CN103490750B - 一种基于高速与门的超快脉冲产生电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，该电路包括FPGA波形控制器，用于产生第一控制信号和第二控制信号，信号转换模块，用于将来自所述FPGA波形控制器的第一控制信号和第二控制信号转换为相位相同幅度不同的第一脉冲信号和第二脉冲信号，和超高速电压比较器，用于对所述第一脉冲信号和第二脉冲信号进行幅度比较，并输出脉冲信号，电压转换器，用于提供预定电压值的直流电压信号，高速与门，基于所述直流电压信号和来自所述超高速电压比较器的脉冲信号输出超快脉冲信号。本发明基于高速与门获得上升沿为20ps、脉宽大约为40ps到几个纳秒，并且具有理想功率、理想波形的超快脉冲信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲产生电路，特别是一种基于高速与门的超快脉冲产生电路。
背景技术
超快脉冲的性能与电路中所使用的高速器件有关，以往的装置能产生上升沿为纳秒的高速脉冲。用于产生该高速脉冲的器件主要有：隧道二极管、阶跃恢复二极管、雪崩晶体管、双极型晶体管、光导开关等器件。利用隧道二极管、阶跃恢复二极管能产生极窄脉冲，但产生的脉冲幅度一般为几百毫伏，脉冲的上升沿一般为几百皮秒；基于Marx电路的雪崩晶体管能产生纳秒级的脉冲，产生的脉冲幅度为几十至几百伏，但可触发频率低且要求较高的电源电压，脉冲的上升沿一般为纳秒级；基于火花隙的光导开关能产生千伏以上的脉冲，但产生的脉冲重复频率太低，而且工作时需要几百至几千伏的电源电压，体积庞大，不利于小型化的设计要求；双极型晶体管产生的脉冲性能好，可触发频率高，幅度可达几十伏，能够满足一般收、发系统的技术要求，但产生的脉冲的上升沿一般为纳秒级。利用传统的脉冲产生方法很难实现上升沿小于20ps的脉冲信号。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，以利于获得理想功率、理想波形的超快脉冲信号，同时该电路还具有功率低、体积小、重量轻和结构简单的特点。
为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，该电路包括
FPGA波形控制器，用于产生第一控制信号和第二控制信号，
信号转换模块，用于将来自所述FPGA波形控制器的第一控制信号和第二控制信号转换为相位相同幅度不同的第一脉冲信号和第二脉冲信号，和
超高速电压比较器，用于对所述第一脉冲信号和第二脉冲信号进行幅度比较，并输出脉冲信号。
电压转换器，用于提供预定电压值的直流电压信号，
高速与门，基于所述直流电压信号和来自所述超高速电压比较器的脉冲信号输出超快脉冲信号。
优选的，所述电压转换器的输出电压为500mV。
优选的，所述信号转换模块包括第一支路和第二支路，所述第一支路包括第一数模变换器和第一放大器，所述第一数模转换器的输出端与第一放大器连接；所述第二支路包括第二数模变换器和第二放大器，所述第二数模转换器的输出端与第二放大器连接。
优选的，所述信号转换模块还包括在第一数模变换器和第一放大器之间连接的第一滤波器，在第二数模变换器和第二放大器之间连接的第二滤波器。
优选的，所述第一支路根据所述第一控制信号输出直流电压作为超高速电压比较器的门限电压VH；所述第二支路根据所述第二控制信号输出频率可调、幅度可控的脉冲信号作为超高速电压比较器的输入信号。
优选的，所述门限电压VH为400mV。
优选的，所述超高速电压比较器的输入电压高于+VH/2时，超高速电压比较器输出上升信号；当输入电压低于+VH/2时，超高速电压比较器输出下降信号。
优选的，该电路的输入输出阻抗为50欧姆。
优选的，所述超高速电压比较器输出上升沿小于50ps的脉冲信号。
优选的，所述高速与门输出上升沿小于20ps的超快脉冲信号
本发明的有益效果：本发明基于高速与门获得上升沿为20ps、脉宽大约为40ps到几个纳秒，并且具有理想功率、理想波形的超快脉冲信号，同时该电路还具有功率低、体积小、重量轻和结构简单的特点。
附图说明
图1示出根据本发明实施例的基于高速与门的超快脉冲产生框图
图中1、FPGA波形控制器，2、第一数模变换器，3、第二数模变换器，4、第一滤波器，5、第二滤波器，6、第一放大器，7、第二放大器，8、超高速电压比较器，9、电压转换器，10、高速与门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种超快脉冲产生电路，该电路包括FPGA波形控制器1，用于产生第一控制信号和第二控制信号；信号转换模块，用于将来自所述FPGA波形控制器1的第一控制信号和第二控制信号转换为相位相同幅度不同的第一脉冲信号和第二脉冲信号，所述信号转换模块包括第一支路和第二支路，所述第一支路包括第一数模变换器2和第一放大器6，所述第一数模转换器2的输出端与第一放大器6连接，所述第二支路包括第二数模变换器3和第二放大器7，所述第二数模转换器3的输出端与第二放大器7连接，所述信号转换模块还包括在第一数模变换器2和第一放大器6之间连接的第一滤波器4，在第二数模变换器3和第二放大器7之间连接的第二滤波器5；超高速电压比较器8，用于对所述第一脉冲信号和第二脉冲信号进行幅度比较，并产生脉冲信号；电压转换器9，用于提供预定电压值的直流电压信号，电压转换器9的输出电压为500mV；高速与门10，基于所述直流电压信号和来自所述超高速电压比较器8的脉冲信号输出超快脉冲信号。
本发明工作原理：FPGA波形控制器1输出两路控制信号，分别控制两个支路上的第一数模变换器2和第二数模变换器3，使两支路上的第一数模变换器2和第二数模变换器3输出相位同步、幅度不同的脉冲信号。由于受其它噪声信号影响，数模变换器2，3输出信号的抖动比较大，幅度和频率不稳定，需要对该信号进行滤波，消除杂散信号，使信号理想化。滤波器4，5主要作用是滤除杂散，提高数模变换器输出信号的质量，减小两支路上脉冲信号的幅度波动。由于数模变换器输出的信号幅度都比较小，而且两支路信号幅度差也较小，不能驱动超高速电压比较器正常工作，因此两支路上信号幅度需要放大，使两支路上的电压及两支路的信号电压差足够驱动超高速电压比较器正常工作。放大器6，7主要用于将信号电压放大到需要的大小；当两支路输出的信号电压差大于例如400mV时，超高速电压比较器8输出高电平；当两支路输出的信号电压差小于例如400mV时，超高速电压比较器输出低电平；超高速电压比较器8会产生例如抖动为3ps、上升沿为50ps的快速小抖动脉冲信号。此时，电压变换器9产生一个500mV稳定的直流电压信号，作为高速与门10电路的“1”输入信号；将50ps快速低抖动脉冲信号作为高速与门10电路的一路信号，当快速低抖动脉冲信号为低电平时，高速与门10电路输出“0”电平，当快速低抖动脉冲信号为高电平时，高速与门10电路输出“1”电平。“0”电平到“1”电平转换时间达到20ps，“1”电平到“0”电平转换时间也达到20ps，转换速率最高到25GHz。
本发明所述电路采用多层板设计，每个供电平面相对独立，最大限度减少回路中感抗；其次，该电路结构应保证输入输出阻抗为50欧姆的阻抗匹配，输入输出接口为2.92mmSMA，减少输入输出信号的抖动。电路板采用0.254mm罗杰斯4350B板材。电路运行前，需要对超高速电压比较器8、第一数模变换器2和第二数模变换器3进行调节，首先，通过FPGA设定第一数模变换器2输出直流电压。该直流电压通过第一放大器放大后作为超高速电压比较器8门限电压VH输入超高速电压比较器8的第一输入端；其次，通过FPGA控制第一数模变换器输出频率可调、幅度可控的脉冲信号。此脉冲信号经第二放大器放大后作为输入信号输入超高速电压比较器的第二输入端。如果第二输入端的输入信号从低状态接近超高速电压比较器的门限电平+VH，同时输入脉冲信号的电压超过+VH/2时，超高速电压比较器输出一个从低变为高的上升信号；当输入信号电平稳定不变时，超高速电压比较器输出保留一个高状态。如果输入信号从高状态变换为低状态，同时输入脉冲信号的电压小于VH/2时，超高速电压比较器输出一个从高变为低的下降信号，当输入信号电平稳定不变时，超高速电压比较器输出保留一个低状态，直到输入信号从低状态接近超高速电压比较器门限电平+VH，超高速电压比较器输出下一个变化周期。用这种工作方式，减少0电平信号对脉冲产生电路输出脉冲信号的影响，大大降低了脉冲产生电路所输出的脉冲信号的抖动。调解电压转换器9输出电压，使电压变换器9产生一个500mV稳定的直流电压信号，作为高速与门10的“1”输入信号；将超高速电压比较器8输出的脉冲信号作为高速与门10的一路信号，当快速低抖动脉冲信号为低电平时，高速与门10输出“0”电平，当快速低抖动脉冲信号为高电平时，高速与门10输出“1”电平。“0”电平到“1”电平转换时间达到20ps，“1”电平到“0”电平转换时间也达到20ps，转换速率最高到25GHz。
基于上述本发明所述的技术方案，可以产生上升沿为20ps、脉宽大约为40ps到几个纳秒的电磁能量脉冲。脉冲信号具有理想的功率、理想的脉冲波形、超快前后沿、以及较高的重复频率，实现45Gbps数据信号的产生，同时也可实现NRZ码到归零码的转换。本发明所述基于高速与门的超快脉冲产生电路可广泛用于宽带设备的瞬态响应的校准以及示波器上升沿的校准。同时也可以用于自动测试设备的设计、医疗成像与诊断、门限探测、高速触发电路、高速时钟信号产生等。
可以理解为，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，其特征在于：该电路包括
FPGA波形控制器，用于产生第一控制信号和第二控制信号，
信号转换模块，用于将来自所述FPGA波形控制器的第一控制信号和第二控制信号转换为相位相同幅度不同的第一脉冲信号和第二脉冲信号，和
超高速电压比较器，用于对所述第一脉冲信号和第二脉冲信号进行幅度比较，并输出脉冲信号，
电压转换器，用于提供预定电压值的直流电压信号，
高速与门，基于所述直流电压信号和来自所述超高速电压比较器的脉冲信号输出超快脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，其特征在于：所述电压转换器的输出电压为500mV。
3.根据权利要求1所述的一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，其特征在于：
所述信号转换模块包括第一支路和第二支路，所述第一支路包括第一数模变换器和第一放大器，所述第一数模变换器的输出端与第一放大器连接；
所述第二支路包括第二数模变换器和第二放大器，所述第二数模变换器的输出端与第二放大器连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，其特征在于：
所述信号转换模块还包括在第一数模变换器和第一放大器之间连接的第一滤波器，在第二数模变换器和第二放大器之间连接的第二滤波器。
5.根据权利要求3所述的一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，其特征在于：
所述第一支路根据所述第一控制信号输出直流电压作为超高速电压比较器的门限电压VH；
所述第二支路根据所述第二控制信号输出频率可调、幅度可控的脉冲信号作为超高速电压比较器的输入信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，其特征在于：所述门限电压VH为400mV。
7.根据权利要求3所述的一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，其特征在于：所述超高速电压比较器的输入电压高于+VH/2时，超高速电压比较器输出上升信号；当输入电压低于+VH/2时，超高速电压比较器输出下降信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，其特征在于：该电路的输入输出阻抗为50欧姆。
9.根据权利要求1所述的一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，其特征在于：所述超高速电压比较器输出上升沿小于50ps的脉冲信号。
10.根据权利要求9所述的一种基于高速与门的超快脉冲产生电路，其特征在于：所述高速与门输出上升沿小于20ps的超快脉冲信号。
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