CN106921368A - 阵列输出的可调谐脉冲信号发生器 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种阵列输出的可调谐脉冲信号发生器。该信号发生器包括：一现场可编程门阵列，一电源模块，至少二组输出可调电压单元；所述现场可编程门阵列用于产生脉冲信号及控制指令；所述电源模块用于为所述至少二组输出可调电压单元供电；所述至少二组输出可调电压单元用于接收所述脉冲信号，并根据所述控制指令对所述脉冲信号的幅度进行调节。本公开的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，基于现场可编程门阵列，利用现场可编程门阵列的多路I/O通道，产生多通道、阵列式输出的脉冲信号，并同时实现了可调脉冲输出。

Description

阵列输出的可调谐脉冲信号发生器

技术领域

本发明总体涉及一种脉冲信号发生器，具体而言，涉及一种阵列输出的可调谐脉冲信号发生器。

背景技术

光电倍增管、硅光探测器等各种光电转换器件，可以将光信号转换成电信号，同时实现对光电子信号的倍增放大，其被广泛应用于科研、工业生产、环境监测和医疗器械等领域。不同的应用，对此类光电转换器件性能精度的要求不一样，因此有效地进行性能刻度非常重要，通过对不同光电转换器件的进行性能刻度，可以选择合适的器件用于专业的测试中。目前，对诸如光电倍增管等光电转换器件性能进行刻度，多采用光电子谱测试方法，而较为经典的即是单光电子刻度法。

能否测试其单光电子谱(single photoelectron，SPE)是光电转换器件最重要的评价指标之一。通过单光电子谱，可以刻度出光电倍增管的增益、峰谷比、能量分辨率等特性。光电倍增管的渡越时间分散度(TransitTime Spread)是定义在单光电子谱下的性能，因此单光电子谱也可以定性知道是否能得到光电倍增管的渡越时间分散度。同时，通过单光电子谱也能刻度出光电倍增管的相对量子效率和相对收集效率。因此，单光电子谱的测试对光电转换器件非常重要，而成功的产生满足测试需求的单光子光源，就显得尤为重要。

对于通过电子学设备控制发光二极管LED的发光特性，或者激光器，是可以产生单光子状态的。一般常用的仪器设备是信号发生器，产生脉冲信号，通过调节触发频率，可以获得光信号的周期性重复频率，进而实现测试触发信号的给出。然后通过调节加载在LED上的电压信号的大小，进而调节光强，占空比等，实现单个光子的输出。

在进行大批量的光电倍增管等光电器件刻度和测试时，为提高测试效率和数据的一致性，要求同时对多个光电倍增管或光电器件样管进行同时刻度。目前常规的做法是采用多路光纤，将一个LED光源的光信号均匀分布到多路光纤中，形成多个点光源进行测试。但是，这样的光源具有很大的限制，不能对单路光源进行调节。而被测试的样管之间的一致性不可能非常好，这将导致测试存在很大的误差。如果采用不同LED点亮不同光电倍增管，对于使用一般商用的信号发生器，最多有4路输出，远不能满足测试需求。

同样，在大面积光电倍增管测试研究中，无论是平面的光阴极还是球面的光阴极，由于没有采用转移阴极系统进行光阴极的制备，所以其光阴极的均匀性，收到锑球排布位置和光阴极制备工艺的限制，不可能做得非常均匀，由此，光阴极的均匀性也是衡量评价光阴极性能好坏的一个关键参数。实验室一般建成的二维平面光阴极扫描平台和三维球面光阴极扫描转台，在对大面积光阴极进行均匀性扫描测试时，一般采用固定被测试样品，旋转光源的方法进行扫描。旋转平台无法完成一个旋转操作(耗时较长)，光阴极量子效率测试系统开启测试一个数据；这种不足时测试时间周期非常长，只能单点扫描测试。如果可以研发同步间隔点亮LED(至少在10路以上)的信号源，则可以在旋转平台旋转一个操作后，短时间内完成几十个点的QE测试，由此可以节约大量的机械平台或者旋转台的操作时间。

通常商业的脉冲发生器，比如泰克AFG3102任意函数发生器，RIGOO的DG5352信号发生器，尽管其在带宽上有一定区别，都可以产生包括正弦波、方波、脉冲波、锯齿波、三角波、Sin(x)/x、指数式增长和衰减、高斯、洛仑兹、半正矢、直流、噪声等在内的任意波形，所以价格比较昂贵。而用来驱动LED进行单光子探测，只需要一种脉冲波形，而且由于受到探测器自身动态范围的限制，对信号的频率要求也不高，只产生脉冲波形、体积小巧、价格低廉的小型脉冲信号发生器即可满足要求。

因此，需要一种新的信号发生器。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供一种阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，能够产生多通道、阵列式输出的可调脉冲信号。

本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本发明的一方面，一种阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，包括：一现场可编程门阵列，一电源模块，至少二组输出可调电压单元；

所述现场可编程门阵列用于产生脉冲信号及控制指令；

所述电源模块用于为所述至少二组输出可调电压单元供电；

所述至少二组输出可调电压单元用于接收所述脉冲信号，并根据所述控制指令对所述脉冲信号的幅度进行调节。

根据本发明的一实施方式，所述输出可调电压单元包括：一可编程电位器，一DC-DC转换器，一电平转换器；

所述可编程电位器用于根据所述控制指令调整电阻值；

所述DC-DC转换器用于对所述电源模块输入的电源电压进行转换,并根据所述可编程电位器的电阻值调整电压输出；

所述电平转换器用于根据所述DC-DC转换器输出的可调电压对所述脉冲信号进行电平转换。

根据本发明的一实施方式，所述可编程电位器具有一中心触点以及一输入端，所述DC-DC转换器具有一高电位输出端以及一低电位输出端，分别与所述中心触点以及所述输入端连接。

根据本发明的一实施方式，还包括一主控CPU，用于解析数据并发送给所述现场可编程门阵列。

根据本发明的一实施方式，所述主控CPU解析的数据包括电平幅度、占空比、周期、通道号、电压源反馈电阻阻值、高电平时间以及低电平时间。

根据本发明的一实施方式，还包括一以太网控制器，用于接收指令。

根据本发明的一实施方式，还包括一上位机，用于发出指令。

根据本发明的一实施方式，所述主控CPU通过UART异步串口接口与所述现场可编程门阵列交互。

根据本发明的一实施方式，所述现场可编程门阵列与所述可编程电位器通过SPI接口交互。

根据本发明的一实施方式，所述现场可编程门阵列对接收的数据进行解析，把解析出的参数送入相应寄存器。

根据本发明的一实施方式，还包括一延时单元，用于控制所述脉冲信号的延时。

根据本发明的一实施方式，还包括一配置模块，用于管理配置数据。

本公开的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，基于现场可编程门阵列，利用现场可编程门阵列的多路I/O通道，产生多通道、阵列式输出的脉冲信号，并同时实现了可调宽度占空比脉冲输出。通过电平转换器、DC-DC转换器与可编程电位器组成的高精度输出电压源实现输出幅度变换，最终实现了参数精确可调的脉冲信号发生器。并且通过主控CPU与上位机的交互，可方便地对信号发生器的输出进行调节。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1为根据本公开示例实施方式的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器组成示意图。

图2为根据本公开示例实施方式的输出可调电压单元的组成示意图。

图3为根据本公开示例实施方式的电平转换电路组成示意图。

图4为根据本公开另一示例实施方式的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器的组成示意图。

图5为根据本公开示例实施方式的主控CPU嵌入式程序的框架图。

图6为根据本公开示例实施方式的主控CPU嵌入式程序的流程图。

图7为根据本公开示例实施方式的信号发生器与RIGOO DG5352信号源输出波形对比图。

图8为根据本公开示例实施方式的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器用于单光电子谱测试结果图。

图9为根据本公开示例实施方式的驱动10路LED信号对光阴极进行均匀性扫描的测试结果图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

本公开基于现场可编程门阵列的多通道性能，实现结构简单的多路阵列型脉冲信号发生器。使用脉冲信号发生器驱动LED，其时间特性和幅度特性对LED的发光特性会有比较大的影响。对于本公开来说，比较重要的脉冲信号发生器参数包括：上升时间，下降时间，频率，占空比，输出电平等。

图1示意性示出根据本发明示例实施方式的驱动LED的可调谐脉冲信号发生器组成示意图。

如图1所示，一种阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，包括：现场可编程门阵列，电源模块，至少二组输出可调电压单元。现场可编程门阵列用于产生脉冲信号及控制指令；电源模块用于为至少二组输出可调电压单元供电；输出可调电压单元用于接收现场可编程门阵列的脉冲信号，并根据现场可编程门阵列的控制指令产生可调电平信号。

现场可编程门阵列作为信号发生器的核心部件，可产生占空比、周期可调的多路脉冲信号，同时产生控制指令控制输出可调电压单元，输出可调电压单元在现场可编程门阵列的控制指令下对电源模块的电平信号进行转换，利用转换后的电平信号对脉冲信号的幅度进行调节，进而输出占空比、周期、幅度可调的脉冲信号。

图2为根据本公开示例实施方式的输出可调电压单元的组成示意图。

如图2所示，输出可调电压单元包括：可编程电位器，DC-DC转换器，电平转换器。可编程电位器用于根据所述控制指令调整电阻值；DC-DC转换器用于对电源模块输入的电源电压进行转换,并根据可编程电位器的电阻值调整电压输出；电平转换器用于根据DC-DC转换器输出的可调电压对脉冲信号进行电平转换。

可编程电位器作为DC-DC转换器的负载，接收现场可编程门阵列的控制指令调整电阻值，使DC-DC转换器产生可调节的电平输出。电平转换器供电端接收DC-DC转换器输出的可调电压，对现场可编程门阵列产生的脉冲信号进行电平转换。电平转换器输出经过转换的脉冲信号，脉冲信号的幅度由DC-DC转换器输出的可调节电压控制。由此，电平转换器的输出端作为信号发生器的输出端，可输出占空比、周期、幅度可调的脉冲信号。

图3为根据本公开示例实施方式的电平转换电路组成示意图。

如图3所示，DC-DC转换器由电源模块供电，可编程电位器作为负载与DC-DC转换器电性连接。在现场可编程门阵列的控制下，可编程电位器的两部分可编程电位器1和可编程电位器2改变电阻值，通过改变可编程电位器2的电阻值使DC-DC转换器产生可调的电平输出。DC-DC转换器与可编程电位器形成了一个可编程控制的高精度输出电压源，其输出电压由反馈电阻可编程电位器2的阻值决定。可编程电位器可以采用n位可编程电位器，所以输出电平的分辨率为2.4/2^n，但本公开不以此为限。

图4为根据本公开另一示例实施方式的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器的组成示意图。

如图4所示，阵列输出的可调谐脉冲信号发生器包括：上位机，主控CPU，以太网控制器，电源模块，现场可编程门阵列，配置模块，至少二组输出可调电压单元。

上位机可采用例如PC机，提供人机交互界面，可进行程序的编制和修改，本实施例采用上位机，本领域技术人员还可以想到采用其它装置同样能够实现上述功能，例如平板电脑等，本公开不以此为限。

以太网控制器用于连接上位机与主控CPU，实现上位机与主控CPU的数据传输，还可以采用其它数据传输方式，例如可通过USB接口连接，WIFI连接，蓝牙传输等，本公开不以此为限。以太网控制器，例如，可采用TI公司的DP83848型号以太网物理层驱动芯片，支持100M/10M自适应，通过MII/RMII接口和主控CPU进行连接。

主控CPU通过以太网控制器接收上位机发送的数据，例如，可采用ST公司的STM32F107芯片，该芯片以cortex-m3为核心，最大工作频率为72MHz，具有非常丰富的外设接口，可以通过MII/RMII物理层接口连接百兆以太网物理层芯片。主控CPU对接收的数据进行解析，将电平幅度、占空比、周期转换成对应参数，可编程电位器两部分电阻阻值R1和R2，高电平时间T1，低电平时间T2，通道间延时T3～Tn。其中R1为2bytes数据，R2为2bytes数据，T1为4bytes数据，T2为4bytes数据，T3～Tn为4bytes数据，每次传送的数据一共为12bytes。每次发送数据之前，主控CPU会同步的拉低IO管脚，作为写数据帧标识，当IO管脚为低的时候，表示一个数据帧开始，IO管脚为高的时候，表示该数据帧结束。

现场可编程门阵列作为信号发生器的核心部件，可产生占空比、周期可调的脉冲信号，同时产生控制指令控制输出可调电压单元中的可编程电位器。主控CPU通过UART异步串口接口与现场可编程门阵列交互，现场可编程门阵列在收到主控CPU数据帧之后，对数据帧进行解析，分别把主控CPU传输的R1、R2、T1、T2等值送入相应的寄存器。同时启动转发部分逻辑，将R1、R2通过SPI接口写入输出可调电压单元中的可编程电位器，将T1、T2写入现场可编程门阵列内部寄存器。

由于现场可编程门阵列有多个通道，可以通过程序控制现场可编程门阵列的IO是否输出，以及输出的周期、占空比。另外，每个通道有独立的电压控制单元，每个IO输出配合一组输出可调电压单元，可通过程序进行各个通道的输出电压调整，进而实现对阵列输出的每个通道的输出周期、占空比、幅度独立的调节。

另外，可利用现场可编程门阵列内部的延时寄存器，控制通道之间的延时，通过程序对通道之间的延时进行控制，这样在现场可编程门阵列中就完成了对各个通道信号的周期、占空比、输出电平及通道延时的精确控制。也可以采用在现场可编程门阵列外部增加延时芯片来控制各通道之间的延时，和现场可编程门阵列内部延时电路进行结合。可通过外部延时芯片进行通道间延时的精确控制，可通过现场可编程门阵列内部延时电路进行通道间延时的粗调，从而实现脉冲信号延时的精确控制。

输出可调电压单元中的DC-DC转换器用于对电源模块的电源电压进行转换，可编程电位器作为负载与DC-DC转换器电性连接，在现场可编程门阵列的控制下，更改R1和R2的数值。可编程电位器一般由数字控制电路、存储器和RDAC电路组成。RDAC电路是数字电位的重要组成部分，它是一种特殊的数/模转换电路，与一般的数/模电路不同的是转换后的模拟量不是电压值而是电阻值，不同型号的可编程电位器其数字控制电路的结构形式不同，但主要功能都是将输入的控制信号进行处理后控制RDAC，非易失性存储器用来存储控制信号和电位器的抽头位置。DC-DC转换器与可编程电位器形成了一个可编程控制的高精度输出电压源，其输出电压由作为反馈电阻R2的阻值决定。输出端电压的计算公式为：1.2*R1/(R1+R2)，该输出端的输出能力为200mA，可以驱动电平转换器。可编程电位器为10位可编程，所以输出电平的分辨率为3.6/2^10，电阻误差为1‰，电阻值范围为0～20K，可以控制输出电压的范围为1.2V～3.6V。

电平转换器用于对现场可编程门阵列输出的脉冲信号进行电平转换，其由DC-DC转换器与可编程电位器组成的可编程高精度电压源供电，电平转换器依据DC-DC转换器输出的可调电压对脉冲信号的电平进行调节。电平转换器作为输出端的转换器，可以在不引起信号畸变的情况下对信号电平进行变化。该电平转换器支持的最大数字频率为500M以上。

配置模块用于管理配置数据。

本公开的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，基于现场可编程门阵列，利用现场可编程门阵列的多路I/O通道，产生多通道、阵列式输出的脉冲信号，并同时实现了可调宽度占空比脉冲输出。通过电平转换器、DC-DC转换器与可编程电位器组成的高精度输出电压源实现输出幅度变换，最终实现了参数精确可调的脉冲信号发生器。并且通过主控CPU与上位机的交互，可方便地对信号发生器的输出进行调节。

应清楚地理解，本发明描述了如何形成和使用特定示例，但本发明的原理不限于这些示例的任何细节。相反，基于本发明公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施方式。

图5根据本公开示例实施方式的主控CPU嵌入式程序框架图。

如图5所示，主控CPU中的嵌入式程序主要实现了TCP/IP协议栈，通过TCP/IP协议接收上位机发送过来的数据，并在应用层对数据进行处理转发等。嵌入式程序代码结构在基于rt-thread操作系统框架下实现了以太网芯片驱动的移植和应用层程序，并通过UART驱动实现应用层数据的传输。

图6根据本公开示例实施方式的主控CPU嵌入式程序的流程图。

如图6所示，主控CPU通过以太网控制器接收到数据之后，首先对数据包的完整性进行检测。然后对占空比、电平等数据进行转换，转换为现场可编程门阵列中相应寄存器的值。相应寄存器的值包括：高电平时间，低电平时间，可编程电位器阻值，通道间延迟。CPU通过UART异步串口接口写入现场可编程门阵列相应寄存器的值实现对现场可编程门阵列的控制。

现场可编程门阵列逻辑主要包括数据包接收，数据包分发等。现场可编程门阵列通过UART异步串口接收主控CPU传输的数据值，并对其完整性进行校验，而后写入相应寄存器。其中高电平时间和低电平时间寄存器在现场可编程门阵列内部经过处理，对现场可编程门阵列内部锁相环输出时钟相位进行调整，根据不同相位产生的脉冲信号通过与逻辑之后形成输出波形。其中，可编程电位器阻值寄存器值通过SPI接口送入输出可调电压单元中的可编程电位器，用来控制高精度输出电压源的反馈端电压，进而控制高精度输出电压源的输出端电平。通道延时寄存器中的值放入计数器中，用来控制通道之间的延时。由此，在现场可编程门阵列中就完成了对各个通道脉冲信号的周期，占空比，通道延时，输出电平的配置。

图7根据本公开示例实施方式的信号发生器与RIGOO DG5352信号源输出波形对比图。

如图7所示，RIGOO DG5352为RIGOO公司生产的信号源，最大输出模拟带宽为350MHz，输出采样率为1GSPS。测试用示波器型号为RIGOO DS6104示波器，该示波器的带宽为1G，采样率为5Gsps，配合使用1.5G模拟带宽探头。从测试结果对比表(见表1)中可以看出输出波形特性的对比。

表1.测试结果对比表

	DG5352输出	本公开信号发生器输出
			上升沿	3.800ns	2.500ns
下降沿	3.000ns	1.400ns
			频率	1Hz～350MHz可调	0.01Hz～300Mhz可调
占空比	可调	可调
			信号电平	0～10V可调	1.2～3.6V可调

图8为根据本公开示例实施方式的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器用于单光电子谱测试结果图。

如图8所示，在一款光电倍增管单光电子谱测试试验中，采用RIGOODG5352信号源测试数据与本公开信号发生器测试数据的对比(见表2)，可以看出本公开的信号发生器，可以完全满足单光电子谱的测试要求。

表2 光电倍增管单光电子谱测试结果对比

给光设备	高压	频率	占空比	幅值
					DG5352信号源	1560V	1KHZ	0.001％	1872mv
本公开通道1	1560V	1KHZ	0.001％	2664mv
					本公开通道2	1560V	1KHZ	0.001％	2666
本公开通道3	1560V	1KHZ	0.001％	2668
					本公开通道4	1560V	1KHZ	0.001％	2670

图9为根据本公开示例实施方式的驱动10路LED信号对光阴极进行均匀性扫描的测试结果图。

如图9所示，采用本公开的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器驱动10路LED信号，依次同步对大面积光电倍增管的光阴极进行均匀性扫描。其测试结果表明，可以节约70％的测试时间。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施方式。应可理解的是，本发明不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (12)

1.一种阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，包括：一现场可编程门阵列，一电源模块，至少二组输出可调电压单元；

所述现场可编程门阵列用于产生脉冲信号及控制指令；

所述电源模块用于为所述至少二组输出可调电压单元供电；

所述至少二组输出可调电压单元用于接收所述脉冲信号，并根据所述控制指令对所述脉冲信号的幅度进行调节。

2.如权利要求1所述的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，所述输出可调电压单元包括：一可编程电位器，一DC-DC转换器，一电平转换器；

所述可编程电位器用于根据所述控制指令调整电阻值；

所述DC-DC转换器用于对所述电源模块输入的电源电压进行转换,并根据所述可编程电位器的电阻值调整电压输出；

所述电平转换器用于根据所述DC-DC转换器输出的可调电压对所述脉冲信号进行电平转换。

3.如权利要求2所述的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，所述可编程电位器具有一中心触点以及一输入端，所述DC-DC转换器具有一高电位输出端以及一低电位输出端，分别与所述中心触点以及所述输入端连接。

4.如权利要求1所述的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，还包括一主控CPU，用于解析数据并发送给所述现场可编程门阵列。

5.如权利要求4所述的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，所述主控CPU解析的数据包括电平幅度、占空比、周期、通道号、电压源反馈电阻阻值、高电平时间以及低电平时间。

6.如权利要求4所述的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，还包括一以太网控制器，用于接收指令。

7.如权利要求6所述的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，还包括一上位机，用于发出指令。

8.如权利要求4所述的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，所述主控CPU通过UART异步串口接口与所述现场可编程门阵列交互。

9.如权利要求2所述的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，所述现场可编程门阵列与所述可编程电位器通过SPI接口交互。

10.如权利要求1所述的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，所述现场可编程门阵列对接收的数据进行解析，把解析出的参数送入相应寄存器。

11.如权利要求1所述的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，还包括一延时单元，用于控制所述脉冲信号的延时。

12.如权利要求1所述的阵列输出的可调谐脉冲信号发生器，其特征在于，还包括一配置模块，用于管理配置数据。