CN104467748A - 一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器，包括：处理器单元，用于与上位机进行信息交流，发送原始脉冲信号，并对获取的脉冲参数信息进行处理，得到脉冲控制指令；光电隔离脉冲产生单元，用于根据脉冲控制指令对原始脉冲信号进行隔离，产生第一脉冲信号；脉冲幅度控制单元，用于根据脉冲控制指令控制输出电压的大小；上升沿控制单元，用于根据第一脉冲信号和输出电压控制快沿脉冲产生单元产生纳秒级前沿上升沿的第二脉冲信号。该快沿脉冲发生器各模块之间集成度高、价格低，因此整体体积小、生产成本低，而且，其实现了纳秒级前沿上升沿，并通过对脉冲幅度控制单元输出电压大小的调节，实现了对脉冲信号脉宽幅度的调节。

Description

一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器

技术领域

本申请涉及脉冲发生器技术领域，尤其涉及一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器。

背景技术

随着科学技术的进步和发展，快沿脉冲在社会各领域均得到了广泛的运用，如在武器装备领域中主要用于核物理试验、雷达等方面，特别是在模拟核爆试验中，其前沿上升沿的速率直接影响着核爆试验的结果。

目前，国内外大多数的快沿脉冲发生器均存在体积庞大的缺陷，因此无法或者不便于在一些小场所使用，这样给实际运用带来了诸多不便，而且，现有的快沿脉冲源的信号脉宽是无法进行控制的。如申请号为201310436461.9的发明名称为高压纳秒脉冲电源装置的发明专利，其提出了一种高压纳秒脉冲电源装置及控制方法，其不足之处在于信号脉宽无法控制，系统臃肿，从而导致在实际应用中适用范围较窄的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器，以克服现有技术中的快沿脉冲源体积庞大，且无法控制信号脉宽，导致适用范围较窄的问题。

为实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：

一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器，包括：处理器单元、光电隔离脉冲产生单元、脉冲幅度控制单元、上升沿控制单元和快沿脉冲产生单元；

所述处理器单元，用于与上位机进行信息交流，发送原始脉冲信号，并对获取的脉冲参数信息进行处理，得到脉冲控制指令；

所述光电隔离脉冲产生单元，用于根据所述脉冲控制指令对所述原始脉冲信号进行隔离，产生第一脉冲信号；

所述脉冲幅度控制单元，用于根据所述脉冲控制指令控制输出电压的大小；

所述上升沿控制单元，用于根据所述第一脉冲信号和所述输出电压控制所述快沿脉冲产生单元产生纳秒级前沿上升沿的第二脉冲信号。

优选的，所述处理器单元具体通过PCI总线与上位机相连。

优选的，所述处理器单元包括：FPGA芯片和外围配置电路。

优选的，所述脉冲参数信息包括：脉冲幅度值、脉冲宽度、脉冲开关。

优选的，所述脉冲幅度控制单元包括：数字电位单元和高压电源单元；

所述数字电位单元用于根据所述脉冲控制指令中的电阻值设置信息设置电阻值，运用分压改变所述高压电源单元的参考电压，控制所述高压电源单元的输出电压。

优选的，所述数字电位单元还用于将所述电阻值设置信息存储于寄存器中。

优选的，所述上升沿控制单元包括：MOSFET驱动单元和储能单元；

所述MOSFET驱动单元，用于将所述第一脉冲信号进行再处理，生成第三脉冲信号驱动打开所述快沿脉冲产生单元中的MOSFET；

所述储能单元用于当所述MOSFET打开时提供瞬间大电流，保障所述第二脉冲信号的上升沿。

优选的，所述储能单元由瓷片电容构成。

优选的，还包括：隔离电源单元，用于将所述第二脉冲信号作为参考地，并输出电源供给所述光电隔离脉冲产生单元和所述MOSFET驱动单元。

优选的，所述电源具体为基于所述第二脉冲信号作为零电势点的5V电源。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器，包括：处理器单元、光电隔离脉冲产生单元、脉冲幅度控制单元、上升沿控制单元和快沿脉冲产生单元；所述处理器单元，用于与上位机进行信息交流，发送原始脉冲信号，并对获取的脉冲参数信息进行处理，得到脉冲控制指令；所述光电隔离脉冲产生单元，用于根据所述脉冲控制指令对所述原始脉冲信号进行隔离，产生第一脉冲信号；所述脉冲幅度控制单元，用于根据所述脉冲控制指令控制输出电压的大小；所述上升沿控制单元，用于根据所述第一脉冲信号和所述输出电压控制所述快沿脉冲产生单元产生纳秒级前沿上升沿的第二脉冲信号。该快沿脉冲发生器各模块之间集成度高、价格低，因此整体体积小、生产成本低，而且，其实现了纳秒级前沿上升沿，并通过对脉冲幅度控制单元输出电压大小的调节，实现了对脉冲信号脉宽幅度的调节。

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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一提供的一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器的结构示意图；

图2为本申请实施例二提供的一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器的结构示意图。

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。

为克服现有技术中的快沿脉冲源体积庞大，且无法控制信号脉宽，导致适用范围较窄的问题，本申请提供了一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器，具体方案如下所述：

实施例一

本申请实施例一提供了一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器，如图1所示，图1为本申请实施例一提供的一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器的结构示意图。该快沿脉冲发生器包括：处理器单元101、光电隔离脉冲产生单元102、脉冲幅度控制单元103、上升沿控制单元104和快沿脉冲产生单元105。

处理器单元101，用于与上位机进行信息交流，发送原始脉冲信号，并对获取的脉冲参数信息进行处理，得到脉冲控制指令。

其中，处理器单元101包括：FPGA芯片和外围配置电路。FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)，是一个含有可编辑元件的半导体设备，可供使用者现场程序化的逻辑门阵列元件。

光电隔离脉冲产生单元102，用于根据脉冲控制指令对原始脉冲信号进行隔离，产生第一脉冲信号。

光电隔离脉冲产生单元102主要由光电耦合器及外围电路构成，主要是对原始脉冲信号进行隔离，产生一个与低压区域隔离的5V的脉冲信号。

脉冲幅度控制单元103，用于根据脉冲控制指令控制输出电压的大小。

上升沿控制单元104，用于根据第一脉冲信号和输出电压控制快沿脉冲产生单元105产生纳秒级前沿上升沿的第二脉冲信号。

由以上技术方案可知，本申请实施例一提供了一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器，包括：处理器单元、光电隔离脉冲产生单元、脉冲幅度控制单元、上升沿控制单元和快沿脉冲产生单元；所述处理器单元，用于与上位机进行信息交流，发送原始脉冲信号，并对获取的脉冲参数信息进行处理，得到脉冲控制指令；所述光电隔离脉冲产生单元，用于根据所述脉冲控制指令对所述原始脉冲信号进行隔离，产生第一脉冲信号；所述脉冲幅度控制单元，用于根据所述脉冲控制指令控制输出电压的大小；所述上升沿控制单元，用于根据所述第一脉冲信号和所述输出电压控制所述快沿脉冲产生单元产生纳秒级前沿上升沿的第二脉冲信号。该快沿脉冲发生器各模块之间集成度高、价格低，因此整体体积小、生产成本低，而且，其实现了纳秒级前沿上升沿，并通过对脉冲幅度控制单元输出电压大小的调节，实现了对脉冲信号脉宽幅度的调节。

实施例二

本申请实施例二公开了一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器，如图2所示，图2为本申请实施例二提供的一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器的结构示意图。该快沿脉冲发生器包括：处理器单元201、光电隔离脉冲产生单元202、脉冲幅度控制单元203、上升沿控制单元204、快沿脉冲产生单元205和隔离电源单元206。

处理器单元201，用于与上位机进行信息交流，发送原始脉冲信号，并对获取的脉冲参数信息进行处理，得到脉冲控制指令。

其中，处理器单元201包括：FPGA芯片和外围配置电路。FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)，是一个含有可编辑元件的半导体设备，可供使用者现场程序化的逻辑门阵列元件。处理器单元201具体通过PCI总线与上位机相连，当然也可以为其他的通讯总线，在此不作限制。

上位机通过应用软件设置的脉冲幅度值、脉冲宽度、脉冲开关等脉冲参数信息经由PCI总线发送至处理器单元201，经过处理器单元201处理后，得到脉冲控制指令以控制脉冲信号的的幅度、脉宽、开关等。其中，本申请中的处理器单元中FPGA芯片可以采用美国赛灵思半导体生产的XC7A200T-2FBG676I，该处理器可内置PCI总线核，从而实现直接与上位机进行信息交互的目的，在此不做限制，可以根据具体情况进行选择。

光电隔离脉冲产生单元202，用于根据脉冲控制指令对原始脉冲信号进行隔离，产生第一脉冲信号。

其中，光电隔离脉冲产生单元202主要由光电耦合器及外围电路构成，主要是对原始脉冲信号进行隔离，产生一个与低压区域隔离的5V的脉冲信号，光电隔离脉冲产生单元202的电源取自隔离电源单元206。

在本申请中，光电耦合器的芯片型号可以选用安华高科的6N137，其速率能达到10MBit/s。

脉冲幅度控制单元203，用于根据脉冲控制指令控制输出电压的大小。

在本实施例中，脉冲幅度控制单元203包括：数字电位单元2031和高压电源单元2032。其中，数字电位单元2031用于根据脉冲控制指令中的电阻值设置信息设置电阻值，运用分压改变高压电源单元2032的参考电压，控制高压电源单元2032的输出电压。

具体的，数字电位单元2031接收处理器单元201发送的脉冲控制指令中的电阻值设置信息，将该电阻值设置信息寄存在寄存器中，并设置电阻值，将后端高压电源单元2032中的参考电压进行分压，改变高压电源单元2032的反馈电压值的大小，控制高压电源单元2032输出电压的大小，进而控制脉冲幅度。也就是说，本申请中的脉冲幅度控制单元203运用FPGA控制数字电位单元2031的阻值的大小，采用分压的方式，改变高压电源单元2032的参考电压值，控制高压电源单元2032输出的电压值，将该电压供给快沿脉冲产生单元205中的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应管)的漏极，从而达到改变脉冲信号的幅度的目的。在本申请中，脉冲幅度的变化范围为1V～130V。其中，数字电位单元2031可以采用ADI公司生产的AD5293BRUZ-20，高压电源单元2032可以采用天津东文公司的DW-P131-25CM6，在此不作限制，可以根据需要进行选择。

上升沿控制单元204，用于根据第一脉冲信号和输出电压控制快沿脉冲产生单元205产生纳秒级前沿上升沿的第二脉冲信号。

具体的，在本实施例中，上升沿控制单元204包括：MOSFET驱动单元2041和储能单元2042。其中，MOSFET驱动单元2041，用于将第一脉冲信号进行再处理，生成第三脉冲信号驱动打开快沿脉冲产生单元205中的MOSFET。储能单元2042用于当快沿脉冲产生单元205中的MOSFET打开时提供瞬间大电流，保障第二脉冲信号的上升沿。

MOSFET驱动单元2041主要包括MOSFET驱动芯片及外围电路，能够将前端光电隔离脉冲产生单元202产生的第一脉冲信号进行再驱动，并形成一个上升沿较快的5V脉冲信号，该信号驱动后端的快沿脉冲产生单元205中的MOSFET产生所需的快沿脉冲信号。

MOSFET驱动单元2041的电源取自隔离电源单元206，参考地为后端输出的高压快沿脉冲信号。其中，MOSFET驱动芯片可以采用德州仪器公司生产的UCC27524DGN。

快沿脉冲产生单元205主要由MOSFET及外围电路构成。MOSFET驱动单元2041利用生成的第三脉冲信号将快沿脉冲产生单元205中的MOSFET的栅极与源极迅速的产生压差从而迅速打开MOSFET，此时MOSFET的漏极与源极迅速的导通，源极电压迅速上升，达到所需幅度值，源端幅度上升的时间极短，在纳秒级，因此形成所需的纳秒级脉冲前沿，输出得到最终的第二脉冲信号，该脉冲信号还将作为光电隔离脉冲产生单元202、MOSFET驱动单元2041、隔离电源单元206的参考地。其中，MOSFET可以采用Fairchild公司生产的FDP2572，在此不作限制。

储能单元2042也可以称之为储能电容，其主要由瓷片电容形成。当快沿脉冲产生单元205中的MOSFET在MOSFET驱动单元2041的作用下迅速打开时，其所需的电荷量较大，这时就需要由储能电容为脉冲信号提供瞬间大电流，保障第二脉冲信号的上升沿。其中，储能单元2042可以采用株洲宏达公司的陶瓷电容G-CT41-2225-X7R-500V-105-K，提供开启MOSFET的瞬间电流，为陡峭的前沿上升沿作保障。

隔离电源单元206，用于将第二脉冲信号作为参考地，并输出电源供给光电隔离脉冲产生单元202和MOSFET驱动单元2041。

隔离电源单元206主要由隔离电源芯片及外围电路构成，将快沿脉冲产生单元205最终输出的第二脉冲信号作为隔离电源芯片参考地，输出一个基于第二脉冲信号作为零电势点的5V电源，供给光电隔离脉冲产生单元202和MOSFET驱动单元2041。其中，隔离电源芯片可以采用德州仪器公司的DCR021205P-U，在此不作限制。

由以上技术方案可知，本申请实施例二提供了一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器，包括：处理器单元、光电隔离脉冲产生单元、脉冲幅度控制单元、上升沿控制单元和快沿脉冲产生单元；所述处理器单元，用于与上位机进行信息交流，发送原始脉冲信号，并对获取的脉冲参数信息进行处理，得到脉冲控制指令；所述光电隔离脉冲产生单元，用于根据所述脉冲控制指令对所述原始脉冲信号进行隔离，产生第一脉冲信号；所述脉冲幅度控制单元，用于根据所述脉冲控制指令控制输出电压的大小；所述上升沿控制单元，用于根据所述第一脉冲信号和所述输出电压控制所述快沿脉冲产生单元产生纳秒级前沿上升沿的第二脉冲信号。该快沿脉冲发生器各模块之间集成度高、价格低，因此整体体积小、生产成本低，而且，其实现了纳秒级前沿上升沿，并通过对脉冲幅度控制单元输出电压大小的调节，实现了对脉冲信号脉宽幅度的调节。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于光电隔离的快沿脉冲发生器，其特征在于，包括：处理器单元、光电隔离脉冲产生单元、脉冲幅度控制单元、上升沿控制单元和快沿脉冲产生单元；

所述处理器单元，用于与上位机进行信息交流，发送原始脉冲信号，并对获取的脉冲参数信息进行处理，得到脉冲控制指令；

所述光电隔离脉冲产生单元，用于根据所述脉冲控制指令对所述原始脉冲信号进行隔离，产生第一脉冲信号；

所述脉冲幅度控制单元，用于根据所述脉冲控制指令控制输出电压的大小；

所述上升沿控制单元，用于根据所述第一脉冲信号和所述输出电压控制所述快沿脉冲产生单元产生纳秒级前沿上升沿的第二脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的快沿脉冲发生器，其特征在于，所述处理器单元具体通过PCI总线与上位机相连。

3.根据权利要求1所述的快沿脉冲发生器，其特征在于，所述处理器单元包括：FPGA芯片和外围配置电路。

4.根据权利要求1所述的快沿脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲参数信息包括：脉冲幅度值、脉冲宽度、脉冲开关。

5.根据权利要求1所述的快沿脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲幅度控制单元包括：数字电位单元和高压电源单元；

所述数字电位单元用于根据所述脉冲控制指令中的电阻值设置信息设置电阻值，运用分压改变所述高压电源单元的参考电压，控制所述高压电源单元的输出电压。

6.根据权利要求5所述的快沿脉冲发生器，其特征在于，所述数字电位单元还用于将所述电阻值设置信息存储于寄存器中。

7.根据权利要求1所述的快沿脉冲发生器，其特征在于，所述上升沿控制单元包括：MOSFET驱动单元和储能单元；

所述MOSFET驱动单元，用于将所述第一脉冲信号进行再处理，生成第三脉冲信号驱动打开所述快沿脉冲产生单元中的MOSFET；

所述储能单元用于当所述MOSFET打开时提供瞬间大电流，保障所述第二脉冲信号的上升沿。

8.根据权利要求7所述的快沿脉冲发生器，其特征在于，所述储能单元由瓷片电容构成。

9.根据权利要求7所述的快沿脉冲发生器，其特征在于，还包括：隔离电源单元，用于将所述第二脉冲信号作为参考地，并输出电源供给所述光电隔离脉冲产生单元和所述MOSFET驱动单元。

10.根据权利要求9所述的快沿脉冲发生器，其特征在于，所述电源具体为基于所述第二脉冲信号作为零电势点的5V电源。