CN108871571A - 一种超快时域光谱系统中触发信号发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超快时域光谱系统中触发信号发生器，可以产生带宽高、上升沿锐利、易调节、性能稳定的触发信号；其中的光电二极管、跨阻放大器、运算放大器部分，采用了正反馈调节的方式，即当两束光脉冲照射在两个光电二极管上时，产生的电信号可经由两路不同的电路后，得到两个周期相同的电信号，即一路经由高频跨阻放大器TIA和放大器Amp3，一路经由两个电阻后再分别输入到放大器Amp1、Amp2后再输入到放大器Amp4；放大器Amp4、放大器Amp3输出的为周期相同性质相同的电信号，它们的信号同时输入到运算放大器Amp5，对放大器Amp4、放大器Amp3的信号进行放大并进行或运算，然后对跨阻放大器TIA进行正反馈调节，提高信号的信噪比，使信号更精确，避免噪声引起的误触发。
Description
技术领域
本发明属于超快时域光谱技术领域，具体涉及一种超快时域光谱系统中触发信号发生器。
背景技术
目前的超快时域光谱系统利用异步采样原理实现时域光谱的高速采集。基于异步采样的太赫兹超快时域光谱系统使用了两个重复频率略有差别的飞秒激光器，其中一路飞秒激光脉冲重复频率为1GHz，作为探测脉冲，另一路的重复频率可在1GHz附近调节，作为泵浦脉冲，并由高带宽反馈电子设备控制其重复频率。其两列飞秒脉冲的重复频率差值为Δf，Δf可在1Hz-20KHz可调，由此提供泵浦脉冲和探针脉冲的时间延迟，其扫描周期T可以由Δf给出，即T＝1/Δf。
超快太赫兹时域光谱系统采样原理如图1所示：图中Δf＝10kHz，T＝100μs。
由于泵浦脉冲和探测脉冲的重复频率不相同，所以它们不同步，但是每隔一定的时间就会重合一次。每当泵浦脉冲和探测脉冲重合一次，就标志着本次扫描周期结束，下一扫描周期开始。控制系统就产生一个高电平脉冲信号，即为Trigger信号(如图1中的Trigger)。Trigger信号的周期T＝1/Δf。时间T也是信号采集系统的采样周期，信号采集系统接收到一个Trigger信号开始采集数据，当接收到下一个Trigger信号后结束本次采集，保存数据，并开始下一周期数据采集。所以Trigger信号对信号的采集至关重要。
现在产生Trigger信号方式有两种：基于光学产生方法和基于电学产生方法。
基于光学产生Trigger信号的方法有两种：1、双光子探测器方法，此方法利用光电二极管的双光子吸收效应。此方法的缺点是：(1)调节困难、抗干扰性差，此方法要求将两束光的焦点精确聚焦在百微米级的光电二极管光敏探头上，调节是十分困难，如果调节完成后光路有微小变动就得重新调节。(2)双光子吸收效应只会在两路强激光下产生，所以两路强激光会对光电二极管造成极大的损伤，探测器易损坏。2、倍频晶体的方法，此方法是利用倍频晶体的倍频原理，当两个激光脉冲同时打在倍频晶体上时，则会产生一个二倍频与入射脉冲的光脉冲，利用探测器探测此二倍频脉冲。此方法的缺点是：(1)调节困难、抗干扰性差、封装困难，此方法要求将两束光的焦点精确聚焦在倍频晶体的同一点上，再调节两束入射光的偏振态，使其和倍频晶体光轴匹配，调节十分困难，如果调节完成后光路有微小变动就得重新调节。(2)由于都是光学器件，需要调节的参数太多所以封装困难，使用不方便。
基于电学产生方法，此方法是先将两脉冲光信号转换为两列分离电脉冲信号，然后再由触发电路将两列分离电信号转化为Trigger信号。缺点：在高频电路中稳定性差，如图2所示，Trigger信号的偏移对频谱影响极大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种超快时域光谱系统中触发信号发生器，可以产生上升沿锐利、易调节且性能稳定的触发信号。
本发明的一种触发信号发生器，包括：
两个光电二极管，分别为光电二极管PD1和光电二极管PD2；分别用于接收两路脉冲激光，且两路激光的中心波长相同，具有设定的重复频率差值；
五个放大器，分别为差分放大器Amp1、差分放大器Amp2、差分放大器Amp3、运算放大器Amp4和运算放大器Amp5；
跨阻放大器TIA以及施密特触发器；
所述光电二极管PD1通过电阻R1接直流负电压DC BISA-，光电二极管PD2通过电阻R2接直流正电压DC BISA+；光电二极管PD1和光电二极管PD2的输出电流接到跨阻放大器TIA的同向输入端；
电阻R1的两端接差分放大器Amp1的两个输入端，电阻R2的两端接差分放大器Amp2的两个输入端；差分放大器Amp1和Amp2的输出端分别连接到差分放大器Amp4的两个输入端；差分放大器Amp4的输出端和运算放大器Amp3的输出端分别通过电阻R4和电阻R5接到运算放大器Amp5的两个输入端，运算放大器Amp5的输出端接到跨阻放大器TIA的反向输入端；
所述施密特触发器接收运算放大器Amp3输出信号，处理后输出方波形式的触发信号。
较佳的，所述施密特触发器设置有负反馈调节电路。
进一步的，还包括直流电压调整模块，用于将输入的直流电压调整为光电二极管需要的直流正电压和直流负电压输出。
较佳的，所述两束激光脉冲的重复频率差值范围为1Hz至100kHz。
较佳的，将光电二极管PD1和光电二极管PD2、跨阻放大器、运算放大器、带通滤波器、施密特触发器以及直流电压调整模块封装在同一块PCB板上。
进一步的，还包括带通滤波器BFC，接收运算放大器Amp3输出信号，处理后送入施密特触发器。
本发明具有如下有益效果：
(1)、本发明的一种超快时域光谱系统中触发信号发生器，可以产生带宽高、上升沿锐利、易调节、性能稳定的触发信号；其中的光电二极管、跨阻放大器、运算放大器部分，采用了正反馈调节的方式，即当两束光脉冲照射在两个光电二极管上时，产生的电信号可经由两路不同的电路后，得到两个周期相同的电信号，即一路经由高频跨阻放大器TIA和放大器Amp3，一路经由两个电阻后再分别输入到放大器Amp1、Amp2后再输入到放大器Amp4；放大器Amp4、放大器Amp3输出的为周期相同性质相同的电信号，它们的信号同时输入到高频运算放大器Amp5中，放大器Amp5对放大器Amp4、放大器Amp3的信号进行放大并进行或运算，然后对跨阻放大器TIA进行正反馈调节，提高信号的信噪比，使信号更精确，避免噪声引起的误触发。
(2)施密特触发器带有反馈，避免了包络中的各个脉冲经过施密特触发器时产生的非正常电压转换。
(3)将光电二极管、电源、跨阻放大器、运算放大器、带通滤波器、施密特触发器和电源调整器都封装在同一块PCB上，具有集成度高、结构简单、优点。
附图说明
图1为现有的异步采样时域光谱系统采样原理示意图；
图2为基于电学产生方法产生的触发Trigger信号的曲线图，可以看出有10μ量级的偏移；
图3为本发明的触发信号发生器的电路原理图；
图4为待反馈的施密特触发器的电路示意图；
图5为放大器Amp4和Amp3的光电信号转换示意图；
图6为带通滤波器BPF输出信号示意图；
图7为带通滤波器BPF输出信号的时域放大后的示意图；
图8为施密特触发器输出信号的示意图；
图9为施密特触发器误触发时输出信号的示意图；
图10为采用本发明的触发信号发生器的超快时域光谱系统示意图；
图11为本发明的触发信号发生器产生的触发信号示意图；
图12为Trigger信号稳定性测试图；
图13为THz信号(上方)的时域图和触发信号(下方)的时域图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图3所示，本发明的光接收器件主要是两个相同的光电二极管，即结构功能框图中的PD1、PD2，此两个相同的光电二极管可以接收自由空间中的激光光脉冲。此光电二极管在接收到光脉冲时电阻会变小，当光强小于最大光强时，光强越大电阻越小。它们的带宽在20G以上，上升沿在10ps左右，本发明使用的光电二极管为25GHz、中心波长850nm。
两个光电二极管分别接收探测光和泵浦光，图3中，DC BISA-、DC BISA+是两个供电端，DC BISA-为直流负电压、DC BISA+为直流正电压。他们由直流电压调整(DCregulator)模块提供，直流电压调整模块把输入的DC 5V电压调整为直流正电压和直流负电压输出，并且和所有的电子器件都是共地的。
图中的TIA为高频跨阻放大器，其带宽为1GHz。两个光电二极管PD1、PD2输出的电流均接到高频跨阻放大器TIA的同向输入端；使用时两束光分别聚焦在光电二极管PD1、PD2上，当两束光脉冲同时照射在PD1、PD2上时，TIA的输入端只有微弱的小电流，高频跨阻放大器TIA输出为低电平；当两束光脉冲不同时照射在PD1、PD2上时高频跨阻放大器TIA的输入端有电流，高频跨阻放大器TIA输出为高电平，当两束光脉冲的时域时间间隔大于光电二极管的上升沿时，就是输出电平开始转变之时。高频跨阻放大器TIA的作用就是把微弱的电流信号变为放大的电压信号，并在一定频率范围内降噪。高频跨阻放大器TIA的输出连接高频运算放大器Amp3的输入端，其带宽为1GHz，作用就是进一步放大高频跨阻放大器TIA的输出信号。
光电二极管PD1通过电阻R1接直流负电压DC BISA-，光电二极管PD2通过电阻R2接直流正电压DC BISA+；电阻R1和R2是两个相同的电阻，电阻值很小，仅为1欧姆；电阻R1的两端接差分放大器Amp1的两个输入端，电阻R2的两端接差分放大器Amp2的两个输入端；差分放大器Amp1和Amp2的输出端分别连接到差分放大器Amp4的两个输入端；差分放大器Amp4的输出端和频运算放大器Amp3的输出端分别接到的两个输入端，放大器Amp5的输出端接到TIA的反向输入端，作为反馈信号。
当光脉冲照射在光电二极管上时，电阻两端就会形成电压差，此电压差会被高频差分放大器Amp1和Amp2放大，两放大器的输出信号会分别输入放大器Amp4。当两束光的光脉冲同时照射在PD1、PD2上时电阻R1、R2上的电压相同，则Amp1，Amp2的输出电压相同，则Amp4的输出电压为低电平，当两束光脉冲不同时照射在PD1、PD2上时电阻R1、R2上的电压不相同，则Amp1，Amp2的输出电压不相同，则Amp4的输出电压为高电平。所以周期性重合的两束光脉冲信号被转化为周期性的电信号，Amp4与Amp3输出的电平性质相同。如图5所示，当泵浦光与探测光的光脉冲重合时电信号为低电平，不重合时为高电平。
Amp5所在的反馈电路的作用就是通过正反馈使得Amp3输出的低电平信号电平更低。理论上当泵浦和探测激光的脉冲同时分别照射到PD1和PD2上时，TIA的输入为0，TIA和Amp3的输出为0。但是实际中却很难做到。所以反馈电路进一步降低低电平信号的电平。与PD1和PD2连接的是TIA的同相输入端，Amp5的输出连接的是TIA的反向输入端。Amp5的输出为反向输出，即当接收到两低电平信号时输出为低电平，当接收到信号为一高一低或两高电平时输出为负的高电平。这样当泵浦和探测激光的脉冲同时分别照射到PD1和PD2上时，TIA接收到小信号，TIA输出和Amp3输出也为低电平信号。此时Amp1、Amp2分别接收到电压近似相等的信号，Amp4输出低电平信号。Amp5接收到两个低电平信号，进行与运算后输出低电平信号，Amp5输出的低电平信号对TIA进行正反馈调节，使得TIA的输出低电平更低。当泵浦和探测激光的脉冲不同时分别照射到PD1和PD2上时，TIA接收到大信号，Amp5接收到两高电平信号，输出负的高电平信号，此负的高电平信号对TIA进行正反馈调节，使得TIA的输出电平更高，直至饱和。这样做的目的有两个：1、提高信号的信噪比，即提高低电平信号和高电平信号的电平差，使得信号经过BPF时可以输出更高幅值的脉冲信号。使得脉冲信号的幅值可以大于施密特触发器的电压阈值。2、避免其他噪声引起的信号电平非正常转变，提高信号的准确度。确保只有当泵浦和探测激光的脉冲同时分别照射到PD1和PD2上时，此触发信号发生器才会输出触发信号上升沿。
Amp3的输出信号经过一个电阻输入BPF，BPF为带通滤波器。带通滤波器的通过频率设定为包括Amp3输出的低电平脉冲信号的频率的频率范围。Amp3输出的信号既有所需要的信号也有不需要的直流信号和高频信号，带通滤波器BPF的作用就只把直流信号和高频信号过滤掉，只让需要的信号通过。所以Amp3输出的信号经过BPF后被转化为对应的所需频率的高电平脉冲信号。如图6所示。
BPF输出的信号为周期性电脉冲信号，由于电脉冲信号是由多个依次照射进来的光脉冲产生的，所以真实的时域信号放大后为一个电子包络形式，如图7所示。
数据采集系统识别的是触发信号的上升沿，但是信号有多个上升沿，直接用于数据采集的触发则会造成触发紊乱。所以BPF输出信号输入施密特触发器，即Schmitttrigger。调节施密特触发器的阈值电压，把此信号变成一个上升沿锐利的方波信号，如图8所示。
此施密特触发器带有反馈调节电路，如图2所示。此反馈调节避免了包络中的脉冲经过施密特触发器时产生的非正常电压转换。若没有此反馈调节，一个包络中的脉冲信号会产生多个上升沿，造成误触发。如图9所示。此误触发的上升沿会使数据采集系统出现混乱，采集的数据出现错误。所以对施密特触发器加了反馈调节，避免误触发的产生，确保一个电脉冲只会产生一个上升沿。
施密特触发器信号通过信号输出端的SMAJ输出，施密特触发器信号输出端即为此触发信号发生器的输出端，此触发信号发生器可放入超快时域光谱系统中使用。超快时域光谱系统结构示意图如图10所示。泵浦脉冲的重复频率为1G+Δf Hz，探测脉冲重复频率为1G Hz。此Trigger信号发生器输出信号的上升沿频率为Δf。在超快时域光谱系统中泵浦激光器产生的泵浦光脉冲经过两个分光镜后照射在信号发生器的一个光电二极管(PD1)上，探测激光器产生的探测光脉冲经过两个分光镜后照射在信号发生器的另一个光电二极管(PD2)上，调节两束照射在光电二极管上的光束平均光强相等。此时触发信号发生器的输出信号为周期性的方波信号，其周期与两列激光脉冲的重复频率之差的倒数相同。此信号为数据采集系统的触发信号。触发信号发生器的输出信号如图11所示。
对此信号进行稳定性测试，如图12所示。可以看出此Trigger信号的稳定性大大提高，时域上的偏移小至1ns，此偏移对数据采集的影响可以忽略不计。
用此Trigger信号采集的THz时域图与Trigger信号的时域图如图13所示。从图13可以看出此Trigger信号发生器产生的Trigger信号作为触发源采集的THz时域光谱非常稳定。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种触发信号发生器，其特征在于，包括：
两个光电二极管，分别为光电二极管PD1和光电二极管PD2；分别用于接收两路脉冲激光，且两路激光的中心波长相同，具有设定的重复频率差值；
五个放大器，分别为差分放大器Amp1、差分放大器Amp2、差分放大器Amp3、运算放大器Amp4和运算放大器Amp5；
跨阻放大器TIA以及施密特触发器；
所述光电二极管PD1通过电阻R1接直流负电压DC BISA-，光电二极管PD2通过电阻R2接直流正电压DC BISA+；光电二极管PD1和光电二极管PD2的输出电流接到跨阻放大器TIA的同向输入端；
电阻R1的两端接差分放大器Amp1的两个输入端，电阻R2的两端接差分放大器Amp2的两个输入端；差分放大器Amp1和Amp2的输出端分别连接到差分放大器Amp4的两个输入端；差分放大器Amp4的输出端和运算放大器Amp3的输出端分别通过电阻R4和电阻R5接到运算放大器Amp5的两个输入端，运算放大器Amp5的输出端接到跨阻放大器TIA的反向输入端；
所述施密特触发器接收运算放大器Amp3输出信号，处理后输出方波形式的触发信号。
2.如权利要求1所述的一种触发信号发生器，其特征在于，所述施密特触发器设置有负反馈调节电路。
3.如权利要求1所述的一种触发信号发生器，其特征在于，还包括直流电压调整模块，用于将输入的直流电压调整为光电二极管需要的直流正电压和直流负电压输出。
4.如权利要求1所述的一种触发信号发生器，其特征在于，所述两束激光脉冲的重复频率差值范围为1Hz至100kHz。
5.如权利要求3所述的一种触发信号发生器，其特征在于，将光电二极管PD1和光电二极管PD2、跨阻放大器、运算放大器、带通滤波器、施密特触发器以及直流电压调整模块封装在同一块PCB板上。
6.如权利要求1所述的一种触发信号发生器，其特征在于，还包括带通滤波器BFC，接收运算放大器Amp3输出信号，处理后送入施密特触发器。
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| CN108871571B (zh) | 2020-11-03 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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