reset信号恢复为低电平时测量开始，此时当input信号变为高电平时，驱动RS锁存器201发生翻转，使得begin信号由低电平变为高电平，此时非门203的输出为低电平，与门204的输出为低电平，end信号保持高电平不变。而后当input信号恢复为低电平时，非门203输出变为高电平，使得与门204输出变为高电平，end信号由高电平变为低电平。即input信号电平初始发生改变后(图3中为从低到高)，begin信号由低电平变为高电平，在input信号恢复到初始电平后，end信号由初始高电平变为低电平。

在本实施例中，各级延时翻转电路均采用相同的电路结构和尺寸。如图4所示，每级延时翻转电路102由带逻辑功能的双稳态电路构成，该带逻辑功能的双稳态电路为带与门401的第三RS锁存器。每个双稳态电路有两个信号输入端，即翻转输入端S1和使能输入端S2，以及翻转输出端Q。翻转输入端S1和使能输入端S2的信号经过与门401后输出到RS锁存器的S端。为了保证RS锁存器在测量前能够维持一个确定的稳定状态，将R作为控制端接收统一的复位控制信号(即前述的reset信号，未示出)，用于将各级翻转延时电路复位。Q端作为翻转输出端输出out信号，例如out1/out2/.../outn信号，输入到下一级延时翻转电路的翻转输入端S1。前述的end信号作为使能输入信号输入到各级延时翻转电路的使能输入端S2。其中当使能输入端S2的使能信号输入有效时，翻转输入端S1的翻转输入经过一定延时后在翻转输出端Q端引起翻转输出。在本实施例中，RS锁存器由CMOS电路构成，并且通过控制NMOS管和PMOS管的宽长来控制RS锁存器的延时。可供选用的数值为：PMOS管宽长为1.66微米/0.13微米，NMOS管宽长为0.64微米/0.13微米。在其他实施例中，可以根据测量的需要调整延时翻转电路的级数以及各级延时翻转电路的结构或尺寸。

图5所示为本实施例中，单粒子瞬态脉冲宽度测量电路测量一个单粒子瞬态脉冲的整体工作波形示意，从上至下依次为各级延时翻转电路翻转输出端信号out5，out4，out3，out2，out1，以及脉冲结束信号end和脉冲开始信号begin，粒子脉冲信号input，复位信号reset的电压波形(此处各信号并不表示电平的变化，而是指整个测量过程中相应端子的电平)。其中input为待测单粒子脉冲信号，高电平宽度为200ps，reset为复位信号，out1，out2，out3，out4，out5分别为第一至第五级延时翻转电路的输出信号。在工作过程中，控制信号产生电路和各级延时翻转电路首先在统一的reset控制信号下复位，各级延时翻转电路的输出信号out1至out5初始值均为0，begin信号为0，end信号为1。之后当input信号发生翻转由0变为1，使得begin信号也由0变为1，此时begin信号同end信号经过与门的输出也为1，从而驱动第一级延时翻转电路发生翻转，使得out1变为1，此时input信号还没有恢复为0电平，那么end信号依旧为1，第2级延时翻转电路翻转，使得out2变为1，在out2翻转后，由于input信号恢复到低电平，end信号变为0，经过第3级与门的输出结果为0，无法驱动第3级延时翻转电路延时翻转电路翻转，因此第3级，第4级，第5级延时翻转电路输出保持不变，均输出0。

从上述测量过程可以看出，输入脉冲宽度越宽，所能驱动翻转的锁存器数目越多。在设计电路时，可以通过重复改变输入脉冲宽度，得到脉冲宽度与延时翻转电路翻转个数对应表格，如下表所示，其中0表示输出低电平，即输出不翻转，1表示输出高电平，即输出发生翻转。据此即可根据实际锁存器输出翻转情况，反推出所测脉冲宽度的范围。在实际电路设计过程中，可以根据测量范围和测量精度要求，通过尝试不同的电路尺寸和电路结构，使得各级锁存器的输出翻转情况同脉冲宽度之间的对应关系更加符合设计要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单粒子瞬态脉冲宽度测量电路，包括：

控制信号产生电路(101)，具有单粒子脉冲接收端、脉冲开始信号输出端和脉冲结束信号输出端，当在单粒子脉冲接收端接收到单粒子脉冲信号时，脉冲开始信号输出端输出的脉冲开始信号发生翻转，当该单粒子脉冲信号结束时，脉冲结束信号输出端输出的脉冲结束信号发生翻转；

至少一级延时翻转电路(102)，每级延时翻转电路具有翻转输入端、使能输入端和翻转输出端，其中当使能输入端的使能信号输入有效时翻转输入端的信号发生翻转后经过一定延时将使翻转输出端输出信号发生翻转，当使能输入端的使能信号输入无效时，翻转输出端输出信号将不随翻转输入端信号变化，即，翻转输出端信号保持不变。

其中，所述脉冲开始信号输出端连接到第一级延时翻转电路的翻转输入端，其后每一级延时翻转电路的翻转输入端连接上一级延时翻转电路的翻转输出端，脉冲结束信号输出端连接到所有延时翻转电路的使能输入端。

2.根据权利要求1所述的电路，其中每级延时翻转电路(102)都由带逻辑功能的双稳态电路构成。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述带逻辑功能的双稳态电路为带与门的RS锁存器，与门的两输入端分别为该级延时翻转电路的翻转输入端和使能输入端，与门的输出连接到RS锁存器的S输入端，RS锁存器的R输入端接收复位信号，RS锁存器的输出端即为翻转输出端。

4.根据权利要求3所述的电路，其中RS锁存器由CMOS电路构成，并且通过控制NMOS管和PMOS管的宽长来控制RS锁存器的延时。

5.根据权利要求1所述的电路，其中在所述控制信号产生电路(101)中，脉冲开始信号的翻转为从低电平到高电平的翻转，脉冲结束信号的翻转为从高电平到低电平的翻转。

6.根据权利要求5所述的电路，其中所述控制信号产生电路(101)还包括复位信号输入端，用于接收复位输入信号，将脉冲开始信号输出端复位到低电平，将脉冲结束信号输出端复位到高电平。

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