CN107769772B - 一种低晃动同步扫描电路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低晃动同步扫描电路系统，解决了模拟振荡电路噪声大、稳定性差的问题，同时极大提高了同步扫描电路系统与条纹变像管的耦合效率，进而提升同步扫描相机的时间分辨特性。该低晃动同步扫描电路系统的同步正弦信号产生模块中，参考电信号经过低通滤波后作为PLL单元的参考输入，利用PLL单元的频率跟踪及锁定功能实现同步扫描偏转信号与触发激光光源的相位同步，并通过设置VCO获得所需频带范围内的输出信号，再经过带通滤波完成同步正弦信号产生；采用射频移相器，对扫描电压相位进行控制，实现同步扫描相机触发同步控制；对经过相位控制的同步正弦信号进行功率放大；采用LC谐振电路升压的方式实现容性负载上的电压放大。
Description
技术领域
本发明属于超快诊断技术领域，涉及同步扫描条纹相机，尤其涉及一种同步扫描条纹相机扫描电路系统。
背景技术
同步扫描条纹相机采用高频重复扫描实现微弱甚至单光子超快现象的测量，其高频重复扫描的特点，决定了其时间分辨率不仅与同步扫描变像管设计、扫速有关，还受制于激光重复频率、幅度涨落，扫描电压幅度和相位的涨落等影响。由于同步扫描变像管研究的对象是超快速弱光现象，由此而引起的瞬态空间电荷效应可忽略不计，从而通过同步扫描变像管电子光学系统优化设计，理论上可以获得较单次扫描相机更高的极限时间分辨率。
然而对于同步扫描相机而言，由于引入了一些新的影响时间分辨率的因素，如激光器的稳定性、同步扫描电路系统噪声等。特别是随着同步扫描相机积分时间增加，激光器与扫描电压之间的相位晃动直接引起时间弥散，从而降低同步扫描相机时间分辨力。
激光器与扫描电压之间的相位晃动主要由两个因素决定，一个是激光器稳定性引起的触发晃动，另一个是同步扫描电路系统自身的相位噪声。同步扫描电路系统一般由同步正弦信号产生、相位调整、射频信号放大、阻抗匹配等功能模块组成，其中同步正弦信号产生是同步扫描电路系统设计的关键，主要影响着触发晃动特性及系统相位噪声。
目前国际上普遍采用的同步正弦信号产生方法是基于雪崩光电二极管及隧道二极管的振荡电路法，这种振荡电路存在噪声大，稳定性差的缺点，很难满足同步扫描相机较长积分时间工作模式下的高时间分辨率需求。另外，射频放大功率及阻抗匹配效率也重要影响着同步扫描电路系统噪声，匹配效率越低、所需功率越大，系统噪声水平就越大。
中国专利文献CN 103780255 A提出了一种基于PLL和DDS的同步扫描电路系统，旨在解决模拟振荡电路复杂、集成度低、同步跟踪范围窄的问题。该同步扫描电路系统中，锁相环(PLL)实现对输入参考信号的跟踪及锁定，锁定带宽通过选择合适的压控振荡器实现；直接数字频率合成器(DDS)通过合适的参数配置实现高精度的正弦信号输出，并具有输出信号相位调整功能。但是，这种同步扫描电路系统存在噪声大的缺点，很难满足同步扫描相机较长积分时间工作模式下的高时间分辨率需求。
因此，需要综合考量多个环节、因素，低噪声同步正弦信号产生及高效率匹配耦合，才能有助于优化同步扫描电路系统噪声，从而提高同步扫描相机的时间分辨率。
发明内容
为了满足同步扫描相机较长积分时间工作模式下的高时间分辨率需求，本发明提供一种低晃动同步扫描电路系统，解决了模拟振荡电路噪声大、稳定性差的问题，同时极大提高了同步扫描电路系统与条纹变像管的耦合效率，进而提升同步扫描相机的时间分辨特性。
本发明的解决方案如下：
该低晃动同步扫描电路系统，主要由依次设置的同步正弦信号产生模块、移相模块、射频放大模块以及阻抗匹配模块组成；其中：所述同步正弦信号产生模块包括依次设置的光电转换单元、低通滤波单元、PLL单元、带通滤波单元；PLL单元输入信号频率参数满足触发激光频率要求，PLL单元输出信号频率范围满足同步扫描相机扫描偏转频率的需求；所述光电转换单元将触发光脉冲信号转换为同频率的参考电信号，参考电信号经过低通滤波后作为PLL单元的参考输入，利用PLL单元的频率跟踪及锁定功能实现同步扫描偏转信号与触发激光光源的相位同步，并通过设置PLL单元内部的压控振荡器(VCO)获得所需频带范围内的输出信号，再经过带通滤波完成同步正弦信号产生；所述移相模块采用射频移相器，对扫描电压相位进行控制，实现同步扫描相机触发同步控制；所述射频放大模块对经过相位控制的同步正弦信号进行功率放大；所述阻抗匹配模块采用LC谐振电路升压的方式实现容性负载上的电压放大。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下重要优化：
上述PLL单元包括鉴相器(PFD)、环路滤波器(Loop Filter)、压控振荡器(VCO)以及分频器(Divider)，鉴相器(PFD)根据所述参考输入和经分频器(Divider)反馈的分频信号的相位差调整压控振荡器(VCO)的振荡频率，实现对输入参考信号的频率跟踪和锁定，通过配置压控振荡器(VCO)振荡频率范围和分频比即获得所需频带范围内的输出信号。
上述阻抗匹配模块对应的偏转板上的传输方式为后端开路的驻波偏转，以实现扫描电压反射叠加。
上述射频放大模块采用sku1094系列的射频功放模块。
上述LC谐振电路中，调谐电感L采用漆包线绕制而成，调谐电容CX采用ATC C800A系列NPO陶瓷射频高功率多层电容。
本发明具有以下有益效果：
本发明省去了直接数字频率合成器(DDS)环节，同时对PLL的输出采用带通滤波来产生标准的同步正弦信号，再设置移相器，协调同步扫描电路系统的固有晃动与激光器的触发晃动一致，解决光源相位漂移引起的时间晃动问题，再利用PLL中的相位差调整压控振荡器(VCO)输出信号的高稳定性解决光源幅度稳定性引起的时间晃动问题，即解决了模拟振荡电路噪声大、稳定性差的问题；同时采用LC谐振电路阻抗匹配方式，并将偏转板终端开路，实现同步扫描电压驻波偏转，极大提高了同步扫描电路系统与条纹变像管的耦合效率，进而提升同步扫描相机的时间分辨特性。
附图说明
图1为锁相环(PLL)工作原理示意图。
图2为本发明的同步扫描相机工作原理示意图。其中：1-激光光源；2-分束器；3-靶标；4-条纹管(包含偏转板)；5-同步扫描电路系统；501-同步正弦信号产生模块；502-移相模块；503-射频放大模块；504-阻抗匹配模块。
图3为本发明中同步正弦信号产生原理示意图。
图4为基于LC谐振电路的同步扫描电路匹配升压的等效电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详述：
(1)锁相环(PLL)作为现代频率合成技术具有低噪声、高集成度等优点，特别是数字PLL的不断发展，极大提高了频率合成设计的灵活性。如图1所示，鉴相器(PFD)根据输入参考信号和反馈分频信号的相位差调整压控振荡器(VCO)的振荡频率，从而实现对输入参考信号的频率跟踪和锁定。选择合适的VCO振荡频率范围和分频比便可得到一定频带范围内的输出信号。
利用PLL的频率跟踪及锁定功能实现同步扫描偏转信号与触发激光光源的相位同步，从而解决光源相位漂移引起的时间晃动问题，同时PLL输出信号幅度由VCO决定，VCO输出信号的高稳定性解决了触发光源幅度稳定性引起的时间晃动问题。另外，输出信号频率的灵活切换，可实现同步扫描相机工作频率的快速切换。具体实现步骤如下：1)触发光脉冲信号经过光电转换器件完成光电转换，得到与触发光脉冲同频率的参考电信号。2)参考电信号经过滤波后作为PLL的参考输入，配置PLL，输出所需频率信号，再经过带通滤波完成同步正弦信号产生。3)同步正弦信号经过进一步的射频放大及与条纹管的阻抗匹配，最终在条纹管偏转板上产生高压偏转信号，实现光电子的同步偏转。
本发明中的同步正弦信号产生部分，锁相环的选择必须满足一定的条件，锁相环输入信号频率参数满足触发激光频率要求，锁相环输出的信号频率范围应满足同步扫描相机扫描偏转频率的需求。
因此：1)基于PLL的同步正弦信号产生可极大减小激光器相位及幅度不稳定引起的触发晃动问题。2)PLL输出信号为低相位噪声，有效降低同步扫描电路自身晃动。3)基于PLL的同步正弦信号产生具有集成度高，灵活配置的特点，可根据需要灵活调整输出信号频率及幅度，从而实现同步扫描电路智能化配置。
(2)同步扫描相机对光电子的同步偏转是通过偏转板上的同步正弦电压实现的，同步正弦电压的幅度大小及相位稳定性直接影响同步扫描相机的时间分辨。同步正弦电压的幅度一方面受驱动功率的限制，另一方面受匹配方式重要影响，驱动功率的增加一定程度上可以提升扫描电压的幅度，但是高功率驱动往往引入更大的相位噪声。因此，高效率阻抗匹配是实现同步扫描电压放大及提升系统时间分辨的关键技术因素。
射频功率放大模块用于PLL输出同步正弦小信号功率放大，功率放大模块的性能直接影响放大信号的噪声特性，因此，通常应选择低噪声系数、高线性度射频功率放大来有效提高同步扫描信号相位稳定性。这里，我们选择EMPOWER公司sku1094系列的射频功放模块。
射频功率放大模块输出电压幅度约20V，要实现光电子高速偏转，偏转板上的电压必须达到上百伏，也就是必须对射频功放输出电压进行放大。考虑到偏转板为容性负载，等效电容约几pF，本发明采用LC谐振升压的方式实现负载电容上的电压放大，达到高效率阻抗匹配的目的。等效电路图如图4所示，R为电路中的电缆、电感损耗，一般小于1欧姆，L为调谐电感，CX为调谐电容，CL为负载等效电容。假设CX、CL的并联等效电容为C，则R、L、C即构成串联谐振电路，谐振频率fo＝1/2π(LC)1/2。若CL一定，则可通过调节L、C实线不同频率下的电压放大。假设C为10pF，L为100nH，则谐振频率约为159MHz。根据谐振频率公式，L与C越小，频率越高。
串联电路谐振时，电路中的感抗和容抗相等，而电抗为零。故电感和电容两端电压有效值必然相等，即UL＝UC，而UL、UC在相位上相反，互相抵消，对整个电路不起作用，UL＝UC＝XCU/R，其中XC为容抗、U为功放输出电压。由于XC远大于R，则UC远大于U，从而实现负载电容负载上电压放大。放大倍数A＝XC/R，也称为电路的品质因素。要提高电路升压效率，需要改善电路品质因素。本实施例中调谐电感采用漆包线绕制而成，调谐电容采用ATC C800A系列NPO陶瓷射频高功率多层电容，该系列电容电极金属导电性高，外形尺寸设计优化，并且采用低损耗介质，串联电阻极低，可承受交流电压1200V，工作频率可达10GHz。
扫描电路输出信号(经过阻抗匹配后的输出信号)在偏转板上的传输方式有行波传输和驻波传输两种方式：行波传输后端有匹配负载，而驻波传输后端开路。本实施例采用后端开路的驻波偏转方式可以实现扫描电压反射叠加，从而有效提高扫描偏转效率，降低射频放大功率需求，进而优化同步扫描电路系统噪声。
Claims (5)
1.一种低晃动同步扫描电路系统，其特征在于：主要由依次设置的同步正弦信号产生模块、移相模块、射频放大模块以及阻抗匹配模块组成；其中：
所述同步正弦信号产生模块包括依次设置的光电转换单元、低通滤波单元、PLL单元、带通滤波单元；PLL单元输入信号频率参数满足触发激光频率要求，PLL单元输出信号频率范围满足同步扫描相机扫描偏转频率的需求；所述光电转换单元将触发光脉冲信号转换为同频率的参考电信号，参考电信号经过低通滤波后作为PLL单元的参考输入，利用PLL单元的频率跟踪及锁定功能实现同步扫描偏转信号与触发激光光源的相位同步，并通过设置PLL单元内部的压控振荡器(VCO)获得所需频带范围内的输出信号，再经过带通滤波完成同步正弦信号产生；
所述移相模块采用射频移相器，对扫描电压相位进行控制，实现同步扫描相机触发同步控制；
所述射频放大模块对经过相位控制的同步正弦信号进行功率放大；
所述阻抗匹配模块采用LC谐振电路升压的方式实现容性负载上的电压放大。
2.根据权利要求1所述的低晃动同步扫描电路系统，其特征在于：所述PLL单元包括鉴相器(PFD)、环路滤波器(Loop Filter)、压控振荡器(VCO)以及分频器(Divider)，鉴相器(PFD)根据所述参考输入和经分频器(Divider)反馈的分频信号的相位差调整压控振荡器(VCO)的振荡频率，实现对输入参考信号的频率跟踪和锁定，通过配置压控振荡器(VCO)振荡频率范围和分频比即获得所需频带范围内的输出信号。
3.根据权利要求1所述的低晃动同步扫描电路系统，其特征在于：所述阻抗匹配模块对应的偏转板上的传输方式为后端开路的驻波偏转，以实现扫描电压反射叠加。
4.根据权利要求1所述的低晃动同步扫描电路系统，其特征在于：所述射频放大模块采用sku1094系列的射频功放模块。
5.根据权利要求1所述的低晃动同步扫描电路系统，其特征在于：所述LC谐振电路中，调谐电感L采用漆包线绕制而成，调谐电容CX采用ATC C800A系列NPO陶瓷射频高功率多层电容。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |