CN113541653A - 基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器 - Google Patents

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CN113541653A CN202110851736.XA CN202110851736A CN113541653A CN 113541653 A CN113541653 A CN 113541653A CN 202110851736 A CN202110851736 A CN 202110851736A CN 113541653 A CN113541653 A CN 113541653A
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韦文生
朱家伟
熊愉可
王渊
吴晓华
戴森荣
郭文
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Abstract

本发明提供一种基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，包括直流稳压电源、基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路和输入输出控制电路；直流稳压电源对交流电进行变压、整流、滤波及稳压处理后，输出稳压直流电；基于传输线原理形成的脉冲信号产生电路在其负载网络与传输线之间阻抗相匹配时，通过开关晶体管驱动电路控制开关晶体管闭合及关断，以产生纳秒级别波形稳定且可调边沿的脉冲信号；输入输出电路显示所得脉冲信号的幅度、宽度、上升沿及下降沿时间等参数。实施本发明，具有电路结构简单，受外界环境变化而造成干扰较小，波形稳定等优点。

Description

基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器
技术领域
本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种基于传输线反射原理的纳秒(ns)级陡边沿脉冲信号发生器。
背景技术
近年来随着科技的发展，脉冲技术的应用领域不断扩大，尤其是陡边沿超短脉冲因特有的优势和广阔的应用前景而受到了国内外众多学者、工程技术人员的关注。最常见的脉冲电压波形是矩形波，理想矩形波的边沿瞬间跳变。但事实上，脉冲电压从低电平跳变至高电平，或从高电平跳变至低电平，都需要经历一定的时间。
在测量技术领域，时域反射仪(TDR)可用于检测印刷电路板(PCB)走线阻抗连续性[Daniel L.Mauch,et al.Ultrafast reverse recovery time measurement for wideband gap diodes[J],IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.32,No.12(2017):9333-9341.]，因此又称为特性阻抗测试仪。当前常用的TDR设备由示波器和陡边沿脉冲信号发生器构成。在光学仪器领域，作为夜视仪的重要组件的像增强器具有很高的增益，像增强器通过外接陡边沿选通脉冲来提高系统的分辨率与灵敏度[韩振兴等，像增强器高速选通脉冲形成电路的设计与实现[J]，电光与控制,Vol.15,No.12(2008):72-74,88.]。
目前，国内外都报道了陡边沿脉冲信号发生器的相关研究。例如，杨景红等设计了一种脉冲信号发生器[杨景红等，高重复频率纳秒级脉冲发生器研究[J]，微波学报,Vol.36,No.3(2020):65-70.]，其输出脉冲电压为10kV，脉冲电流为50A，脉冲宽度为10～50ns，脉冲重复频率10～50kHz，脉冲前沿小于5ns。该脉冲信号发生器采用15个射频功率MOSFET组件，输出脉冲由感应变压器次级串联叠加形成，得到10kV、50A高压脉冲。该型脉冲发生器具有小型化、长寿命、高效率和易维护的优点。但是在仿真时采用的数据是理论计算值，与实际情况有差异，同时也没有考虑MOSFET的驱动电路以及同步触发的一致性对输出脉冲的影响。又如，陈炯等设计了一款便携式ns级高压脉冲发生器[陈炯等，脉宽和幅值可调的新型超窄脉冲发生器的研制[J]，高电压技术,Vol.31,No.5(2005):39-40,49.]，输出脉冲宽度在20ns至100ns的范围内可调，最大脉冲幅值可达1kV，该装置采用了由高频开关电路和脉冲宽度调制(PWM)原理制成的直流高压电源代替传统的直流电源作为脉冲发生器电源，采用电阻-电感-电容(RLC)振荡电路代替RC振荡电路，使振荡回路中的电感上产生高压脉冲并且可由MOSFET开关的导通和关断控制。该装置通过振荡实现ns级别的高压脉冲，虽然具有对称性好、波形光滑等优点，但是在负载上形成快速边沿的脉冲信号时，对开关的性能要求高，且电路较复杂。又如，Boyko N.I.等成功研制了一种短脉冲发生器[BoykoN.I.,et al.Generator Of Short High-Voltage Pulses[C],Ultra-wide band andUltra-short Impulse Signals,Ukraine,Sept.18-22,2006:pp.194-196.]，其特征脉冲长度约为1.5ns，输出电压幅值为500kV。该发生器是建立在电容储能的基础上，采用特斯拉电路中的变压器和火花放电作为高压能量开关，这种类型的发生器可以利用辐射电磁脉冲远距离传输能量，也可以利用高强脉冲电场对介质包装中的各种产品进行消毒处理，但是脉冲频率不易调节、脉冲波形不稳定，且重复频率低、使用寿命有限、工作稳定性差。
因此，亟需一种纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，能够克服现有脉冲发生器存在的技术缺陷，具备电路结构简单，受外界环境变化而造成干扰较小，波形稳定等优点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，它的电路简单可靠，受周围环境影响小，输出波形稳定。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，包括直流稳压电源及其分别连接的基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路和输入输出控制电路；其中，
所述直流稳压电源与外部交流电源相连，用于对交流电进行变压、整流、滤波及稳压处理后，输出稳压直流电；
所述基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路包括开关晶体管及其通过栅极(G)连接的开关晶体管驱动电路，通过漏极(D)连接的传输线以及通过源极(S)连接的负载网络；所述传输线还与所述直流稳压电源相连；其中，所述基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路，用于在所述负载网络与所述传输线之间阻抗相匹配时，通过所述开关晶体管驱动电路控制所述开关晶体管闭合及关断，以产生ns级别波形稳定且边沿可调的脉冲信号；
所述输入输出电路与所述负载网络相连，用于显示所述基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路输出的脉冲幅度、宽度、上升沿及下降沿时间。
其中，所述直流稳压电源包括依序连接的变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路；其中，
所述变压器，用于对交流电进行变压，形成低压交流电；
所述整流电路，用于对低压交流电进行整流；
所述滤波电路，用于对整流后的直流电进行滤波处理；
所述稳压电路，用于对滤波后的直流电进行稳压，形成稳定电压的直流电。
其中，所述直流稳压电源还包括设置于所述变压器初级线圈之外且与变压器初级线圈相串接的单刀双掷开关和熔断器；其中，
所述单刀双掷开关，用于控制交流电进入或截止所述变压器初级线圈；
所述熔断器，用于当电路发生故障或异常时，电流升高超过规定值时进行熔断，以截断交流电进入所述变压器初级线圈。
其中，所述开关晶体管驱动电路包括依序连接的脉冲宽度调制(PWM)信号产生电路、边沿加速电路、互补输出驱动电路和边沿控制电路；其中，
所述PWM信号产生电路由一只定时器芯片及其外围的一只电容、两个可变电阻组成多谐振荡器，用于产生脉冲宽度调制信号波形；
所述边沿加速电路由相并接的一电容和一电阻形成，用于利用电容两端电压不能突变的特性，调节PWM信号前沿产生正向尖脉冲；
所述互补输出驱动电路由发射极连在一起并组成射极跟随器形式的两个三极管形成，用于交替工作控制产生正向尖脉冲的PWM信号通过；
所述边沿控制电路与所述开关晶体管的栅极(G)相连，其为可调电阻，用于通过电阻可调来控制PWM信号的脉冲边沿时间。
其中，所述开关晶体管驱动电路还包括设置于所述边沿加速电路与所述互补输出驱动电路之间的交越失真消除电路；其中，
所述交越失真消除电路由一只电阻、一只二极管、一只二极管、一只电阻顺序串联而成；其中，中间的二只二极管正向串联，且中间串接点与所述边沿加速电路的输出端相连，前一只二极管的正极与前一只电阻的串接点连接所述互补输出驱动电路中对应的一只三级管的基极，后一只二极管的负极与后一只电阻的串接点连接所述互补输出驱动电路中对应的另一只三级管的基极；所述交越失真消除电路用于消除脉冲宽度调制信号的交越失真现象。
其中，所述开关晶体管驱动电路还包括设置于所述边沿控制电路与所述互补输出驱动电路之间的放电电路；其中，
所述放电电路由一只电阻和一只二极管反向串联构成的支路与由另一只电阻构成的支路并联而成，可让所述开关晶体管的栅—源极间电容快速放电，减小关断时间和关断损耗，防止电流过大造成电路损坏。
其中，所述负载网络采用三级形式的电阻—2倍电阻(R-2R)的匹配网络；这样的电阻匹配网络，无论负载电阻的阻值如何变化，负载总阻值都能近似于传输线阻抗，可以避免传输线的脉冲信号多次反射，输出脉冲较为理想。
其中，所述输入输出控制电路包括单片机及其分别连接的模/数(A/D)转换器、液晶显示器(LCD)和输入键盘；其中，
所述A/D转换器与所述负载网络相连，用于将所述基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路输出的脉冲信号进行A/D转换；
所述LCD，用于显示所述单片机输出的脉冲波形及其对应的电压幅度、宽度、上升沿和下降沿时间；
所述输入键盘，用于设置所述基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器输出的脉冲信号的幅度、宽度、上升沿和下降沿时间的范围；
所述单片机，用于对所述基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路输出的脉冲信号进行控制、处理。
其中，所述单片机采用AT89C51型CPU芯片；所述模/数转换器采用ADC0808型8位模/数转换器芯片；所述液晶显示器为LCD 12864型液晶显示器。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明直流稳压电源能够产生可调稳压直流电，输出电压稳定、纹波干扰较小，保障本发明输出纳秒(ns)级的陡边沿脉冲信号；
2、本发明的ns级陡边沿脉冲信号产生电路基于传输线反射原理，在波形不失真的前提下产生ns级别的可调边沿脉冲，不仅增加了驱动信号的驱动能力和速度，还在输出端采用三级R-2R负载网络，减小了负载对脉冲信号的影响，使得电路简单易实现，波形较稳定。因此，本发明克服了现有技术存在的缺陷，具有电路结构简单，受外界环境变化而造成干扰较小，波形稳定等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器的电路结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器中直流稳压电源的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器中直流稳压电源的应用场景电路图；
图4为本发明实施例提供的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器中脉冲信号产生电路内部传输线的微元等效电路图；
图5为本发明实施例提供的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器中开关晶体管驱动电路的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器中基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路的应用场景电路图；
图7为本发明实施例提供的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器中输入输出电路的应用场景电路图；
图8为本发明实施例提供的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器输出的脉冲宽度调制的仿真结果图；
图9为本发明实施例提供的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器输出的脉冲边沿调制的仿真结果图，其中驱动电压4V保持不变，改变驱动源的上升、下降时间。
图10为本发明实施例提供的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器输出的脉冲边沿调制的仿真结果图，其中驱动源上升、下降时间保持不变，改变驱动源电平；
图11为本发明实施例提供的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器中基于传输线原理形成的脉冲信号产生电路的脉冲幅度仿真结果图，其中脉冲宽度、上升及下降时间保持不变，改变脉冲幅度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
发明人发现，根据传输线反射原理，理想传输线的两个主要特征就是时延和阻抗。在信号传输过程中，如果阻抗突然变化，信号则会产生反射。反射波电压取决于入射波电压的大小与传输线的阻抗特性。所以，利用传输线反射原理制成的脉冲发生器的电路简单，波形稳定。据此，发明人研制了一种基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器。
如附图1所示，为本发明实施例中，发明人提出的一种基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，包括直流稳压电源1及其分别连接的基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路2和输入输出控制电路3；其中，
直流稳压电源1与外部交流电源(未图示)相连，用于对交流电进行变压、整流、滤波及稳压处理后，输出稳压直流电；
基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路2包括开关晶体管22及其通过栅极G连接的开关晶体管驱动电路23，通过漏极D连接的传输线21以及通过源极S连接的负载网络24；传输线21还与直流稳压电源1相连；其中，基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路2，用于在负载网络24与传输线21之间阻抗相匹配时，通过开关晶体管驱动电路23控制开关晶体管22闭合及关断，以产生ns级别波形稳定且边沿可调的脉冲信号；
输入输出电路3与负载网络24相连，用于显示基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路2输出的脉冲幅度、宽度、上升沿及下降沿时间。
在本发明实施例中，如附图2所示，直流稳压电源1包括依序连接的变压器11、整流电路12、滤波电路13和稳压电路14；其中，变压器11，用于对220V交流电进行变压，形成低压交流电；整流电路12，用于对低压交流电进行整流；滤波电路13，用于对整流后的直流电进行滤波处理；稳压电路14，用于对滤波后的直流电进行稳压，形成电压稳定的直流电。
其中，直流稳压电源1还包括设置于变压器11初级线圈之外且与变压器初级线圈相串接的单刀双掷开关K和熔断器FUSE；其中，单刀双掷开关K，用于控制交流电进入或截止变压器11的初级线圈；熔断器FUSE，用于当电路发生故障或异常时，电流升高超过规定值进行熔断，以截断交流电进入变压器11的初级线圈。
在实施例中，直流稳压电源1的作用是为后面的基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路2、输入输出控制电路3中各个芯片或逻辑单元提供稳定的直流稳定电压，保障它们能够正常工作。如附图3所示，直流稳压电源1采用了三个三端集成稳压电源芯片，分别是W7805、W7812和LM317，能够输出稳定的+5V、+12V直流电压以及5V—30V可调电压。
插座BL外接电压220V、频率50Hz的工频交流电，另一端接一个单刀双掷开关K和熔断器FUSE。熔断器的作用是当电路发生故障或异常时，电流会不断升高，当超过规定值时，熔断器自身产生的热量会将熔体熔断以此来保护后续电路，防止引起火灾。单刀双掷开关可由人为控制，同时也保护电路。
此时，整流电路和二极管的选择要求如下：220V交流电压经初级、次级线圈匝数比约为9.2的变压器降压后，得到有效值为24V交流电。变压器次级线圈侧交流电压通过单相桥式整流电路后，将正弦波电压转换为半波脉动直流电压。根据整流电路的相关知识，脉动电压大约为
Figure BDA0003182770040000081
倍的变压器次级线圈。输出电压的平均值计算公式如下：
Figure BDA0003182770040000082
得到：
Figure BDA0003182770040000083
上式中U2为变压器次级线圈电压有效值。在桥式整流电路中，每只二极管只导通半个周期，因此平均电流只有负载上的一半，平均电流计算公式如下：
Figure BDA0003182770040000084
二极管承受的最大反向电压为变压器次级线圈交流电压的峰值：
Figure BDA0003182770040000085
电网电压由于电涌会产生电压波动，因此在选择二极管时应保留一定的裕量，一般为额定值的1.1倍。最大整流器电流IF和最大反向工作电压URM应为：
Figure BDA0003182770040000086
Figure BDA0003182770040000087
此时，滤波电路的选择要求如下：电源电路中C1为电解电容，有极性且容量较大，用于滤除频率较低的信号。由于电解电容容量较大，其分布电感较大，因此在C1旁边并联一个小电容，用于滤除高频杂波。电阻R1既是限流电阻又为电容放电提供通路。充电的回路电阻为整流管导通内阻较小，放电的回路电阻为R1较大，由于时间常数和充放电速度成反比关系，因此充电快放电慢，滤波电路的输出电压波形近似为锯齿波。滤波电路的滤波效果由放电时间常数决定[19]，若电容越大、负载电阻越大，则放电越慢、输出电压就越平滑。电容器滤波电路输出电压平均值计算公式如下：
Figure BDA0003182770040000091
上式中T表示电网电压的周期，按50Hz的倒数计算为0.02s。为了获得较好的滤波效果，在实际电路中应该选择滤波电容的大小满足下式：
Figure BDA0003182770040000092
由于电网电压波动，电容的耐压应保留至少一定的裕量，一般为额定值的1.1倍。采用电解电容，电容的耐压值应满足下式：
Figure BDA0003182770040000093
在选择滤波电路时应综合考虑电路的整体性能，除了电容滤波以外，还可选用LC滤波、电感滤波、LCπ型滤波等。
此时，稳压电路的选择要求如下：LM317型可调式三端稳压器IC1，它有三个引脚，分别为输入端、输出端和电压调整端。在本实施例中R2、R3为外接采样电阻，调整端接在它们的连接点上。W1为可调电位器，用于调节输出电压,当W1最大时输出电压为30V。由于调整端电流非常小，约为50μA，所以输出电压为：
Figure BDA0003182770040000094
其中，参考电压UREF的典型值为1.25V。
在附图3中，7805型集成稳压芯片IC2和7812型集成稳压芯片IC3分别用于输出为+5V和+12V的稳压直流电压，需注意IC2的输入端电压应该至少大于输出端电压。附图3中的C3，C8和C10是稳压器的输入电容，用于抵消输入线较长时的电感效应并防止电路自激振荡，并且其容量通常很小。C4、C7、C9为稳压器通过稳压后的缓冲滤波电容，容量较大一般为电解电容，用于滤除高频噪声干扰，以便输出较大的脉冲电流。C5、C6为电源到地之间的去耦电容以减少布线阻抗对滤波的不利影响。二极管D2、D3、D4、D5是为了当输出端电容漏电或调整端短路时起保护芯片IC1、IC2、IC3的作用。
在本发明实施例中，传输线是一种用于传输电能的线路安装结构设备，是电信系统的重要组成部分。它用于沿着指定的路径将包含信息的电磁波从一个点传输到另一个点。在信号频率较低时，一段普通的导线就可以将电路连接在一起，我们会将一个电路等效成电容、电阻、电感进行分析，也就是集总参数电路。由于信号的波长远远大于电路的尺寸，因此对于集总参数电路，可以忽略器件尺寸的大小。然而在信号频率较高时，信号的波长与器件尺寸可以相比拟，此时的电路称为分布参数电路。在高频电路中，一个小小的过孔、探头、连接器就会引起脉冲信号的反射，对信号传输产生很大的影响。
理想传输线的两个主要特征是时间延迟和阻抗。如果源端的阻抗与负载端的阻抗不匹配，则会发生反射，这对信号质量有很大影响。我们看到的许多现象，例如振铃，反向传播和花生眼，都是由链路中信号的多次反射引起的。常见的传输线有双绞线、微带线、同轴线、带状线等。
如图4所示，当高频信号通过传输线时，将产生分布参数效应。当电流流过传输线时，由于传输损耗，它将产生分布电阻(R表示单位长度分布电阻)；由于导线布线和元器件的分布而存在的电感叫分布电感(L表示单位长度分布电感)；由于导线间绝缘不完善，而存在漏电流，就会存在分布电导(G表示单位长度分布电导)；由于任何2个通电导体之间都有电压差，因此还要考虑分布电容(C表示单位长度分布电容)。在理想传输线中，分布参数都是均匀分布的，既任意一点分布参数都是相同的。
由基尔霍夫电压定律(KVL)可得
V(z)-I(z)(R+jwL)Δz＝V(z+Δz)
将上式转换为微分方程形式
Figure BDA0003182770040000111
再由基尔霍夫电流定律(KCL)可得
I(z)-V(z+Δz)(G+jwC)Δz＝I(z+Δz)
将上式转为微分方程形式
Figure BDA0003182770040000112
于是可得传输线方程为
Figure BDA0003182770040000113
将上式对空间z求导，并代入得传输线方程对空间求导可得到传输线波动方程
Figure BDA0003182770040000114
其中系数γ是已知的复传播系数，α为衰减常数，β为相位常数
Figure BDA0003182770040000115
上式通解为
Figure BDA0003182770040000116
定义特性阻抗Z0
Figure BDA0003182770040000117
ρL和ρs分别为传输线终端反射系数和始端反射系数，ρL表示信号由传输线向负载传播时反射电压与入射电压的比值，ρs表示信号由传输线返回至源阻抗时反射电压与入射电压的比值。根据传输线反射系数[24]的相关知识可知
Figure BDA0003182770040000121
因此当负载开路时即ZL＝∞，ρL＝1，当负载短路时即ZL＝0，ρL＝-1。
综上，可以利用传输线反射原理，对基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路2进行设计且为最关键的部分，如附图5所示，它主要由传输线21、开关晶体管22(如高速MOSFET开关)、开关晶体管驱动电路23(如MOSFET驱动电路)和负载网络24(该负载网络24采用三级R—2R匹配网络)组成，其中开关晶体管驱动电路23又可分为依序连接的PWM信号产生电路231、边沿加速电路232、互补输出驱动电路233和边沿控制电路234。
如附图6所示，PWM信号产生电路231由一只NE555型定时器芯片IC4及其外围的电容C12和可变电阻R5、R6形成多谐振荡器，输出PWM信号波形。边沿加速电路232由相并联的电容C14和电阻R7形成，在PWM脉冲前沿产生正向尖脉冲时可使MOSFET快速导通，在脉冲后沿产生负向尖脉冲时使MOSFET快速关断。交越失真消除电路233用于消除PWM信号的交越失真，包括串接在一起的两个电阻R8、R9和两个二极管D6、D7；其中，D6、D7正向串接在一起，且二者间的串接点与边沿加速电路相连，且其中一个二极管的正极与一个电阻的串接点连接所述互补输出驱动电路中对应的一个三级管的基极，另一个二极管的负极与一个电阻的串接点连接所述互补输出驱动电路中对应的另一个三级管的基极。互补输出驱动电路234由发射极连在一起并组成射极跟随器的两个8050型三极管TR2、TR3组成，TR2、TR3交替推挽工作控制正向尖脉冲的PWM信号通过。放电电路235由电阻R10和二极管D8反向串接构成的支路与由另一电阻R11构成的支路并联而成。边沿控制电路236与开关晶体管22的栅极(G)相连，其为可调电阻R12，通过改变电阻值来调控PWM信号的边沿时间。
在实施例中，如附图6所示，传输线21(如TL1)的终端开路，电源Vcc的电压为LM317型集成稳压芯片IC1输出的5V—30V可调稳定直流电压。起初，开关晶体管22(如TR1)关断，Vcc通过内阻R4＝500kΩ给传输线21(如TL1)充电至电压Vcc，当开关晶体管22(如TR1)闭合时，由于负载网络24的阻抗和传输线21(如TL1)的阻抗都为50Ω，二者匹配，负载网络24上立刻获得电压0.5Vcc，即负载网络24上电压产生一个正跃变，由0变为0.5Vcc，传输线21始端电压产生一个负跃变，由Vcc变为0.5Vcc，这个始端信号传输至终端时，由于传输线21终端开路，可知终端反射系数为-1，因此经过终端反射之后与原来的线上电压叠加变为0V，接着信号又从终端反射传向始端，由于电源Vcc内阻500kΩ可视为开路，此时负载网络24上的电压也变为0V，脉冲输出至此结束。
在附图6中，PWM信号产生电路231使用定时器芯片IC4及其外围电路构成一个多谐振荡器，作为开关晶体管22(如TR1)栅极的驱动信号。将IC4的2端口和6端口连接在一起，然后3端口输出VO通过RC积分电路重新连接到输入，从而形成多谐振荡器。
在附图6中，边沿加速电路232由电阻R7和电容C14构成，利用电容两端电压不能突变的特性，让输入瞬间的变化量直接引入到驱动电路，在脉冲前沿产生正向尖脉冲时可使开关晶体管22(如TR1)快速导通，在脉冲后沿产生负向尖脉冲时使开关晶体管22(如TR1)快速关断。
在附图6中，交越失真消除电路233由电阻R8、R9和二极管D6、D7构成，它的输入端连接边沿加速电路232的输出端，它的输出端连接互补输出驱动电路234的输入端。
在附图6中，互补输出驱动电路234由三极管TR2、TR3构成，TR2为NPN型，TR3为PNP型且参数相同，电特性对称。静态时TR2、TR3的基极之间电压为VD6+VD7，都可以处于临界或微导通状态。将两个三极管的发射极连在一起，组成射极跟随器。当输入信号为高电平时，上管导通、下管截止；输入信号为低电平时，下管导通、上管截止，如此TR2、TR3可以交替工作。这种结构可以提升电流的驱动能力，迅速完成开关晶体管22(如TR1)极间电容的充放电。
在附图6中，放电电路235由电阻R10和二极管D8反向串接构成的支路与由另一电阻R11构成的支路并联而成，可让开关晶体管22(如TR1)的栅—源极间电容快速放电。栅极关断时，电流在电阻R11上产生的压降大于二极管D8上的压降时，二极管D8便会导通，从而将电阻R11旁路，导通后电流逐渐减小，二极管的作用也随之减小。其中，D8为快恢复二极管，可以减小关断时间，同时也能减少关断损耗。R10为限流电阻，防止电流过大损坏器件。
在附图6中，边沿控制电路236由可调电阻R12构成，因为脉冲上升沿和下降沿时间与输入的栅极电阻成正比，因此调节R12可以控制脉冲边沿时间。
同时，负载网络24采用三级形式的电阻—2倍电阻(R—2R)匹配网络，它的优点是无论负载电阻RL的阻值如何变化，负载总阻值都近似于传输线阻抗50Ω，这样可以避免传输线上的脉冲信号发生多次反射，从而得到较为理想的脉冲波形。由串并联等效电阻计算公式，可得网络匹配级数与网络匹配电阻的关系。其中，R—2R网络匹配级数与匹配电阻的关系如下表1所示。
表1
Figure BDA0003182770040000141
综上，选择IRF510这一款具有较快上升时间和关断时间的MOSFET。该电路的优点是包含互补输出驱动结构和边沿加速电路，增加了驱动信号的驱动能力和速度。同时在输出端采用三级R-2R负载网络，减小了负载对脉冲信号的影响。在负载分别为无穷和0Ω时产生的脉冲幅度差约为0.5V，总误差约为3.3％。
在本发明实施例中，如附图7所示，输入输出控制电路3包括单片机31及其分别连接的A/D转换器32、LCD显示屏33和输入键盘34；其中，
A/D转换器31与负载网络24相连，用于将基于传输线原理形成的脉冲信号产生电路2输出的脉冲信号进行模数转换；
LCD显示屏33，用于显示单片机31输出的脉冲波形及其对应的电压幅度、宽度、上升沿和下降沿时间；
输入键盘34，用于对基于传输线原理形成的脉冲信号产生电路2输出的脉冲信号的电压幅度、宽度、上升沿和下降沿时间进行调节；
单片机31，用于对基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路2输出的脉冲信号进行处理，并驱动液晶显示器33，显示脉冲波形的幅度、宽度、上升沿和下降沿时间。
在实施例中，单片机31采用AT89C51型CPU芯片；所述模/数转换器32采用ADC0808型8位A/D转换器芯片；所述液晶显示器33为LCD12864型LCD。
如附图7所示，为输入输出电路的应用场景图。为了能够在LCD上显示脉冲幅度、宽度、边沿上升及下降时间，产生的脉冲信号还必须经过输入输出电路。该电路以AT89C51型单片机IC5芯片为CPU核心模块，通过在Keil uVision5软件中编写相应的程序代码实现信号采样保持、A/D转换以及显示脉冲幅度、宽度、边沿上升及下降时间等，直观地反映本发明的效果。
单片机IC5是一款功能强大的8位AT89C51型CPU芯片，该单片机内部含有4K字节的程序存储器，128字节的数据存储器，32个输入输出I/O口，2个16位定时/计数器，2个外部中断以及一个串行通信口。IC5单片机外接12MHz的石英晶振，周期为1us。它的EA端口为芯片外接程序存储器访问允许信号，连接直流稳压电源的Vcc＝+5V。
RT12864型液晶显示器芯片IC6为128*64点阵LCD，能够显示汉字、英文字符和图形。该型号的LCD成本低，被广泛应用于各类仪器、小型设备的显示。它的DB0至DB7为三态数据口，与单片机IC5的P1口相连。它的R/W表示读写选择信号端口，高电平读信号有效，低电平写信号有效，E表示使能信号端口，R/S为数据指令选择信号端口，高电平时选择数据信号，低电平时选择指令信号，CS1和CS2为片选信号端口，低电平有效，当CS1为低电平时显示左半屏，CS2为低电平时显示右半屏，都为低电平则同时显示。Vcc接+5V稳压直流电源。每次进行读写数据之前都要检测忙标志位BF，只有当BF为低电平时，单片机才能控制LCD显示，当RS＝0、R/W＝1、E＝1时，BF输出到DB7。可根据IC6写数据和写指令的时序图，编写读状态、写数据和写命令函数。
输入键盘连接到单片机IC5准双向I/O口P1与P2的高四位，可由用户自定义输入或者修改，由单片机IC5控制基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路输出脉冲的幅度、宽度、上升沿时间、下降沿时间等参数，并驱动LCD进行显示。
A/D转换器IC7是ADC0808型8位逐次逼近型芯片，由模拟开关、地址锁存器、译码器、比较器、定时器、逐次逼近寄存器和三态输出缓冲器构成。IC7芯片的IN0～IN7端口为8路模拟输入端，其中IN0接脉冲信号产生电路的输出端；OUT1～OUT8为8位数字量输出端，接到单片机的P01～P08端口；ALE端口连接地址锁存允许信号，用于实现地址和数据的隔离；START端口为启动转换信号，信号上升沿表示复位，下降沿表示启动转换；ALE、START端口连接单片机的P3.4端口；EOC为转换结束信号端口连接单片机的P3.5端口，A/D转换结束时输出高电平，其余时间为低电平；OE为数据输出允许信号端口连接单片机的P3.6端口，只有当OE为高电平时才能打开三态门输出8位数字量；ADDA、ADDB、ADDC为3位地址输入端口，用于选择8路模拟输入中的一路。在本发明中只要输入一路模拟信号，因此这3个端口都接地，表示选择通道IN0有效。
如说明书附图8所示，改变传输线TL1的长度即可控制脉冲宽度Tw，选取0.1m～1.5m的15根传输线，即E在120～1800范围内。分别设置TL1的E为120、360、1200、1800，保持F＝1GHz不变，仿真结果如说明书附图8。分析可知，脉冲宽度Tw与传输线L1电气长度E成正比(电气长度E表示在介质中传播的电磁信号波长的倍数)，因此改变传输线L1的物理长度即可改变脉冲宽度。
如说明书附图9所示，在电磁仿真软件ADS中建立仿真电路，设置驱动源VtPulse的上升时间Rise和下降时间Fall分别为1ns、1.5ns、2ns、2.5ns，保持驱动电压4V不变，仿真结果如说明书附图9所示，脉冲上升沿Tr由光标m3减去m2的时间获得，下降沿Tf由m5减去m4的时间获得。分析可知，脉冲信号边沿时间与驱动信号的边沿时间成正相关，即驱动源的边沿时间越小，脉冲信号的边沿时间越小。
如说明书附图10所示，控制驱动源上升时间Rise和下降时间Fall为2.5ns不变，设置驱动源高电平Vhigh分别为4V、12V、20V、30V，分别测量波形的上升和下降沿时间，仿真结果如说明书附图10所示。分析可知，与驱动信号的电压成负相关，即驱动源的电压越大，脉冲信号的边沿时间越小。在驱动电压为+4V情况下，实施例产生的脉冲信号边沿约在0.16ns～0.40ns范围。
本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明直流稳压电源能够产生可调稳压直流电，输出电压稳定、纹波干扰较小，保障本发明输出纳秒(ns)级的陡边沿脉冲信号；
2、本发明的ns级陡边沿脉冲信号产生电路基于传输线反射原理，在波形不失真的前提下产生ns级别的可调边沿脉冲，不仅增加了驱动信号的驱动能力和速度，还在输出端采用三级R-2R负载网络，减小了负载对脉冲信号的影响，使得电路简单易实现，波形较稳定。因此，本发明克服了现有技术存在的缺陷，具有电路结构简单，受外界环境变化而造成干扰较小，波形稳定等优点。
以上所展示的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，其特征在于，包括直流稳压电源及其分别连接的基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路和输入输出控制电路；其中，
所述直流稳压电源与外部交流电源相连，用于对交流电进行变压、整流、滤波及稳压处理后，输出稳压直流电；
所述基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路包括开关晶体管及其通过栅极连接的开关晶体管驱动电路，通过漏极连接的传输线以及通过源极连接的负载网络；所述传输线还与所述直流稳压电源相连；其中，所述基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路，用于在所述负载网络与所述传输线之间阻抗相匹配时，通过所述开关晶体管驱动电路控制所述开关晶体管闭合及关断，以产生纳秒级别波形稳定且边沿可调的脉冲信号；
所述输入输出电路与所述负载网络相连，显示所得脉冲信号的幅度、宽度、上升沿及下降沿时间。
2.如权利要求1所述的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，其特征在于，所述直流稳压电源包括依序连接的变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路；其中，
所述变压器，用于对交流电进行变压，形成低压交流电；
所述整流电路，用于对低压交流电进行整流；
所述滤波电路，用于对整流后的直流电进行滤波处理；
所述稳压电路，用于对滤波后的直流电进行稳压，形成稳定电压的直流电。
3.如权利要求2所述的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，其特征在于，所述直流稳压电源还包括设置于所述变压器初级线圈之外且与变压器初级线圈相串接的单刀双掷开关和熔断器；其中，
所述单刀双掷开关，用于控制交流电进入或截止所述变压器初级线圈；
所述熔断器，用于当电路发生故障或异常时，电流升高超过规定值进行熔断，以截断交流电进入所述变压器初级线圈。
4.如权利要求1所述的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，其特征在于，所述开关晶体管驱动电路包括依序连接的脉冲宽度调制信号产生电路、边沿加速电路、互补输出驱动电路和边沿控制电路；其中，
所述脉冲宽度调制信号产生电路由一只定时器芯片及其外围的一只电容、两个可变电阻组成多谐振荡器，用于产生脉冲宽度调制信号波形；
所述边沿加速电路由一电容和一电阻并联而成，用于利用电容两端电压不能突变的特性，调节脉冲宽度调制信号前沿形成正向尖脉冲；
所述互补输出驱动电路由发射极相连并组成射极跟随器形式的两个三极管组成，这两个三极管交替工作，控制含有正向尖脉冲的脉冲宽度调制信号通过；
所述边沿控制电路与所述开关晶体管的栅极相连，其为可调电阻，用于通过电阻可调来控制脉冲宽度调制信号的脉冲边沿时间。
5.如权利要求4所述的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，其特征在于，所述开关晶体管驱动电路还包括设置于所述边沿加速电路与所述互补输出驱动电路之间的交越失真消除电路；其中，
所述交越失真消除电路由一只电阻、一只二极管、一只二极管、一只电阻顺序串联而成；其中，中间的二只二极管正向串联，且中间串接点与所述边沿加速电路的输出端相连，前一只二极管的正极与前一只电阻的串接点连接所述互补输出驱动电路中对应的一只三级管的基极，后一只二极管的负极与后一只电阻的串接点连接所述互补输出驱动电路中对应的另一只三级管的基极；所述交越失真消除电路用于消除脉冲宽度调制信号的交越失真。
6.如权利要求5所述的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，其特征在于，所述开关晶体管驱动电路还包括设置于所述边沿控制电路与所述互补输出驱动电路之间的放电电路；其中，
所述放电电路由一只电阻和一只二极管反向串联构成的支路与由另一只电阻构成的支路并联而成，可让所述开关晶体管的栅—源极间电容快速放电，减小关断时间和关断损耗，防止电流过大造成电路损坏。
7.如权利要求1所述的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，其特征在于，所述负载网络采用三级形式的电阻—2倍电阻的匹配网络；其中，
所述负载网络采用三级形式的电阻—2倍电阻匹配网络，无论负载电阻的阻值如何变化，负载总阻值都能近似于传输线阻抗，可以避免传输线的脉冲信号多次反射，输出脉冲较为理想。
8.如权利要求1所述的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，其特征在于，所述输入输出控制电路包括单片机及其分别连接的模/数转换器、液晶显示器显示屏和输入键盘；其中，
所述模/数转换器与所述负载网络相连，用于将所述基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路输出的脉冲信号进行模/数转换；
所述液晶显示器，用于显示所述单片机输出的脉冲波形幅度、宽度、上升沿和下降沿时间；
所述输入键盘，用于设置所述基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器输出的脉冲信号的幅度、宽度、上升沿和下降沿时间的范围；
所述单片机，用于对所述基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路输出的脉冲信号进行控制、处理。
9.如权利要求8所述的基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，其特征在于，所述单片机采用AT89C51型CPU芯片；所述模/数转换器选用ADC0808型8位模/数转换器芯片；所述液晶显示器使用LCD12864型液晶显示器；所述定时器选取NE555型定时器芯片。
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