CN204131494U - 红外单光子探测器输入信号电平接口装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种红外单光子探测器输入信号电平接口装置，包括电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路、数模转换电路、触发源选择及触发边沿切换电路；所述数模转换电路与电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路电连接，触发源选择及触发边沿切换电路也与电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路电连接；所述数模转换电路包括基准电压跟随电路和DA转换电路；所述基准电压跟随电路用于给DA转换电路供电。本实用新型利用1MΩ和50Ω输入阻抗下对信号设置不同的触发信号比较电压和不同的触发信号50欧电阻端接电压，能够实现对各类标准电平信号和自定义电平信号的兼容。

Description

红外单光子探测器输入信号电平接口装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于红外单光子探测器各种常见电平标准的输入信号和自定义电平的输入信号的电平接口电路以及输入信号阻抗匹配电路，尤其涉及一种红外单光子探测器输入信号电平接口装置。

背景技术

    单光子探测技术作为一项重要的微弱信号检测技术，在物理学、天文学、化学、生物学、医学等学科均有着十分广泛的应用。以单光子探测为基础发展起来的时间相关单光子计数技术，在荧光寿命和荧光光谱学，扩散光层析技术，激光扫描显微镜，时间分辨的单分子光谱学，遥感，激光测距，光时域反射仪,等众多领域已成为一项基本的检测技术。近些年，随着量子力学和信息科学的发展，人们发现，量子特性在信息领域中有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高探测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限，于是便诞生了一门新的学科分支－量子信息科学。它包括:量子密码、量子通信、量子计算和量子测量等。量子信息科学已经成为物理学和信息学界关注的焦点。在这门学科中，单光子探测技术起着非常重要的作用。

红外单光子探测器一般工作在内触发和外触发两种模式下，内触发是探测器内部高速逻辑模块配合高速晶体振荡器实现的，外触发模式下用户可任意选择TTL、ECL、LVDS、NIM等标准信号电平或者自定义的电平标准，所以红外单光子探测器必须具备可以让用户随意切换是选择内触发还是选择外触发，当选择外触发时必须具备适合各种高速标准电平信号和自定义电平信号的接口电路。另外在选择了不同的触发源后，还必须具备选择触发信号的上升沿还是下降沿作为触发，同时当触发信号为高速脉冲时，整个系统必须具备较高的开关速率、较低的传播延时和抑制共模信号的能力。现有技术中尚未发现能够实现上述技术效果的方案。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种红外单光子探测器输入信号电平接口装置，本红外单光子探测器输入信号电平接口装置利用1MΩ和50Ω输入阻抗下对信号设置不同的触发信号比较电压和不同的触发信号50欧电阻端接电压，能够实现对各类标准电平信号和自定义电平信号的兼容。

本实用新型采用的技术方案为：红外单光子探测器输入信号电平接口装置，包括电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路、数模转换电路、触发源选择及触发边沿切换电路；所述数模转换电路与电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路电连接，触发源选择及触发边沿切换电路也与电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路电连接；所述数模转换电路包括基准电压跟随电路和DA转换电路；所述基准电压跟随电路用于给DA转换电路供电。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路包括外触发信号输入端EXT_TRIG_IN、运算放大器U456、运算放大器U460A、高速电压比较器U452；

 所述触发信号50欧电阻端接电压输入端ExTrig_Vbase和触发信号比较电压输入端ExTrig_Vth分别先和2V5基准电压进行减法比例运算，然后再分别通过运算放大器U456、U460A进行同相放大，放大倍数为2倍；ExtTrig50Ohm_Sel是外触发信号输入阻抗选择，当选择为50Ω阻抗匹配时输出为高电平1，光耦高速电压比较器U455的3、4引脚导通，触发信号50欧电阻端接电压加在外触发信号上，根据R455和R453阻值比，使实际加在外触发信号上的电压为设定值的一半，当选择为1MΩ阻抗匹配时输出为低电平0，光耦高速电压比较器U455的3、4引脚截止，外触发信号直接通过阻值为1MΩ的电阻R454接地，以实现高阻阻抗匹配；

高速电压比较器U452的3、4引脚为外触发信号和触发信号比较电压输入端，当有外触发信号输入并选择为50Ω阻抗匹配时，通过选择合适的触发信号，根据50欧电阻端接电压和触发信号比较电压比较，当3脚电平大于4脚时，高速电压比较器U452的11脚输出为高电平，12脚为低电平，当3脚电平小于4脚时，输出则反之；

所述DA转换电路为DAC转换芯片U461，当用户选择为外触发输入时，通所述DAC转换芯片U461将三个数字输入端ExTrigDAC_SDIN、ExTrigDAC_SCLK、ExTrigDAC_SYNC的输入信号转换成对应的触发信号50欧电阻端接电压ExTrig_Vbase、触发信号比较电压ExTrig_Vth并且下发到对应的电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路中去，DAC转换芯片U461的14脚采用VREF_2V5基准电压端接，输出范围为0—2.5V；所述基准电压VREF_2V5通过运算放放大器U459B接成跟随电路来实现，以提高2.5V基准电压的带负载能力，以便在后续电路中始终保持恒定；

   所述触发源选择及触发边沿切换电路包括高速电压比较器U451、高速电压比较器U453、高速电压比较器U454；

高速电压比较器U454为2选1的多路复用器；高速电压比较器U454的2、3脚是外触发信号输入端，所述外触发信号输入端与高速电压比较器U452的差分输出端相连接，高速电压比较器U454的4脚为外触发信号边沿选择，当选择为上升沿触发时，4脚电平为低电平0，选择为下降沿时，4脚为高电平1；

所述高速电压比较器U451为将3.3V LVTTL电平转LVECL电平的差分转换器，高速电压比较器U451的2脚IntTrig_Clk为内触发信号输入端，高速电压比较器U451的7脚输出信号接到高速电压比较器U453的2脚，高速电压比较器U454的7脚输出信号接到高速电压比较器U453的3脚；高速电压比较器U453也是一个2选1的多路复用器，高速电压比较器U453的4脚即为触发信号源选择，当选择为内触发时，4脚为低电平0，选择为外触发时，4脚为高电平1，当选择好内触发/外触发和上升沿/下降沿之后，信号由高速电压比较器U453的6、7脚输出。

本实用新型一般工作在内触发和外触发两种模式下，内触发是探测器内部高速逻辑模块配合高速晶体振荡器实现的，外触发模式下用户可任意选择TTL、ECL、LVDS、NIM等标准信号电平或者自定义的电平标准，所以红外单光子探测器必须具备可以让用户随意切换是选择内触发还是选择外触发，当选择外触发时必须具备适合各种高速标准电平信号和自定义电平信号的接口电路。另外在选择了不同的触发源后，还必须具备选择触发信号的上升沿还是下降沿作为触发，同时当触发信号为高速脉冲时，整个系统必须具备较高的开关速率、较低的传播延时和抑制共模信号的能力。

    参见图1和图2，关于电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路，其作用是实现各类标准电平信号、自定义电平信号的接口电路和信号输入阻抗匹配电路。触发输入信号的特性由它的电平和阻抗决定，在红外单光子探测器中，针对各类标准信号电平特性，都设定了相应的触发信号比较电压和外触发输入阻抗，如果输入信号的电平值小于触发信号比较电压，那么信号将无法输出，如果输入信号阻抗和设定阻抗不匹配，那么出现信号反射情况，使得输入信号的电平值严重偏离实际值。常见的各类标准电平信号有TTL、PECL、LVPECL、NECL、CML、LVDS、NIM，在本实用新型中，已将这7类标准电平信号的电平值——或者称之为触发信号比较电压——和外触发信号输入阻抗选择设定好。当外触发信号选择50Ω阻抗匹配时，我对外触发信号还设定了触发信号50欧电阻端接电压，这样可以使得外触发输入信号可以很好的工作在电压比较器的工作区间内。对于自定义电平信号，同样将外触发信号输入阻抗选择、触发信号50欧电阻端接电压和触发信号比较电压三个选项开放出来，用户可以根据实际情况设定相应参数。

参见图3，为触发源选择电路和触发边沿切换电路：触发源分为内触发与外触发，触发源选择电路必须有两个输入通道和一个选择通道，而且当触发信号是高速信号时，电路必须有较高的工作频率，不能让触发输入信号有所失真，其次当高速信号通过电路时，必须保证信号在时序上和原始的时序几乎保持不变，那么两个电路就必须具备较低的传播延时，在电路供电方面，电路也必须兼容正负5V,正负3.3V两种不同的供电模式。同样对于触发信号，可以选择它的上升沿或者下降沿作为触发条件，所以还必须具备触发边沿切换功能。传统的TTL、CMOS电平信号因为输出摆幅大，传播速率低等缺点不适用于高频电路，PECL、NECL、LVECL等发射极耦合逻辑电平因为较低输出摆幅、较高的开关速度和较短的传播延时在很多高频场合被采用。在本实用新型中，采用了NECL电平，它的高电平为-0.8V、低电平为-1.7V信号摆幅只有0.9V，因为NECL电平具备较高的开关速度，所以当电路从一种状态切换到另一种状态的时候，对电路中的寄生电容充放电实际很短，保证了信号的完整性。

本红外单光子探测器输入信号电平接口装置的外触发信号是一个以直流偏置电压为中心，对称的驮载在该直流偏置电压上的脉冲信号，当直流偏置电压等于0时，如果外触发信号电平幅值过低则不足以触发后续电路，就需要对该信号设定一个合适直流偏置电压，让该信号驮载在设定的直流偏置电压上，这样我们就可以很好的触发后续电路，如果直流偏置电压值较大超过了输入电压范围会损坏器件，我们可以采用交流耦合的方式滤除较大的直流偏置电压，再对外触发输入信号设置合适的偏置电压让后续电路正常工作。所以该电路可以兼容幅值很小或者很大的触发信号。本红外单光子探测器输入信号电平接口装置可以对外触发输入信号进行交流或者直流耦合，当外触发信号为TTL、PECL、LVPECL、NECL、LVDS、CML、NIM这7中常见标准电平信号时，直接选择对应外触发信号类型，电路自动对这7类电平信号选择50Ω阻抗并设定合适的偏置电压和阈值电压。当外触发信号为自定义电平信号时，选择1MΩ或者50Ω输入阻抗，50Ω输入阻抗下对触发信号设置合适的偏置电压和阈值电压，1MΩ输入阻抗下对触发信号设置合适的阈值电压，能够实现对各类标准电平信号和自定义电平信号的兼容。总之，本红外单光子探测器输入信号电平接口装置可以让用户随意切换是选择内触发还是选择外触发，可以实时实现对触发边沿的切换功能，还能够实现对各类标准电平信号和自定义电平信号的兼容。 

附图说明

图1为本实用新型的电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路示意图。

图2为本实用新型的数模转换电路示意图。

图3为本实用新型的触发源选择及触发边沿切换电路。

图4为本实用新型的电路结构示意图。

图5为本实用新型的系统工作框图。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本红外单光子探测器输入信号电平接口装置，包括电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路、数模转换电路、触发源选择及触发边沿切换电路；所述数模转换电路与电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路电连接，触发源选择及触发边沿切换电路也与电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路电连接；所述数模转换电路包括基准电压跟随电路和DA转换电路；所述基准电压跟随电路用于给DA转换电路供电。

所述电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路包括外触发信号输入端EXT_TRIG_IN、运算放大器U456、运算放大器U460A、高速电压比较器U452； 所述触发信号50欧电阻端接电压输入端ExTrig_Vbase和触发信号比较电压输入端ExTrig_Vth分别先和2V5基准电压进行减法比例运算，然后再分别通过运算放大器U456、U460A进行同相放大，放大倍数为2倍；ExtTrig50Ohm_Sel是外触发信号输入阻抗选择，当选择为50Ω阻抗匹配时输出为高电平1，光耦高速电压比较器U455的3、4引脚导通，触发信号50欧电阻端接电压加在外触发信号上，根据R455和R453阻值比，使实际加在外触发信号上的电压为设定值的一半，当选择为1MΩ阻抗匹配时输出为低电平0，光耦高速电压比较器U455的3、4引脚截止，外触发信号直接通过阻值为1MΩ的电阻R454接地，以实现高阻阻抗匹配；高速电压比较器U452的3、4引脚为外触发信号和触发信号比较电压输入端，当有外触发信号输入并选择为50Ω阻抗匹配时，通过选择合适的触发信号，根据50欧电阻端接电压和触发信号比较电压比较，当3脚电平大于4脚时，高速电压比较器U452的11脚输出为高电平，12脚为低电平，当3脚电平小于4脚时，输出则反之；

所述DA转换电路为DAC转换芯片U461，当用户选择为外触发输入时，通所述DAC转换芯片U461将三个数字输入端ExTrigDAC_SDIN、ExTrigDAC_SCLK、ExTrigDAC_SYNC的输入信号转换成对应的触发信号50欧电阻端接电压ExTrig_Vbase、触发信号比较电压ExTrig_Vth并且下发到对应的电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路中去，DAC转换芯片U461的14脚采用VREF_2V5基准电压端接，输出范围为0—2.5V；所述基准电压VREF_2V5通过运算放放大器U459B接成跟随电路来实现，以提高2.5V基准电压的带负载能力，以便在后续电路中始终保持恒定；

   所述触发源选择及触发边沿切换电路包括高速电压比较器U451、高速电压比较器U453、高速电压比较器U454；高速电压比较器U454为2选1的多路复用器；高速电压比较器U454的2、3脚是外触发信号输入端，所述外触发信号输入端与高速电压比较器U452的差分输出端相连接，高速电压比较器U454的4脚为外触发信号边沿选择，当选择为上升沿触发时，4脚电平为低电平0，选择为下降沿时，4脚为高电平1；所述高速电压比较器U451为将3.3V LVTTL电平转LVECL电平的差分转换器，高速电压比较器U451的2脚IntTrig_Clk为内触发信号输入端，高速电压比较器U451的7脚输出信号接到高速电压比较器U453的2脚，高速电压比较器U454的7脚输出信号接到高速电压比较器U453的3脚；高速电压比较器U453也是一个2选1的多路复用器，高速电压比较器U453的4脚即为触发信号源选择，当选择为内触发时，4脚为低电平0，选择为外触发时，4脚为高电平1，当选择好内触发/外触发和上升沿/下降沿之后，信号由高速电压比较器U453的6、7脚输出。

图1中 EXT_TRIG_IN为外触发信号输入端；

      图1中ExTrig_Vbase为触发信号50欧电阻端接电压输入端、ExTrig_Vth为触发信号比较电压输入端，这两路信号分别先和2V5基准电压进行减法比例运算，然后再分别通过运算放大器U456、U460A进行同相放大，放大倍数为2倍，因为DA芯片U461的两路输出幅度为0-2.5V，所以经过减法比例运算和放大之后触发信号50欧电阻端接电压和触发信号比较电压输出幅度为-5V--+5V，电路的电路C469和C477可以很好的防止运算放大器出现自激震荡的情况。

图1中ExtTrig50Ohm_Sel是外触发信号输入阻抗选择，当选择为50Ω阻抗匹配时输出为高电平1，光耦芯片U455的3、4引脚导通，触发信号50欧电阻端接电压加在外触发信号上，根据R455和R453阻值比可知实际加在外触发信号上的电压为设定值的一半。当选择为1MΩ阻抗匹配时输出为低电平0，光耦芯片U455的3、4引脚截止，外触发信号直接通过阻值为1MΩ的电阻R454接地，实现高阻阻抗匹配。

图1中的芯片U452为高速电压比较器，具有较低的信号传输延时，芯片3、4引脚为外触发信号和触发信号比较电压输入端，当有外触发信号输入并选择为50Ω阻抗匹配时通过选择合适的触发信号50欧电阻端接电压和触发信号比较电压比较，当3脚电平大于4脚时，芯片U452的11脚输出为高电平，12脚为低电平，当3脚电平小于4脚时，输出则反之。

图2中的U461是DAC转换芯片，当用户选择为外触发输入时，通过图2 中的DAC转换芯片U461会将三个数字输入端ExTrigDAC_SDIN、ExTrigDAC_SCLK、ExTrigDAC_SYNC的输入信号转换成对应的触发信号50欧电阻端接电压（ExTrig_Vbase）、触发信号比较电压（ExTrig_Vth）值下发到对应的电路中去，该芯片14脚采用2V5基准电压端接，所以输出范围为0—2.5V。

   图2的基准电压VREF_2V5通过运算放放大器U459B接成跟随电路是提高2.5V基准电压的带负载能力，以便在后续电路中始终保持恒定。

图3中的芯片U454为2选1的多路复用器，芯片的2、3脚是外触发信号输入端即图1中芯片U452的差分输出端。芯片4脚为外触发信号边沿选择，当选择为上升沿触发时，4脚电平为低电平0，选择为下降沿时，4脚为高电平1。

图3中的芯片U451是3.3V LVTTL电平转LVECL电平差分转换器，它的2脚IntTrig_Clk为内触发信号输入端，它的7脚输出信号接到芯片U453的2脚，芯片U454的7脚输出信号接到芯片U453的3脚。芯片U453也是一个2选1的多路复用器，而且具有较高的响应速度，它的4脚即为触发信号源选择，当选择为内触发时，4脚为低电平0，选择为外触发时，4脚为高电平1。当选择好内触发/外触发和上升沿/下降沿之后，信号由芯片U453的6、7脚输出。

因为在前面提到为了提高信号传输速率，整个触发源选择电路和触发边沿切换电路中，对四个芯片U451、U452、U453、U454的输出通过电阻网络都进行了电平转换，将它们转换成NECL电平，并且是NECL差分输出，这样还大大增加了电路抗共模干扰的能力。

图5为本红外单光子探测器输入信号电平接口装置的工作框图，首先将2.5V基准电压通过运放跟随电路分别接到数模转换电路和偏置电压、阈值电压产生电路，当有外触发信号输入时通过数模转换电路选择对输入信号直流耦合或者交流耦合，选择好耦合方式后再通过数模转换电路设置1MΩ阻抗匹配或者50Ω阻抗匹配，当选择为1MΩ阻抗匹配时，根据外触发输入信号的幅值通过数模转换电路设定合适的阈值电压，当选择为50Ω阻抗匹配时，同样根据外触发输入信号的幅值通过数模转换电路设定合适的偏置电压和阈值电压，将设定好的外触发信号和阈值电压输入到高速电压比较器，经比较输出后接到外触发信号触发变压选择电路，选择上升沿触发或者下降沿触发，选择好触发边沿之后将信号送入触发源选择电路选择内触发或者外触发，最后将触发信号输出。

Claims (2)

1.一种红外单光子探测器输入信号电平接口装置，包括电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路、数模转换电路、触发源选择及触发边沿切换电路；所述数模转换电路与电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路电连接，触发源选择及触发边沿切换电路也与电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路电连接；所述数模转换电路包括基准电压跟随电路和DA转换电路；所述基准电压跟随电路用于给DA转换电路供电。

2.根据权利要求1所述的红外单光子探测器输入信号电平接口装置，其特征在于：电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路包括外触发信号输入端EXT_TRIG_IN、运算放大器U456、运算放大器U460A、高速电压比较器U452；

 所述触发信号50欧电阻端接电压输入端ExTrig_Vbase和触发信号比较电压输入端ExTrig_Vth分别先和2V5基准电压进行减法比例运算，然后再分别通过运算放大器U456、U460A进行同相放大，放大倍数为2倍；ExtTrig50Ohm_Sel是外触发信号输入阻抗选择，当选择为50Ω阻抗匹配时输出为高电平1，光耦高速电压比较器U455的3、4引脚导通，触发信号50欧电阻端接电压加在外触发信号上，根据R455和R453阻值比，使实际加在外触发信号上的电压为设定值的一半，当选择为1MΩ阻抗匹配时输出为低电平0，光耦高速电压比较器U455的3、4引脚截止，外触发信号直接通过阻值为1MΩ的电阻R454接地，以实现高阻阻抗匹配；

高速电压比较器U452的3、4引脚为外触发信号和触发信号比较电压输入端，当有外触发信号输入并选择为50Ω阻抗匹配时，通过选择合适的触发信号，根据50欧电阻端接电压和触发信号比较电压比较，当3脚电平大于4脚时，高速电压比较器U452的11脚输出为高电平，12脚为低电平，当3脚电平小于4脚时，输出则反之；

所述DA转换电路为DAC转换芯片U461，当用户选择为外触发输入时，通所述DAC转换芯片U461将三个数字输入端ExTrigDAC_SDIN、ExTrigDAC_SCLK、ExTrigDAC_SYNC的输入信号转换成对应的触发信号50欧电阻端接电压ExTrig_Vbase、触发信号比较电压ExTrig_Vth并且下发到对应的电平信号接口及信号输入阻抗匹配电路中去，DAC转换芯片U461的14脚采用VREF_2V5基准电压端接，输出范围为0—2.5V；所述基准电压VREF_2V5通过运算放放大器U459B接成跟随电路来实现，以提高2.5V基准电压的带负载能力，以便在后续电路中始终保持恒定；

   所述触发源选择及触发边沿切换电路包括高速电压比较器U451、高速电压比较器U453、高速电压比较器U454；

高速电压比较器U454为2选1的多路复用器；高速电压比较器U454的2、3脚是外触发信号输入端，所述外触发信号输入端与高速电压比较器U452的差分输出端相连接，高速电压比较器U454的4脚为外触发信号边沿选择，当选择为上升沿触发时，4脚电平为低电平0，选择为下降沿时，4脚为高电平1；

所述高速电压比较器U451为将3.3V LVTTL电平转LVECL电平的差分转换器，高速电压比较器U451的2脚IntTrig_Clk为内触发信号输入端，高速电压比较器U451的7脚输出信号接到高速电压比较器U453的2脚，高速电压比较器U454的7脚输出信号接到高速电压比较器U453的3脚；高速电压比较器U453也是一个2选1的多路复用器，高速电压比较器U453的4脚即为触发信号源选择，当选择为内触发时，4脚为低电平0，选择为外触发时，4脚为高电平1，当选择好内触发/外触发和上升沿/下降沿之后，信号由高速电压比较器U453的6、7脚输出。