CN112213733B - 同步压控可调脉冲发生电路及光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种同步压控可调脉冲发生电路及光纤激光器。本申请一实施例中，所述同步压控可调脉冲发生电路包括第一RC积分电路、脉宽调节与稳定控制电路、高速比较电路、第二RC积分电路、异或门电路、与门电路。本申请实施例满足了激光测距的需求，即脉冲信号的脉宽纳秒级，脉冲信号的脉宽纳秒范围内连续可调，并且脉冲信号与用户提供的触发时钟信号严格同步。
Description
技术领域
本申请涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种同步压控可调脉冲发生电路及光纤激光器。
背景技术
用于测距的光纤激光器能够输出单脉冲能量为千瓦以上的脉冲激光，为了让脉冲的峰值功率足够高，通常激光的脉宽需要被设置在纳秒范围内。同时，为了适应不同探测系统的需求，激光的脉宽需要实现纳秒范围连续可调，并且脉宽需要在宽温范围内保持稳定。光纤激光器中的同步脉冲信号发生电路产生的电脉冲信号的形状和宽度决定了光纤激光器输出的激光脉冲的形状和宽度。同时，为了让光纤激光器满足激光测距的需求，还要求输出的激光脉冲同用户提供的触发时钟信号同步，即用户提供一个触发时钟沿，激光器即可发出一个脉冲激光，且该脉冲激光同触发时钟的时间延迟严格保持不变。
发明内容
为了部分地或全部地解决上述技术问题，本申请实施例期望提供一种新的同步压控可调脉冲发生电路及光纤激光器。
本申请的一个方面，提供了一种同步压控可调脉冲发生电路，包括：第一RC积分电路、脉宽调节与稳定控制电路、高速比较电路、第二RC积分电路、异或门电路、与门电路；其中，
第一RC积分电路，对来自外部的同步触发时钟信号进行积分后产生第一爬坡信号并输出给所述高速比较电路；
脉宽调节与稳定控制电路，产生脉宽调节电压信号并输出给所述高速比较电路，所述脉宽调节电压信号的电压值连续可调；
高速比较电路，正输入端接入所述第一爬坡信号，负输入端接入所述脉宽调节电压信号，基于所述脉宽调节电压信号和所述第一爬坡信号对所述同步触发时钟信号进行延时以输出一延时时钟信号；
第二RC积分电路，对所述同步触发时钟信号进行积分后产生第二爬坡信号并输出给所述异或门电路，以利用所述异或门电路的固定门翻转电压补偿所述高速比较电路内部门电路的延时；
异或门电路，一输入端接入所述延时时钟信号，另一输入端接入所述第二爬坡信号，针对所述延时时钟信号和所述第二爬坡信号执行异或逻辑布尔函数从而产生第一脉冲信号并输出给所述与门电路；
与门电路，一输入端接入所述同步触发时钟信号，另一输入端接入所述第一脉冲信号，通过所述同步触发时钟信号抑制所述第一脉冲信号中因所述同步触发时钟信号下降沿而产生的部分，从而输出第二脉冲信号。
一些示例中，所述第一爬坡信号的电压满足如下关系：
其中，Vt表示t时刻所述第一爬坡信号的电压值，V1表示所述第一RC积分电路中的电容最终可充到的电压值，RC表示所述第一RC积分电路的RC参数。
一些示例中，所述高速比较电路，在所述同步触发时钟信号到达之前输出低电平；在所述同步触发时钟信号到达之时及之后，所述第一爬坡信号的电压超过所述脉宽调节电压信号并经过所述高速比较电路内部门电路的延时后，其输出电平开始翻转，输出高电平。
一些示例中，所述脉宽调节与稳定控制电路，利用脉宽单调连续压控可调的特性以及脉宽随温度单调连续变化的特性，对所述第二脉冲信号的脉宽进行温度补偿，产生所述脉宽调节电压信号并输出给所述高速比较电路。
一些示例中，所述脉宽调节与稳定控制电路包括：温度传感器、微控制器和数模转换器；其中，
所述温度传感器，配置为测量环境温度并将测得的环境温度值传送给所述微控制器；
所述微控制器，配置为基于所述环境温度值计算温度补偿的补偿电压，并根据所述补偿电压控制所述数模转换器产生相应的脉宽调节电压信号；以及
所述数模转换器，配置为在所述微控制器的控制下产生脉宽调节电压信号并输出至所述高速比较电路的负输入端。
一些示例中，所述脉宽调节电压信号的补偿电压基于下式确定：
其中，ΔV表示t时刻的补偿电压，V1表示所述第一RC积分电路中的电容最终可充到的电压值，RC表示所述第一RC积分电路的RC参数，k表示所述第二脉冲信号的脉宽随环境温度变化的变化率，ΔT表示t时刻所述环境温度相对于预设基准温度的变化量。
一些示例中，所述异或门电路，在所述第二爬坡信号的电压等于或高于自身固定门翻转电压时识别所述第二爬坡信号为高电平；在所述第二爬坡信号的电压低于自身固定门翻转电压时识别所述第二爬坡信号为低电平。
一些示例中，所述第二脉冲信号的脉宽等于所述延时时钟信号的延时时长与所述第二爬坡信号的延时时长之差，所述第二爬坡信号的延时时长与所述异或门电路的固定门翻转电压直接相关，所述延时时钟信号的延时时长通过所述脉宽调节电压信号的电压值调控。
一些示例中，所述第二脉冲信号为纳秒级方波信号。
本申请的一个方面，提供了一种光纤激光器，包括上述的同步压控可调脉冲发生电路。
本申请实施例提供的同步压控可调脉冲发生电路及包含该同步压控可调脉冲发生电路的光纤激光器，满足了激光测距的需求，即脉冲信号的脉宽纳秒级，脉冲信号的脉宽纳秒范围内连续可调，并且脉冲信号与用户提供的触发时钟信号严格同步。
附图说明
在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本申请的若干实施方式，其中：
图1为本申请一实施例光纤激光器的示例性结构图。
图2为本申请一实施例提供的同步压控可调脉冲发生电路的示例性结构图。
图3为本申请一实施例中RC积分电路的响应波形的示例图。
图4为本申请一实施例提供的同步压控可调脉冲发生电路的示例性时序图。
图5为本申请一实施例提供的同步压控可调脉冲发生电路的脉冲信号的脉宽随环境温度变化趋势的示例图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本申请的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本申请，而并非以任何方式限制本申请的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
如前文所述，光纤激光器中的同步脉冲信号发生电路产生的电脉冲信号的形状和宽度决定了光纤激光器输出的激光脉冲的形状和宽度。故而，应用于光纤激光器中的同步脉冲信号发生电路需要满足三个要求：1）脉冲信号的脉宽纳秒级；2）脉冲信号的脉宽纳秒范围内连续可调；3）脉冲信号与用户提供的触发时钟信号严格同步。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种同步压控可调脉冲发生电路及包含该同步压控可调脉冲发生电路的光纤激光器。其中，同步压控可调脉冲发生电路可以包括：第一RC积分电路、脉宽调节与稳定控制电路、高速比较电路、第二RC积分电路、异或门电路和与门电路，先利用高速比较电路配合RC积分电路和脉宽调节与稳定控制电路实现触发时钟信号的压控连续可调延时，再利用RC积分电路配合异或门电路产生纳秒级的脉冲信号，最后通过与门电路抑制该脉冲信号中与触发时钟信号下降沿相关的部分，最终产生的脉冲信号与触发时钟信号严格同步，延迟抖动能够控制在皮秒量级。由此可见，本申请实施例提供的同步压控可调脉冲发生电路及包含该同步压控可调脉冲发生电路的光纤激光器，满足了上述三个要求，也即脉冲信号的脉宽纳秒级，脉冲信号的脉宽纳秒范围内连续可调，并且脉冲信号与用户提供的触发时钟信号严格同步。
本申请实施例提供了一种光纤激光器，该光纤激光器包括下文所述的同步压控可调脉冲发生电路。
图1示出本申请实施例中光纤激光器的示例性结构。如图1所示，光纤激光器可以包括驱动电路12、种子源激光器13和光纤放大系统14。其中，驱动电路12配置为在同步触发时钟信号11的触发下驱动种子源激光器13输出低功率的脉冲激光后，再通过高增益的光纤放大系统14实现光脉冲能量的放大，从而输出高功率的脉冲激光15。激光脉冲的形状和宽度由种子源激光器13输出的低频率的脉冲激光决定，而种子源激光器13输出的低频率的脉冲激光的脉冲波形由驱动电路12实现。驱动电路12可以包括顺次耦接的同步可调脉冲信号发生电路121、脉冲放大电路122和激光器驱动电路123。同步可调脉冲信号发生电路121产生的电脉冲信号的形状和宽度决定了光纤激光器输出的高功率激光脉冲15的形状和宽度。
需要说明的是，图1仅作为示例。本领域技术人员可以理解，本申请实施例的光纤激光器具体结构不限于图1所示。并且，本申请实施例下文提供的同步压控可调脉冲发生电路不仅可适用于上述结构的光纤激光器，还可适用于其他各类光纤激光器，更可适用于除光纤激光器之外的其他各类激光器。
图2示出了本申请实施例中同步压控可调脉冲发生电路的示例性结构。图3示出了RC积分电路的响应波形的示例图。图4示出了本申请实施例中同步压控可调脉冲发生电路的示例性时序图。图5示出了本申请实施例中同步压控可调脉冲发生电路的脉冲信号的脉宽随环境温度变化趋势的示例图。
参见图2所示，本申请实施例中的同步压控可调脉冲发生电路可以包括：第一RC积分电路21、高速比较电路22、第二RC积分电路23、异或门电路24、与门电路25和脉宽调节与稳定控制电路26。
参见图2所示，第一RC积分电路21的输入端接入来自外部的同步触发时钟信号20、输出端耦接高速比较电路22的正输入端，脉宽调节与稳定控制电路26的输出端耦接高速比较电路22的负输入端，高速比较器22的输出端耦接异或门电路24的一输入端，异或门电路24的另一输入端耦接第二RC积分电路23的输出端，第二RC积分电路23的输入端接入同步触发时钟信号20，异或门电路24的输出端耦接与门电路25的一输入端，与门电路25的另一输入端接入同步触发时钟信号20，与门电路25的输出端输出最终的脉冲信号（也即，下文中的“第二脉冲信号48”）。这里，“耦接”是指电连接或者耦合。
本申请实施例中的同步触发时钟信号20可以由外部提供。这里，同步触发时钟信号20与上文的同步触发时钟信号11相同，该同步触发时钟信号20可以是但不限于占空比为50%、频率为1KHz~10MHz的方波信号，光纤激光器需要在该同步触发时钟信号20的上升沿输出脉冲激光。
第一RC积分电路21可以对来自外部的同步触发时钟信号进行积分后产生第一爬坡信号并输出给高速比较电路22。实际应用中，第一RC积分电路21可以包括一阶RC充电电路或者直接通过一阶RC充电电路来实现。
参见图2所示，第一RC积分电路21可以包括第一电阻R1和第一电容C1，第一电阻R1的一端接入同步触发时钟信号20，另一端连接第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端接地GND，由第一电阻R1和第一电容C1的连接端输出第一爬坡信号32，也即由第一电阻R1和第一电容C1之间的连接端作为第一RC积分电路21的输出端来连接高速比较器22的正输入端。也即，第一RC积分电路21是由来自外部的同步触发时钟信号20串联电阻R1后一端并接电容C1到地、另一端输出第一爬坡信号32给高速比较电路22。
需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”仅用于区分不同器件或电路，并不用于限制本申请实施例的具体实现方式。
根据一阶RC充电电路的特性，RC积分电路中电容两端电压的计算公式如下式（1）所示：
其中，Vt表示t时刻RC积分电路输出的爬坡信号的电压值也即其电容上的电压值，V0表示RC积分电路中电容的初始电压值，V1为RC积分电路中电容的最终可充到的电压值，RC表示RC积分电路的RC参数，也即其时间常数。在同步触发时钟信号20到来之前，V0=0，因此式（1）可以简化为下式（2）：
参见图3，根据式（2），当阶跃触发时钟信号31到来后，Vt不会马上上升到晶体管-晶体管逻辑电平（TTL）值，而是根据RC参数（即RC积分电路的时间常数）爬坡上升，故而RC积分电路将输出一爬坡信号，其爬坡信号的波形如图3中波形32所示。
本申请实施例中，第一RC积分电路21通过一阶RC充电电路构成时，其输出的第一爬坡信号32的电压即满足式（2），相应地，式（2）中的Vt表示t时刻第一爬坡信号32的电压值，V1表示第一RC积分电路21中的电容即第一电容C1最终可充到的电压值，RC表示第一RC积分电路21的RC参数。参见图4所示，当同步触发时钟信号20到来后，第一RC积分电路21输出的第一爬坡信号32的电压将根据其RC参数爬坡上升。
参见图2所示，高速比较电路22的正输入端接入第一爬坡信号32、负输入端接入脉宽调节电压信号42。参见图4所示，高速比较电路22可以基于脉宽调节电压信号42和第一爬坡信号32对同步触发时钟信号20进行延时以输出一延时时钟信号44。这里，延时时钟信号44的延时时长可以由脉宽调节电压信号42的电压值和高速比较电路22内部门电路的延时（即下文中的门传送延时tpd）直接相关。
参见图4所示，高速比较电路22在同步触发时钟信号20到达之前输出低电平，在同步触发时钟信号20到达之时及之后，第一爬坡信号32的电压超过脉宽调节电压信号42并经过所述高速比较电路内部门电路的延时后，其输出电平开始翻转，输出高电平，从而对同步触发时钟信号20进行可调延时后输出延时时钟信号44。由此，通过脉宽调节与稳定控制电路26所产生的脉宽调节电压信号42调节高速比较电路22的跳变点电压，实现了同步触发时钟信号20的压控连续可调延时。
具体地，参见图2和图4所示，高速比较电路22可以通过一高速比较器U2来实现，该高速比较器U2的正输入端（图2中U2的“+”输出端）接入第一爬坡信号32，负输入端（图中U2的“-”输出端）接入脉宽调节电压信号42。在同步触发时钟信号20的上升沿到达前，高速比较器U2输出低电平，当同步触发时钟信号20的上升沿到达之时及之后，经过第一RC积分电路21对第一电容C1进行充电，第一电容C1上的电压（即第一爬坡信号32的电压）开始上升，当第一电容C1上的电压（即第一爬坡信号32的电压）超过脉宽调节电压信号42并经过所述高速比较电路内部门电路的延时（即下文中的门传送延时tpd）后，高速比较器U2输出电平开始翻转，输出高电平。由此，利用高速比较电路22实现了同步触发时钟信号20的连续可调延时，其延时时长K1与脉宽调节电压信号42的电压值和高速比较电路内部门电路的延时（即下文中的门传送延时tpd）直接相关。
通常，高速比较电路22中的高速比较器U2存在门传送延时tpd，因此，高速比较电路22输出的延时时钟信号44的延时时长等于第一爬坡信号32的延时时长K0和其门传送延时tpd之和，第一爬坡信号32的延时时长可以通过脉宽调节电压信号42的值调整。可见，尽管可以通过脉宽调节电压信号42的值调节延时时钟信号44的延时时长，但由于门传送延时tpd的存在，将导致同步压控可调脉冲发生电路最终产生的脉冲信号的脉冲延时无法设置为0，也即脉冲信号的脉宽无法从零开始调节。
为解决因高速比较电路22中存在门传送延时tpd而导致脉冲信号的脉宽无法从零开始调节的问题，本申请实施例中，在异或门电路24之前设置了第二RC积分电路23。参见图2和图4所示，第二RC积分电路23的输入端接入同步触发时钟信号20，可以对同步触发时钟信号20进行积分后产生第二爬坡信号46并输出给异或门电路24，以利用异或门电路24的固定门翻转电压对同步触发时钟信号20的延时，补偿高速比较电路22的门传送延时tpd，使得本申请实施例中同步压控可调脉冲发生电路产生的脉冲信号的脉宽可以从零开始调节。
本申请实施例中，第二RC积分电路23可以包括一阶RC充电电路或直接由一阶RC充电电路来实现。参见图2所示，与上文第一RC积分电路的结构相似，第二RC积分电路23可以包括第二电阻R2和第二电容C2，第二电阻R2的一端接入同步触发时钟信号20，另一端连接第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端接地GND，第二电阻R2和第二电容C2的连接端作为第二爬坡信号46的输出端连接异或门电路24的一输入端。
参见上文对于RC积分电路工作原理的解释，第二RC积分电路23由一阶RC充电电路构成时，第二RC积分电路23的输出电压同样满足式（2），相应地，式（2）中的Vt表示t时刻第二爬坡信号46的电压值（也即t时刻第二电容C2上的电压值），V1表示第二RC积分电路23中的电容最终可充到的电压值（即第二电容C2最终可充到的电压值），RC表示第二RC积分电路23的RC参数。参见图4所示，当同步触发时钟信号20到来后，第二RC积分电路23输出的第二爬坡信号46的电压将根据其RC参数爬坡上升，当第二爬坡信号46的电压（也即第二电容C2上的电压Vt）到达异或门电路24的固定门翻转电压45之时（即第二爬坡信号46的电压等于或高于异或门电路24的固定门翻转电压45时），异或门电路24识别第二爬坡信号46为高电平；而在第二爬坡信号46的电压低于异或门电路24的固定门翻转电压45时，异或门电路24识别第二爬坡信号为低电平。由此，实现了对同步触发时钟信号20的延时，该延时的目的是用于补偿高速比较电路22中的门传送延时tpd，使得后端的异或门电路24能够输出零宽度脉冲信号，也即使得本申请实施例中同步压控可调脉冲发生电路的脉冲信号的脉宽可以从零开始调节。
参见图2和图4所示，异或门电路24的一输入端接入延时时钟信号44，另一输入端接入第二爬坡信号46，针对延时时钟信号44和第二爬坡信号46执行异或逻辑布尔函数从而产生第一脉冲信号47并输出给与门电路25。可见，异或门电路24不仅可以产生预定脉宽的脉冲信号，而且通过其与第二RC积分电路23之间的配合补偿了高速比较电路22中的门传送延时tpd，其产生的脉冲信号可以从零开始连续调节。
参见图2和图4所示，异或门电路24可以由异或门芯片U3来实现。异或门芯片U3接收高速比较电路22输出的延时时钟信号44和第二RC积分电路23输出的第二爬坡信号46，根据异或门的特性执行异或逻辑布尔函数
，只有在延时时钟信号44和第二RC积分电路23不同时才输出高电平。
参见图4所示，根据异或门芯片U3输入信号的特性，异或门芯片U3在进行输入信号的高低电平的判定时，主要由其芯片内部的触发器完成，同上文的高速比较器U2类似，只有当异或门芯片U3的输入信号（即第二爬坡信号46）的电压等于或高于其芯片内部设置的固定门翻转电压45后，异或门芯片U3的触发器被触发，异或门芯片U3才会判定该输入信号为高电平，在输入信号的电压低于其芯片内部设置的固定门翻转电压45时，该输入信号均被判定为低电平。换言之，只有当第二爬坡信号46的电压等于或高于异或门芯片43的固定门翻转电压45时，异或门芯片U3才可以识别所述第二爬坡信号46为高电平。
继续参考附图4，假设延时时钟信号44记为A，其相对于同步触发时钟信号20的延时时长记为K1，第二爬坡信号46记为B，其相对于同步触发时钟信号20的延时时长记为K2，通过电路参数（例如，第二RC积分电路23的RC参数等）配置使得K2<K1，那么在0到K2内，A=0且B=0时异或门芯片U3的输出信号Y（即第一脉冲信号47）必然为低电平，只有在ΔK=K1-K2的时间内，A=0且B=1或者A=1且B=0时异或门芯片U3的输出信号Y为高电平，在K1之后，A=1且B=1，异或门芯片U3的输出信号Y又变为低电平，从而产生了脉宽为ΔK的数字电平脉冲信号，即第一脉冲信号47。显然，ΔK由K1和K2决定，由此可见，通过调节高速比较电路22的负输入端的脉宽调节电压信号42的电压值来改变K1值的大小，即可调节ΔK的大小，从而实现脉冲信号的脉宽的同步压控连续可调，并且由于是通过脉宽调节电压信号42的模拟电压进行脉宽调节，因此，脉冲信号的脉宽调节精度可以达到皮秒级别。
由于异或门电路24只针对同步触发时钟信号20的上升沿进行分析，而实际上在同步触发时钟信号20的下降沿也同样会产生脉冲信号，且在同步触发时钟信号20的下降沿产生的脉冲信号的脉宽跟其上升沿产生的脉冲信号的脉宽会有所偏差，这是系统所不希望的。为解决该问题，本申请实施例中，在异或门电路24之后设置了与门电路25。与门电路25以同步触发时钟信号20和来自异或门电路的脉冲信号47为输入，在同步触发时钟信号20与脉冲信号47同步时输出第二脉冲信号48，由此，通过与门电路25可以有效抑制同步触发时钟信号20的下降沿产生的脉冲信号，以确保只在同步触发时钟信号20的上升沿输出第二脉冲信号48。
参见图2所示，与门电路25的一输入端接入同步触发时钟信号20，另一输入端接入第一脉冲信号47，通过同步触发时钟信号20抑制第一脉冲信号47中因同步触发时钟信号20下降沿而产生的部分，从而输出第二脉冲信号48。
参见图2和图4所示，与门电路25可以通过高速与门芯片U4实现。高速与门芯片U4的一个输入端接入异或门芯片U3输出的第一脉冲信号47，另一输入端直接接入同步触发时钟信号20。这样，只有当同步触发时钟信号20为高电平时，高速与门芯片U4才会输出高电平，而只要同步触发时钟信号20为低电平，不论异或门芯片U3输出怎样的信号，高速与门芯片U4输出的信号均为低电平，从而抑制了异或门芯片U3在同步触发时钟信号20下降沿产生的脉冲信号。
参见图4所示，第二脉冲信号48的脉宽等于延时时钟信号44的延时时长K1与第二爬坡信号的延时时长K2之差，第二爬坡信号K2的延时时长K2与异或门电路的固定门翻转电压45直接相关，延时时钟信号44的延时时长K1可通过脉宽调节电压信号42的电压值调控。
本申请实施例中，脉宽调节与稳定控制电路26可以产生脉宽调节电压信号42并输出给高速比较器22，该脉宽调节电压信号42的电压值连续可调以用于调节第二脉冲信号48的脉宽。由此，可以通过脉宽调节与稳定控制电路26配合高速比较电路22和第一RC积分电路21实现同步触发时钟信号20的压控连续可调延时。
一些实施例中，脉宽调节与稳定控制电路26可以通过可变电压器件或可变电压电路来实现，以输出一电压连续可调的脉宽调节电压信号来实现脉宽的压控连续可调延时。此外，还可以在脉宽调节与稳定控制电路26中加入数控电路和数模转换电路等，实现脉宽的数控可调。
一些实施例中，脉宽调节与稳定控制电路26可以利用脉宽单调连续压控可调的特性以及脉宽随温度单调连续变化的特性，产生脉宽调节电压信号42并输出给高速比较电路22，该脉宽调节电压信号42可用于对第二脉冲信号48的脉宽进行温度补偿。这里，脉宽调节与稳定控制电路26可以通过测量环境温度确定温度补偿的补偿电压，并基于补偿电压产生脉宽调节电压信号42。其中，脉宽调节电压信号42的值由补偿电压决定，补偿电压的变化量则正比于环境温度相对于预设基准温度的变化量。
参见图2所示，脉宽调节与稳定控制电路26可以包括温度传感器RT1、微控制器（MCU）U5和数模转换器（DAC）U1，温度传感器RT1与微控制器U5电连接，数模转换器U1与微控制器U5电连接，数模转换器U1的输出端连接高速比较电路22的负输入端。其中，温度传感器RT1可以配置为测量环境温度并将测得的环境温度值传送给微控制器U5，微控制器U5可以配置为基于环境温度值计算温度补偿的补偿电压，并根据补偿电压控制数模转换器U1产生相应的脉宽调节电压信号42，数模转换器U1可以配置为在微控制器U5的控制下产生脉宽调节电压信号42并输出至高速比较电路22的负输入端。可见，本申请实施例中的脉宽调节与温度电路26可以通过监测环境温度来进行脉宽的连续调节控制，同时保证在宽温范围内脉宽稳定。
本申请实施例的脉宽调节与稳定控制电路26与本申请实施例中其他电路（即上文的第一RC积分电路21、高速比较电路22、第二RC积分电路23、异或门电路24、与门电路25）共同采用开环负反馈锁定脉冲信号（即第二脉冲信号48）的脉宽，同时实现了脉冲信号的脉宽压控连续可调。具体地，采用开环负反馈锁定脉宽的原理如下：
假设高速比较电路22负端输入的脉宽调节电压信号42的电压为Vset=Vt，Vt表示t时刻高速比较电路22正端输入的第一爬坡信号32的电压值，基于脉宽单调连续压控可调的特性及脉宽随温度单调连续变化的特性，本申请实施例同步压控可调脉冲信号发生电路输出的第二脉冲信号48的脉宽m满足如下式（3）：
其中，V1为第一RC积分电路21中第一电容C1最终可充到的电压值，m表示第二脉冲信号48在t时刻的脉宽。
设第二脉冲信号48的脉宽由环境温度T产生的变化量为Δm，需要调节Vset的值以补偿其脉宽，此时，Vset的变化量记为ΔV，由公式（3）的微分便可推导出ΔV-Δt关系，如下式（4）所示：
假设环境温度为T，图5示出了脉宽m随环境温度T变化趋势的示例图。参见图5所示，根据脉宽随温度单调连续变化的特性，可以近似认为脉宽与环境温度T之间满足线性关系。以预先设定的基本准度（例如，常温，25摄氏度）为参考零点，环境温度T的变化量记为ΔT，脉宽m随环境温度T的变化率为k，则脉宽m与环境温度T之间的线性关系可表示为下式（5）：
实际应用中，可以通过测试一预设低温点、一预设常温点和一预设高温点下的脉宽m，来确定脉宽m随环境温度T变化的变化率k。
结合式（4）和式（5），可以根据Δm推导出需要补偿的ΔV，即脉宽调节与稳定控制电路26进行温度补偿时，其补偿电压ΔV可以通过下式（6）确定：
其中，ΔV表示t时刻的补偿电压，V1表示第一RC积分电路21中的电容最终可充到的电压值，RC表示第一RC积分电路21的RC参数，k表示第二脉冲信号48的脉宽随环境温度T变化的变化率，ΔT表示t时刻环境温度T相对于预设基准温度（例如，常温）的变化量。
t时刻，脉宽调节电压信号42的电压值与补偿电压ΔV之间的关系可以表示为下式（7）：
Un = Un-1 +ΔV（7）
其中，Un为t时刻脉宽调节电压信号42的需求电压值，Un-1为t时刻脉宽调节电压信号42的实际电压值。
通过公式（6）和公式（7），同时参见图4所示，在环境温度T固定的情况下，脉宽调节电压信号42的电压值越大，第二脉冲信号48的脉宽越大，脉宽调节电压信号42的电压值越小则第二脉冲信号48的脉宽越小。若脉宽调节电压信号42的电压值固定，环境温度T越高，则第二脉冲信号48的脉宽越大。也就是说，环境温度的变化量ΔT和补偿电压ΔV是反向变化，基于环境温度的变化量ΔT和补偿电压ΔV的反向线性关系来控制脉宽调节电压信号42的电压值，即可锁定第二脉冲信号48的脉宽并实现其脉宽的连续可调。
为了锁定脉宽，可以在环境温度T超出预设的基准温度时，即ΔT为正时，调小脉宽调节电压信号42的实际电压值；若环境温度T低于基准温度，即ΔT为负，则可以调大脉宽调节电压信号42的实际电压值，这样，可以确保t时刻脉宽调节电压信号42的需求电压值Un是相对稳定的，进而锁定第二脉冲信号48的脉宽。参见图4，本申请实施例的同步压控可调脉冲信号发生电路最终产生的脉冲信号（即第二脉冲信号48）是纳秒级方波信号，且其脉宽纳秒范围内连续可调。
本申请实施例的技术效果包括但不限于下述几项：
1）本申请实施例的同步压控可调脉冲信号发生电路输出的脉冲信号是纳秒级方波信号，其脉宽可以压控连续可调，并且与外部触发时钟信号同步触发产生且延迟保持稳定，延迟抖动能够控制在皮秒量级。
2）利用脉宽单调连续压控可调的特性及脉宽随温度单调连续变化的特性，采用开环负反馈对脉宽进行温度补偿，保证在宽温范围内脉宽稳定。
3）本申请实施例中，通过模拟电压进行脉宽调节，使得脉宽调节精度可以达到皮秒级。
4）利用第二RC积分电路配合固定的门触发电平进行门传送延时tpd的补偿，使得脉宽可以从零开始调节。
5）产生的脉冲信号为方波的数字电平信号，形状对称，信号强度高，可以简化后级驱动的设计。
6）电路结构简单，功耗低。
7）可以充分利用已有的高性能器件来形成本申请实施例的同步压控可调脉冲信号发生电路，不依赖于专业芯片，灵活性更高。
8）有效抑制了同步触发时钟信号下降沿所产生的脉冲信号。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种同步压控可调脉冲发生电路，包括：第一RC积分电路、脉宽调节与稳定控制电路、高速比较电路、第二RC积分电路、异或门电路、与门电路；其中，
第一RC积分电路，对来自外部的同步触发时钟信号进行积分后产生第一爬坡信号并输出给所述高速比较电路，所述第一爬坡信号的电压满足如下关系：
其中，Vt表示t时刻所述第一爬坡信号的电压值，V1表示所述第一RC积分电路中的电容最终可充到的电压值，RC表示所述第一RC积分电路的RC参数；
脉宽调节与稳定控制电路，产生脉宽调节电压信号并输出给所述高速比较电路，所述脉宽调节电压信号的电压值连续可调；
高速比较电路，正输入端接入所述第一爬坡信号，负输入端接入所述脉宽调节电压信号，基于所述脉宽调节电压信号和所述第一爬坡信号对所述同步触发时钟信号进行延时以输出一延时时钟信号；
第二RC积分电路，对所述同步触发时钟信号进行积分后产生第二爬坡信号并输出给所述异或门电路，以利用所述异或门电路的固定门翻转电压补偿所述高速比较电路内部门电路的延时；
异或门电路，一输入端接入所述延时时钟信号，另一输入端接入所述第二爬坡信号，针对所述延时时钟信号和所述第二爬坡信号执行异或逻辑布尔函数从而产生第一脉冲信号并输出给所述与门电路；
与门电路，一输入端接入所述同步触发时钟信号，另一输入端接入所述第一脉冲信号，通过所述同步触发时钟信号抑制所述第一脉冲信号中因所述同步触发时钟信号下降沿而产生的部分，从而输出第二脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的同步压控可调脉冲发生电路，其中，所述高速比较电路，在所述同步触发时钟信号到达之前输出低电平；在所述同步触发时钟信号到达之时及之后，所述第一爬坡信号的电压超过所述脉宽调节电压信号并经过所述高速比较电路内部门电路的延时后，其输出电平开始翻转，输出高电平。
3.根据权利要求1所述的同步压控可调脉冲发生电路，其中，所述脉宽调节与稳定控制电路，利用脉宽单调连续压控可调的特性以及脉宽随温度单调连续变化的特性，产生一所述脉宽调节电压信号并输出给所述高速比较电路，所述脉宽调节电压信号用于对所述第二脉冲信号的脉宽进行温度补偿。
4.根据权利要求1所述的同步压控可调脉冲发生电路，其中，所述脉宽调节与稳定控制电路包括：温度传感器、微控制器和数模转换器；其中，
所述温度传感器，配置为测量环境温度并将测得的环境温度值传送给所述微控制器；
所述微控制器，配置为基于所述环境温度值计算温度补偿的补偿电压，并根据所述补偿电压控制所述数模转换器产生相应的脉宽调节电压信号；以及
所述数模转换器，配置为在所述微控制器的控制下产生脉宽调节电压信号并输出至所述高速比较电路的负输入端。
5.根据权利要求4所述的同步压控可调脉冲发生电路，其中，所述脉宽调节电压信号的补偿电压基于下式确定：
其中，ΔV表示t时刻的补偿电压，V1表示所述第一RC积分电路中的电容最终可充到的电压值，RC表示所述第一RC积分电路的RC参数，k表示所述第二脉冲信号的脉宽随环境温度变化的变化率，ΔT表示t时刻所述环境温度相对于预设基准温度的变化量。
6.根据权利要求1所述的同步压控可调脉冲发生电路，其中，所述异或门电路，在所述第二爬坡信号的电压等于或高于自身固定门翻转电压时识别所述第二爬坡信号为高电平；在所述第二爬坡信号的电压低于自身固定门翻转电压时识别所述第二爬坡信号为低电平。
7.根据权利要求1或6所述的同步压控可调脉冲发生电路，其中，所述第二脉冲信号的脉宽等于所述延时时钟信号的延时时长与所述第二爬坡信号的延时时长之差，所述第二爬坡信号的延时时长与所述异或门电路的固定门翻转电压直接相关，所述延时时钟信号的延时时长通过所述脉宽调节电压信号的电压值调控。
8.根据权利要求1所述的同步压控可调脉冲发生电路，其中，所述第二脉冲信号为纳秒级方波信号。
9.一种光纤激光器，包括如权利要求1至8任一项所述的同步压控可调脉冲发生电路。
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