CN103997321A - 数字超宽带梳状谱信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字超宽带梳状谱信号发生器，包括限幅器、比较器逻辑转换器、微分器、宽带开关、高通滤波器、开关驱动电路、电源模块，高通滤波器的信号输出端作为数字超宽带梳状谱信号输出端；本发明利用限幅器进行双向限幅，保护器件免受强信号的影响而烧毁；将比较器的输入信号与零比较，产生方波时钟信号；再通过逻辑转换器与高电平相与，跟随输出，提高方波上升沿或下降沿；然后经过微分器，实现上升沿或下降沿充放电，形成窄脉冲；之后通过宽带开关，时域相乘，调制输出所需脉冲，控制谱线的间隔；最后利用高通滤波器，高通滤波低频抑制；同时，通过开关驱动电路，取样调制周期，从而实现了超宽带、谱线可调、波形稳定的梳状谱。

Description

数字超宽带梳状谱信号发生器

技术领域

本发明涉及梳状谱发生器研究技术领域，尤其涉及一种数字超宽带梳状谱信号发生器。

背景技术

目前，梳状谱信号产生方法主要是利用微波二极管的高次谐波产生，其原理是利用储能元件充放电得到短持续时间的信号，再经过脉冲成形网络进行整形后满足要求的脉冲波形，这类器件包括隧道二极管、阶跃恢复二极管、雪崩晶体三极管、俘越二极管和脉冲放电管等，主要应用于信号的标校和电磁兼容的测试。其中，微波二极管是利用其特殊的能带结构产生隧道电流，可以使得脉冲振幅为几百毫伏，上升沿可达几十皮秒。阶跃管是利用电荷储存效应产生阶跃恢复的性质，与电感构成振荡回路后生成振幅为几伏到十几伏的纳秒和亚纳秒脉冲，雪崩晶体管和俘越二极管利用晶体管的雪崩击穿特性，生成脉冲振幅可达几十伏到几百伏；脉冲放电管是用高压电将火花隙击穿后产生电离，可以产生幅度超过几百伏的亚纳秒脉冲。目前这些电路由于放电拖尾现象的存在，产生的脉冲波形不稳定，谱线的间隔不可调，高次谐波有限带宽不能做到现在所需要的宽度。

发明内容

 本发明的目的是提供一种数字超宽带梳状谱信号发生器，根据梳状谱输出的需要通过设置开关调制频率实现不同谱线间隔的梳状谱信号输出。

 本发明采用的技术方案为：

一种数字超宽带梳状谱信号发生器，包括限幅器，限幅器的输入端用于输入正弦波信号，限幅器的第一信号输出端连接比较器的信号输入端，比较器的信号输出端连接逻辑转换器的信号输入端，逻辑转换器的信号输出端连接微分器的信号输入端，微分器的信号输出端连接宽带开关的信号输入端，宽带开关的信号输出端连接高通滤波器的信号输入端，高通滤波器的信号输出端作为数字超宽带梳状谱信号输出端，限幅器的第二信号输出端通过开关驱动电路连接宽带开关的控制端，电源模块为整个装置供电。

所述的限幅器包括两个反向并联的二极管，第一二极管的正极和第二二极管的负极通过串联的第一电阻和第一电容输入正弦波信号，第一二极管的正极和第二二极管的负极还通过第二电容连接比较器的信号输入端，第一二极管的正极和第二二极管的负极还连接开关驱动电路的信号输入端，第一二极管的负极和第二二极管的正极接地。

所述的比较器的同相输入端连接第二电容，比较器的反相输入端通过第三电容接地，比较器的信号输出端通过第四电容连接逻辑转换器的信号输入端。

逻辑转换器的逻辑输入端口连接第四电容，逻辑转换器的逻辑高电平输入端口通过第二电阻接地，逻辑转换器的逻辑输出口连接第五电容的第一端。

所述的微分器包括第五电容和第三电阻，第五电容的第二端和第三电阻的第二端连接宽带开关的第一接触点，第三电阻的第一端接地。

所述的宽带开关采用高速宽带微波开关，高速宽带微波开关的第二接触点连接高通滤波器的信号输入端，高通滤波器的信号输出端通过第五电阻接地，高通滤波器的信号输出端还连接第四电阻的第一端，第四电阻的第二端通过第六电阻接地，第四电阻的第二端连接输出节点，输出节点作为数字超宽带梳状谱信号输出端。

所述的开关驱动电路通过第七电阻连接限幅器，开关驱动电路的输出端通过第八电阻连接宽频开关的控制端。

本发明利用限幅器进行双向限幅，保护器件免受强信号的影响而烧毁；将比较器的输入信号与零比较，产生方波时钟信号；再通过逻辑转换器与高电平相与，跟随输出，提高方波上升沿或下降沿；然后经过微分器，实现上升沿或下降沿充放电，形成窄脉冲；之后通过宽带开关，时域相乘，调制输出所需脉冲，控制谱线的间隔；最后利用高通滤波器，高通滤波低频抑制；同时，通过开关驱动电路，取样调制周期，从而实现了超宽带、谱线可调、波形稳定的梳状谱。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明的输入的正弦时钟信号波形图；

图4为本发明的由限幅器限幅的顶部削平的信号波形图；

图5为本发明的由比较器输出的方波时钟信号波形图；

图6为本发明的由逻辑转换器输出的上升沿和下降沿更为陡峭的数字方波信号的波形图；

图7为本发明的由微分器输出的窄脉冲信号波形图；

图8为本发明的由宽带开关过滤后的窄脉冲信号波形图；

图9为本发明的宽带开关导通信号波形图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明包括限幅器，限幅器包括两个反向并联的二极管，第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极通过串联的第一电阻R1和第一电容C1输入正弦波信号，第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极还通过第二电容C2连接比较器U1的同相输入端VP，第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极还通过第七电阻R2连接开关驱动电路U4的信号输入端，开关驱动电路U4的输出端通过第八电阻R4连接与宽带开关SPST的控制端相接的节点port3，第一二极管D1的负极和第二二极管D2的正极接地；比较器U1的反相输入端VN通过第三电容C3接地，比较器U1的信号输出端Q通过第四电容C4连接逻辑转换器U2的信号输入端AP，逻辑转换器U2的逻辑高电平输入端口BN通过第二电阻R8接地，逻辑转换器U2的逻辑输出口DP连接第五电容C5的第一端。微分器包括第五电容C5和第三电阻R9，第五电容C5的第二端和第三电阻R9的第二端连接宽带开关SPST的第一接触点SW，第三电阻R9的第一端接地。宽带开关SPST采用高速宽带微波开关，高速宽带微波开关的第二接触点SL连接高通滤波器U5的信号输入端，高通滤波器U5的信号输出端通过第五电阻R12接地，高通滤波器U5的信号输出端还连接第四电阻R13的第一端，第四电阻R13的第二端通过第六电阻R11接地，第四电阻R13的第二端还连接输出节点port2，作为数字超宽带梳状谱信号输出端。

其中，第一电阻R1、第七电阻R2起到微波信号的耦合功分作用，将输入的10MHz信号耦合给开关驱动电路U4；第一电容C1、第二电容C2、第四电容C4为隔直电容，防止电源进入相应的器件干扰有用信号。高通滤波器U5为滤除电路中的低频部分，从而输出想要的信号，在频域上即为梳状谱信号。第六电阻R11、第五电阻R12、第四电阻R13组成衰减网络对信号的幅度进行衰减调整。电路中的各个模块还包含有其他外围电路，属于现有常规电路，在此不再详细赘述。

其中，限幅器采用两个二极管双向限幅，保护器件免受强信号的影响而烧毁。比较器U1的输入信号与零比较，产生方波时钟信号，比较器U1的信号输出端连接逻辑转换器U2的信号输入端，逻辑与门转换，与高电平相与，跟随比较器U1的输出，提高方波上升沿或下降沿的高度；逻辑转换器U2的信号输出端连接微分器的信号输入端，微分器即RC充放电路，上升沿或下降沿充放电，形成窄脉冲；微分器的信号输出端连接宽带开关SPST的信号输入端，宽带开关SPST进行时域相乘，调制输出所需脉冲，控制谱线的间隔；宽带开关SPST的信号输出端连接高通滤波器U5的信号输入端，高通滤波器U5高通滤波低频抑制，高通滤波器U5的信号输出端作为数字超宽带梳状谱信号输出端，限幅器的第一信号输出端通过开关驱动电路U4连接宽带开关SPST的控制端，开关驱动电路U4取样调制周期，电源模块U3为整个装置供电。

下面结合附图详细说明本发明的工作原理：

如图1和图2所示，图2中port1是信号输入端口，输入正弦时钟信号，以10MHz为例，输入的是10MHz的正弦波信号，如图3所示的波形图，10MHz的正弦波信号首先经过限幅器的限幅，限幅器由双向二极管D1、D2组成，限幅器将输入的正弦信号变为顶部削平的信号，如图4所示的波形图，限幅后分为两路，一路发送给比较器U1，比较器U1采用ADCMP572，比较器U1的输入信号与零比较，将限幅器输出的模拟量信号转变为数字方波信号，从而产生方波时钟信号，如图5所示的波形图；另一路发送给开关驱动电路U4。比较器U1输出的方波信号发送给逻辑转换器U2，逻辑转换器U2采用HMC722LC3C，执行与门逻辑变换，将数字方波信号的上升沿和下降沿变得更为陡峭，如图6所示的波形图，逻辑转换器U2再将信号发送给微分器，微分器由电容C5和电阻R9构成RC微分电路，方波信号经过微分后形成窄脉冲信号，由于微分时方波的下降沿和上升沿均产生一个窄脉冲，两个脉冲幅度、脉宽不同在频域会产生叠加，如图7所示的波形图，微分后经过宽带开关SPST的处理，利用时域相乘频域卷积，即宽带开关SPST从时域上滤去上升沿或下降沿所产生的脉冲中的一个，如图8所示的波形图，宽带开关SPST的动作由开关驱动电路U4控制，图2中port3是开关驱动电路U4的输出端，开关高电平有效，导通输出下降沿脉冲信号，开关关断上升沿脉冲。高通滤波器U5，滤除电路中的低频部分，从而输出想要的信号，在频域上即为梳状谱信号，图2中port2端口是梳状谱信号输出端。电源模块U3，将+5V的直流电变为+3.3V，以供电路所需。

其中，信号经过微分器将方波信号通过RC微分电路产生两个脉冲，而最终只需要一个脉冲即可，所以通过宽带开关SPST关断其中一个脉冲，输出另一个脉冲。开关驱动电路U4驱动的时钟由10MHz输入信号耦合，这样宽带开关SPST及开关驱动电路U4在时钟上做到同步，开关驱动电路U4发送的控制信号为宽带开关SPST输入信号的分路，同步关断导通。宽带开关SPST的采样频率为谱线的间隔，例如宽带开关SPST的导通宽度为50ns，导通情况如图9所示，轴线上方的方形脉冲为开关驱动电路U4发送的开关控制信号，轴线上方和下方的窄脉冲为正、负脉冲信号，导通后输出轴线下方的窄脉冲信号。

以梳状谱输出频率到12GHz，谱线间隔10MHz为例。

梳状谱在时域上是以T=1/f_r为重复周期（f_r为谱线间隔），其脉冲宽度τ等于1/f₁₀的窄脉冲（f₁₀为梳状谱的第一零点谱线频率）。则要产生所要求的梳状谱，在时域上产生重复周期T=1/f_r=1/10MHz=100ns，脉冲宽度小于

τ=1/f₁₀=1/12GHz=83.3ps的窄脉冲即可。

逻辑转换器U2采用HMC722LC3C，是HITTITE公司生产的一款超速逻辑芯片，最高速率为13Gbps，可实现与、与非、或、或非逻辑。主要应用于16G光纤信道、射频自动测试、宽度测试测量、13GHz以下的数字逻辑、高速连续数据传输，传输延迟为90ps，上升沿19ps，下降沿18ps，单电压供电，速率13Gbps。

利用Ansoft软件对RC微分电路进行充放电仿真，R取51Ω，C取0.3pF,方波信号重频10MHz，脉宽50ns，上升沿19ps，下降沿18ps，则结果输出正脉冲宽度为53.9ps，输出负脉冲宽度为52.9ps。因此采用逻辑转换器U2（HMC722LC3C）能够满足设计要求。

本装置的电路设置在电路板上，电路板设计采用专用微波板材Rogers4350，介电常数温度系数低、宽频率介电常数稳定、材料的玻璃化温度大于280度，低Z轴热膨胀系数，加工过程中尺寸稳定。频率越高，分布参数影响越大，接地要求越高，设计中采用50欧姆阻抗传输线，传输线两边增加接地过孔数量，保证良好接地。

Claims (7)

1.一种数字超宽带梳状谱信号发生器，其特征在于：包括限幅器，限幅器的输入端用于输入正弦波信号，限幅器的第一信号输出端连接比较器的信号输入端，比较器的信号输出端连接逻辑转换器的信号输入端，逻辑转换器的信号输出端连接微分器的信号输入端，微分器的信号输出端连接宽带开关的信号输入端，宽带开关的信号输出端连接高通滤波器的信号输入端，高通滤波器的信号输出端作为数字超宽带梳状谱信号输出端，限幅器的第二信号输出端通过开关驱动电路连接宽带开关的控制端，电源模块为整个装置供电。

2.根据权利要求1所述的数字超宽带梳状谱信号发生器，其特征在于：所述的限幅器包括两个反向并联的二极管，第一二极管的正极和第二二极管的负极通过串联的第一电阻和第一电容输入正弦波信号，第一二极管的正极和第二二极管的负极还通过第二电容连接比较器的信号输入端，第一二极管的正极和第二二极管的负极还连接开关驱动电路的信号输入端，第一二极管的负极和第二二极管的正极接地。

3.根据权利要求2所述的数字超宽带梳状谱信号发生器，其特征在于：所述的比较器的同相输入端连接第二电容，比较器的反相输入端通过第三电容接地，比较器的信号输出端通过第四电容连接逻辑转换器的信号输入端。

4.根据权利要求3所述的数字超宽带梳状谱信号发生器，其特征在于：逻辑转换器的逻辑输入端口连接第四电容，逻辑转换器的逻辑高电平输入端口通过第二电阻接地，逻辑转换器的逻辑输出口连接第五电容的第一端。

5.根据权利要求4所述的数字超宽带梳状谱信号发生器，其特征在于：所述的微分器包括第五电容和第三电阻，第五电容的第二端和第三电阻的第二端连接宽带开关的第一接触点，第三电阻的第一端接地。

6.根据权利要求5所述的数字超宽带梳状谱信号发生器，其特征在于：所述的宽带开关采用高速宽带微波开关，高速宽带微波开关的第二接触点连接高通滤波器的信号输入端，高通滤波器的信号输出端通过第五电阻接地，高通滤波器的信号输出端还连接第四电阻的第一端，第四电阻的第二端通过第六电阻接地，第四电阻的第二端连接输出节点，输出节点作为数字超宽带梳状谱信号输出端。

7.根据权利要求6所述的数字超宽带梳状谱信号发生器，其特征在于：所述的开关驱动电路通过第七电阻连接限幅器，开关驱动电路的输出端通过第八电阻连接宽频开关的控制端。