CN104836553B - 一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路 - Google Patents

一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路 Download PDF

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Abstract

一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路，包括微分单元、过零比较单元和脉宽鉴别单元。微分单元对外部输入的单极性光子脉冲信号进行微分，形成具有两个过零点的双极性信号并送至过零比较单元。过零比较单元根据设置的比较阈值，将双极性信号转换为具有一定脉冲宽度的数字脉冲信号并送至脉宽鉴别单元。脉宽鉴别单元判断所述数字脉冲信号的宽度是否超过了设置的判别阈值，如果超过了则判断外部输入的光子脉冲是慢上升沿信号，输出一个高电平脉冲，否则输出一个低电平脉冲。本发明电路具有电路形式简单、灵敏度高的特点。

Description

一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路
技术领域
本发明涉及一种脉冲信号检测电路。
背景技术
X射线脉冲星导航敏感器是实现X射线脉冲星导航的关键之一，要求能实现对X射线脉冲星辐射信号的大面积、高灵敏度探测。在空间辐射环境下，高能粒子与卫星及望远镜材料相互作用，探测器将接收到高能粒子及其次级激发粒子，很难在复杂的X射线本底中捕获到天体源辐射的仅有少数几个信号。为此，降低望远镜本底，是实现高灵敏度天文观测的基本要求。本底，主要来源包括宇宙X射线辐射背景、地磁场捕获粒子、地球反照等。由于高能粒子与探测器作用所输出的信号形状上升沿较慢，通过鉴别信号的上升沿，剔除慢上升沿的高能粒子，即可降低本底。
慢上升沿脉冲信号鉴别有多种方法，主要包括以下几种：
双恒比定时法，利用两个不同阈值的恒比定时电路判断脉冲上升沿快慢，其中恒比定时电路复杂，功耗大；
前沿定时与恒比定时相结合方法，利用通过判断前沿定时与恒比定时输出信号时序先后关系判断是否为慢上升沿脉冲，该方法容易误触发，灵敏度低；
电荷与电流相结合的方法，利用慢上升沿脉冲信号对应的电流比电荷信号小的特点，将衰减后电荷信号与延时后电流信号进行比较，但其电路形式复杂。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路，利用微分电路提取脉冲信号上升时间，并通过过零比较单元和脉宽-幅度转换单元，将上升时间转换为指数上升的幅度信号，通过判断信号幅度即可鉴别是否是慢上升沿信号，具有电路形式简单、灵敏度高的特点。
本发明的技术解决方案是：一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路，包括微分单元、过零比较单元和脉宽鉴别单元，其中：
微分单元：对外部输入的单极性光子脉冲信号进行微分，形成具有两个过零点的双极性信号并送至过零比较单元；
过零比较单元：根据设置的比较阈值，将双极性信号转换为具有一定脉冲宽度的数字脉冲信号并送至脉宽鉴别单元；
脉宽鉴别单元：判断所述数字脉冲信号的宽度是否超过了设置的判别阈值，如果超过了则判断外部输入的光子脉冲是慢上升沿信号，输出一个高电平脉冲，否则输出一个低电平脉冲。
所述的脉宽鉴别单元的一种实现形式包括脉宽-幅度转换电路和幅度比较电路，脉宽-幅度转换电路根据数字脉冲信号的宽度，将数字脉冲信号转换为幅度指数上升的模拟信号并送至幅度比较电路；幅度比较电路将转换后的幅度指数上升的模拟信号幅度与预先设定的判别阈值进行比较，当幅度指数上升的模拟信号幅度大于判别阈值，幅度比较电路输出一个高电平脉冲，否则输出一个低电平脉冲。
所述的脉宽-幅度转换电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、比较器U2、运算放大器U3、二极管D1以及电容C2；电阻R6的一端接过零比较单元的反相输出端，电阻R6的另一端同时接运算放大器U3的反相输入端以及电阻R7的一端，电阻R7的另一端同时接二极管D1的阳极以及电阻R10的一端；电阻R8的一端接过零比较单元的同相输出端，电阻R8的另一端同时接运算放大器U3的同相输入端以及电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地，二极管D1的阴极接运算放大器U3的输出端；电阻R10的另一端同时接电阻R11的一端以及电容C2的一端，电阻R11的另一端接电压源VCC，电容C2的另一端接地，电容C2的非接地端作为脉宽-幅度转换电路的输出端。
所述的幅度比较电路包括比较器U2以及参考电压源Vref，比较器U2的同相输入端接脉宽-幅度转换电路的输出端，比较器U2的反相输入端接参考电压源Vref的正端，参考电压源Vref的负端接地，比较器U2的输出端作为幅度比较电路的输出端。
所述的脉宽鉴别单元的另外一种实现形式包括上升沿观测窗口电路和一个异或门，上升沿观测窗口电路根据输入的数字脉冲信号产生一个标准上升沿的脉冲信号，异或门将产生的标准上升沿的脉冲信号与原始的数字脉冲信号进行异或运算操作，如果相异或操作的结果为标准上升沿的脉冲信号，则异或门输出一个高电平脉冲，否则输出一个低电平脉冲。
所述的上升沿观测窗口电路包括D触发器U2、电阻R6和电容C2，D触发器U2的数据端与高电平相连，D触发器U2的时钟端与过零比较电路的同相输出端相连，D触发器U2的同相输出端Q与电阻R6的一端相连并作为上升沿观测窗口电路的输出端，电阻R6的另一端与电容C2的一端以及D触发器U2的复位端相连，电容C2的另一端与地相连。
所述的微分单元为有源微分电路或者无源微分电路。
所述的微分单元包括电容C1和电阻R1，电容C1的两端分别作为微分单元的输入端和输出端，电阻R1的一端与微分单元的输出端相连，电阻R1的另一端接地。
所述的过零比较单元为一个迟滞比较器电路，迟滞比较器电路的阈值设置在过零点附近，高阈值与低阈值电压幅度相等，极性相反。
所述的迟滞比较器电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和比较器U1，电阻R2的一端作为迟滞比较电路的输入端，电阻R2的另一端同时接电阻R3的一端以及比较器U1的同相输入端，电阻R3的另一端接比较器U1的同相输出端；电阻R4的一端接地，电阻R4的另一端同时接电阻R5的一端以及比较器U1的反相输入端，电阻R5的另一端接比较器U1的反相输出端。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过有源微分电路，将脉冲信号上升沿转换为具有两个过零点的脉冲信号，该信号大小仅与输入脉冲信号的上升沿快慢有关。输入脉冲信号的幅度，只有影响微分后信号的信噪比，不会影响两个过零点时间差。通过比较器，将两个过零点转换为具有一定宽度的数字信号。再利用脉冲宽度-幅度转换电路，提取数字信号宽度，这是一个指数上升信号。数字信号宽度越大，指数上升信号幅度越大。将该信号与设定上升沿时间阈值比较，判断是否属于慢上升沿信号；或者利用数字逻辑电路判断数字信号宽度是否大于设定的阈值，判别方式及电路形式比较简单，且检测灵敏度高。
附图说明
图1为本发明慢上升沿脉冲信号鉴别电路的一种实现电路图；
图2为图1所示电路的工作波形示意图；
图3为本发明慢上升沿脉冲信号鉴别电路的另一种实现电路图；
图4为图3所示电路的工作波形示意图。
具体实施方式
本发明的慢上升沿脉冲信号的鉴别电路，包括微分单元、过零比较单元和脉宽鉴别单元三部分。其中，微分单元用于提取输入的光子脉冲的上升沿，对输入的单极性光子脉冲信号进行微分后，转换为双极性信号。微分时间常数的选择，应使得双极性信号的信噪比最大。过零比较单元，根据设置的比较阈值，将双极性信号转换为具有一定脉冲宽度的数字脉冲信号。比较单元的阈值由慢上升沿信号的定义(也即需要检测何种信号)决定。脉宽鉴别单元，判断数字脉冲信号宽度是否超过设置的阈值，其中阈值由慢上升沿信号的定义决定，如果是则判断该光子脉冲是慢上升沿信号，输出一个高电平脉冲，否则输出为低电平。
上述方案中，微分单元包括无源微分电路和有源微分电路两种形式。无源微分电路由高通滤波器拓扑结构的电容和电阻构成，要求电阻和电容构成的时间常数小于输入脉冲波形宽度的十分之一。有源微分电路则由电阻、电容和运放组成。
上述方案中，过零比较单元是一个迟滞比较器电路，比较器阈值设置在过零点附近，高阈值与低阈值电压幅度相等，极性相反。阈值一般设置在微分后信号幅度十分之一左右，通过调节比较单元中电阻之间比例关系即可设置阈值。
上述方案中，脉宽鉴别单元有两种实现形式。第一种将数字脉冲宽度转换为模拟信号，其幅度随着脉冲宽度增加，再通过判断幅度高低是否超过设置的阈值，即由脉宽-幅度转换电路和幅度比较电路两部分组成。脉宽-幅度转换电路，可根据数字脉冲的宽度，转换为幅度指数上升的模拟信号。脉冲宽度，与模拟信号幅度之间是指数关系；幅度比较电路，由比较器组成。当指数上升的模拟信号幅度超过设置的比较器阈值，比较器输出一个高电平脉冲，代表输入端的光子脉冲信号是慢上升沿信号。比较器阈值由参考电压源设置，通过改变参考电压源电压来改变阈值。第二种采用数字逻辑电路实现，数字脉冲与具有一定宽度的另一个数字脉冲进行求与运算，只要比较器输出的数字脉冲宽度比设置的脉宽大，则逻辑电路产生一个高电平脉冲，代表着这是一个慢上升沿光子脉冲，否则输出低电平。通过调节数字逻辑电路中电阻和电容参数即可设置阈值。
图1是本发明慢上升沿脉冲信号鉴别电路的一种具体实现方式，包括微分单元、过零比较单元和脉宽鉴别单元。其中，微分单元连接于过零比较单元，用于对输入的单极性光子脉冲信号进行微分后，形成具有两个过零点的双极性信号；过零比较单元连接于脉宽鉴别单元，用于将双极性信号转换为具有一定脉冲宽度的数字信号。脉宽鉴别单元，用于判断数字脉冲信号宽度是否超过设置的阈值，如果是则判断该光子脉冲是慢上升沿信号，输出一个高电平脉冲，否则输出为低电平。
进一步地，所述微分单元包括：
第一电容C1，一端与输入端Vin相连，另一端与第一电阻R1和第二电阻R2相连，标记为net1；
第一电阻R1，一端与第一电容C1相连，另一端与地相连；
第一电容C1和第一电阻R1构成微分电路，C1和R1参数选择应与输入端Vin脉冲信号上升沿时间相匹配，应小于脉冲宽度的十分之一。
输入端Vin是一个正极性脉冲信号，经过微分单元，转换为双极性信号，而且是在Vin达到峰值时，双极性信号从正电压切换到负电压，形成一个过零点。
进一步地，所述过零比较单元包括：
第二电阻R2，一端与net1相连，另一端与第三电阻R3和第一比较器U1的同相输入端相连，标记为net2；
第三电阻R3，一端与net2相连，另一端与第一比较器U1同相输出端和第八电阻R8相连，标记为net3；
第四电阻R4，一端与地相连，另一端与第一比较器U1的反相输入端和第五电阻R5相连，标记为net4；
第五电阻R5，一端与net4相连，另一端与第一比较器U1反相输出端和第六电阻R6相连，标记为net5；
第一比较器U1，同相输入端与net2相连，反相输入端与net4相连，同相输出端与net3相连，反相输出端与net5相连。
第一比较器U1，具有差分输出端，分为同相输出端和反相输出端，与第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第五电阻R5构成迟滞比较器。其中正阈值电压由第五电阻R5与第四电阻R4比值决定，负阈值电压由第三电阻R3和第二电阻R2比值决定。阈值电压的选择，与net1信号幅度相匹配，一般选择在零点附近，大约峰值的十分之一。
进一步地，脉宽鉴别单元包括：
第六电阻R6，一端与net5相连，另一端与第七电阻R7和运算放大器U3的反相输入端相连，标记为net6；
第七电阻R7，一端与net6相连，另一端与二极管D1和第十电阻R10相连，标记为net7；
第八电阻R8，一端与net3相连，另一端与第九电阻R9和运算放大器U3的同相输入端相连，标记为net8；
第九电阻R9，一端与net8相连，一端与地相连；
二极管D1，阳极与net7相连，阴极与运算放大器U3输出端相连；
第十电阻R10，一端与net7相连，另一端与第十一电阻R11和第二电容C2以及第二比较器U2的同相输入端相连，标记为net9；
第十一电阻R11，一端与net9相连，另一端与电源端VCC相连；
第二电容C2，一端与net9相连，另一端与地相连；
第二比较器U2，同相输入端与net9相连，反相输入端与参考电压Vref相连，Vref代表第二比较器U2的比较阈值。当同相输入端信号超过Vref，输出一个高电平，否则为低电平。输入信号Vin信号上升时间越长，过零比较单元输出数字信号高电平时间越长。
电阻R6～R11、电容C2、二极管D1以及运放U3构成脉冲宽度-幅度转换电路，将过零比较单元输出的差分信号的宽度转换为幅度信号。在比较单元同相输出端为高电平期间对电容C2充电，为此电容C2上电压以指数规律上升，上升速率随着电压增大而减小，直至最大幅度。当指数上升的幅度信号大于参考电压Vref时，比较器U2输出高电平，否则为低电平。通过改变R10、R11和C2参数，可以调节C2上电压上升速率。参考电压Vref设置在C2上电压最大值的37％附近，可以获得最高的鉴别灵敏度。
脉宽鉴别单元，通过两步实现对差分数字信号宽度的鉴别。第一步，利用脉宽-幅度转换电路将差分脉冲信号转换为指数上升信号，且指数上升信号的幅度，随着差分数字信号宽度增大。第二步，利用比较器，判断指数上升信号幅度是否超过设定的阈值，如果是则代表这是一个慢上升沿信号，比较器输出一个高电平信号，否则输出低电平。通过判断比较器输出电平的高低即可鉴别输入信号Vin是否为慢上升沿信号。
图1所示电路的工作波形如图2所示。微分电路将输入单极性慢上升沿信号Vin转换为双极性信号。随着慢上升沿信号增加，微分单元输出从零逐渐增大。当慢上升沿信号达到最大值时，双极性信号从正极性切换到负极性，出现一个过零点。过零比较单元识别出这两个过零点，并输出一个高电平脉冲。脉宽-幅度转换单元根据高电平脉冲的宽度转换为指数上升信号，当该信号幅度超过设置的阈值Vref时，代表这是一个慢上升沿信号，为此脉宽鉴别单元输出一个高电平脉冲。
上述所述电路形式只是具体实现方式中的一种，脉宽鉴别单元除了采用脉宽-幅度转换电路和比较电路之外，还可以采用数字逻辑电路实现，如图3所示。图3中脉宽鉴别单元包括：
D触发器U2，数据端与高电平相连，时钟端与比较器U1同相输出端相连，同相输出端Q与第六电阻R6相连，标记为net30；
第六电阻R6，一端与net30相连，另一端与第二电容C2和D触发器U2的复位端相连，标记为net31；
第二电容C2，一端与net31相连，一端与地相连；
异或门U3，一端net30相连，另一端与比较器U1同相输出端相连。
D触发器U2和电阻R6、电容C2组成上升沿观测窗口，产生一个标准上升沿的脉冲信号，其宽度由第六电阻R6和第二电容C2决定。
输入信号上升沿越慢，过零比较单元输出脉冲信号宽度越大。当过零比较单元输出脉冲信号宽度比标准上升沿脉冲信号大，则代表着是一个慢上升沿脉冲信号，Vout输出一个高电平，否则为低电平。
图3所示电路的工作波形如图4所示。微分电路将输入单极性慢上升沿信号Vin转换为双极性信号。随着慢上升沿信号增加，微分单元输出从零逐渐增大。当慢上升沿信号达到最大值时，双极性信号从正极性切换到负极性，出现一个过零点。过零比较单元识别出这两个过零点，并输出一个高电平脉冲。脉宽鉴别单元的上升沿观测窗口在高电平脉冲的上升沿输出一个标准上升沿的脉冲信号。过零比较单元输出与上升沿观测窗口输出经过异或门逻辑运算后，结果为高电平则代表这是一个慢上升沿信号。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路，其特征在于：包括微分单元、过零比较单元和脉宽鉴别单元，其中：
微分单元：对外部输入的单极性光子脉冲信号进行微分，形成具有两个过零点的双极性信号并送至过零比较单元；
过零比较单元：根据设置的比较阈值，将双极性信号转换为具有一定脉冲宽度的数字脉冲信号并送至脉宽鉴别单元；
脉宽鉴别单元：判断所述数字脉冲信号的宽度是否超过了设置的判别阈值，如果超过了则判断外部输入的光子脉冲是慢上升沿信号，输出一个高电平脉冲，否则输出一个低电平脉冲；
所述的脉宽鉴别单元包括上升沿观测窗口电路和一个异或门，上升沿观测窗口电路根据输入的数字脉冲信号产生一个标准上升沿的脉冲信号，异或门将产生的标准上升沿的脉冲信号与原始的数字脉冲信号进行异或运算操作，如果相异或操作的结果为标准上升沿的脉冲信号，则异或门输出一个高电平脉冲，否则输出一个低电平脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路，其特征在于：所述的上升沿观测窗口电路包括D触发器U2、电阻R6和电容C2，D触发器U2的数据端与高电平相连，D触发器U2的时钟端与过零比较电路的同相输出端相连，D触发器U2的同相输出端Q与电阻R6的一端相连并作为上升沿观测窗口电路的输出端，电阻R6的另一端与电容C2的一端以及D触发器U2的复位端相连，电容C2的另一端与地相连。
3.根据权利要求1或2所述的任一慢上升沿脉冲信号鉴别电路，其特征在于：所述的微分单元为有源微分电路或者无源微分电路。
4.根据权利要求3所述的一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路，其特征在于：所述的微分单元包括电容C1和电阻R1，电容C1的两端分别作为微分单元的输入端和输出端，电阻R1的一端与微分单元的输出端相连，电阻R1的另一端接地。
5.根据权利要求1或2所述的任一慢上升沿脉冲信号鉴别电路，其特征在于：所述的过零比较单元为一个迟滞比较器电路，迟滞比较器电路的阈值设置在过零点附近，高阈值与低阈值电压幅度相等，极性相反。
6.根据权利要求5所述的一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路，其特征在于：所述的迟滞比较器电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和比较器U1，电阻R2的一端作为迟滞比较电路的输入端，电阻R2的另一端同时接电阻R3的一端以及比较器U1的同相输入端，电阻R3的另一端接比较器U1的同相输出端；电阻R4的一端接地，电阻R4的另一端同时接电阻R5的一端以及比较器U1的反相输入端，电阻R5的另一端接比较器U1的反相输出端。
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