CN204886901U - 一种基于隧道二极管的窄脉冲发生电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于隧道二极管的窄脉冲发生电路。包括主电路和驱动电路，主电路主要由包含有微波三极管Q2的上路、包含有微波三极管Q1和微波三极管Q3的下路以及包含有微波三极管Q1的放大电路组成；上路和下路之间并联，上路和下路的输入端均与驱动电路连接，上路和下路的输出端均经放大电路输出窄脉冲信号，上路、下路和放大电路均与直流电源VCC连接。本实用新型结构简单，发射频率高，能实现发生纳秒级甚至皮秒级的窄脉冲信号，输出电压大且可靠性高，由于其成本低廉，更能广泛的得到应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子电路领域，特别是涉及了一种基于隧道二极管的窄脉冲发生电路，能实现发生ns(纳秒)级甚至ps(皮秒)级的窄脉冲信号。
背景技术
电窄脉冲被充分的应用在计算机、雷达、通信、自动控制等领域，例如基于时域反射技术的电缆测试，时域反射装置对被测电缆发出窄脉冲，脉冲通过电缆形变点时会产生回波，通过接收回波进行比较便能准确测量电缆的变形位置，仪器发出的脉冲越窄，幅度越大，在电缆中传播的距离越远，测量电缆变形具体位置的能力越强。在自动控制方面，例如将电信号转换成角位移或直线位移的微电机叫做脉冲电动机。每给它—个电脉冲信号，转子就旋转一个固定角度称为步距角。步距不受电压波动、负载大小和环境条件变化的影响，几乎没有惯性和积累误差。可广泛用于机床的程序控制和数字控制技术中。
当前常见的窄脉冲产生电路有Marx电路也有时序逻辑电路直接产生。Marx电路可由雪崩三极管和电容电阻等基本元件构成，利用三极管的雪崩效应，从而达到瞬间电压增大，电压跳变的效果，产生速度极快的电压脉冲。但是有触发时间间隔长、信号输出不稳定等缺点，很难用到实际生产之中。
时序逻辑电路直接发生窄脉冲，由于时序逻辑芯片输出电压幅度较低，且产生的窄脉冲上升沿一般为十纳秒级以上，往往达不到设备要求，此种方法在高精度要求仪器中很难得到应用。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型的主要目的在于提供了一种基于隧道二极管的窄脉冲发生电路，结构简单，发射频率高，能实现发生ns(纳秒)级甚至ps(皮秒)级的窄脉冲信号，输出电压大且可靠性高，由于其成本低廉，更能广泛的得到应用。
本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型包括主电路和驱动电路，主电路主要由包含有微波三极管Q2的上路、包含有微波三极管Q1和微波三极管Q3的下路以及包含有微波三极管Q1的放大电路组成；上路和下路之间并联，上路和下路的输入端均与驱动电路连接，上路和下路的输出端均经放大电路输出窄脉冲信号，上路、下路和放大电路均与直流电源VCC连接。
所述的上路包括微波三极管Q2、电阻R5和电阻R9，微波三极管Q2的集电极经电阻R5连接直流电源VCC，微波三极管Q2的发射级接地，微波三极管Q2的集电极经电阻R9连接下路；所述的下路中，包括微波三极管Q1、微波三极管Q3、电阻R1～电阻R4、电阻R6～电阻R8和肖特基二极管D1；微波三极管Q1集电极分别与电阻R1和电容C1的一端连接，电阻R1的另一端连接直流电源VCC，微波三极管Q1的发射级经电阻R2接地，电容C1的另一端经电阻R3接地，电容C1的另一端依次经肖特基二极管D1、电阻R4后连接到微波三极管Q3的基极；微波三极管Q3的基极和集电极之间串联有电阻R6，微波三极管Q3集电极接地，微波三极管Q3集电极分别与电阻R7和电阻R8的一端，电阻R7的另一端连接直流电源VCC，电阻R8的另一端与上路的电阻R9连接，电阻R8的另一端经隧道二极管D2接地；放大电路包括微波三极管Q4和电阻R10～电阻R12，微波三极管Q4基极经电容C2与下路中电阻R8的另一端连接，微波三极管Q4基极经电阻R11接地，微波三极管Q4基极与集电极之间串联有电阻R10，微波三极管Q4集电极经电阻R12接直流电源VCC，微波三极管Q4集电极经电容R12输出窄脉冲信号。
所述的驱动电路采用现场可编程门阵列FPGA(Field－ProgrammableGateArray,简称FPGA)。
所述的微波三极管Q1和微波三极管Q2均由驱动电路提供脉冲宽度调制信号进行驱动。
所述的现场可编程门阵列FPGA输出PWM信号的I/O口连接到微波三极管Q1和微波三极管Q2的基极。
所述窄脉冲信号的发生频率与现场可编程门阵列FPGA输出的PWM信号频率相同。
所述的微波三极管Q1、Q2和Q4为NPN型微波三极管，微波三极管Q3为PNP型微波三极管。
本实用新型采用上述技术方案，具有以下有益效果：
1、结构简单，主电路仅由隧道管与基本电子元器件组成，电路结构简单清晰，容易搭建。
2、使用灵活，通过现场可编程门阵列(FPGA)对脉冲宽度调制(PWM)信号频率控制，可产生可变频率的ps(皮秒)级窄脉冲。
3、本实用新型电路搭建成本低廉，电路结构效率高，有很好的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型电路的拓扑图。
图2是本实用新型中PWM信号上升沿时B点电势变化波形图。
图3是本实用新型中PWM信号下降沿时A点电势与B点电势变化波形图。
图4是本实用新型中C点电势与UO点电势波形图。
图中：t0、PWM信号电压开始上升的时刻，t1、PWM信号电压到达U0时刻，U0、开关三极管Q2的导通电压，t2、PWM信号电压开始下降的时刻，t3、PWM信号电压到达U1时刻，U1、开关三极管Q3(PNP三极管)的截止电压。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述：
如图1所示，本实用新型包括主电路和驱动电路，主电路主要由包含有微波三极管Q2的上路、包含有微波三极管Q1和微波三极管Q3的下路以及包含有微波三极管Q1的放大电路组成；上路和下路之间并联，上路和下路的输入端均与驱动电路连接，上路和下路的输出端均经放大电路输出窄脉冲信号，上路、下路和放大电路均与直流电源VCC连接。
主电路包括电阻R1～电阻R12、电容C1～电容C3、直流电源VCC、微波三极管Q1～Q4、肖特基二极管D1和隧道二极管D2。
上路包括微波三极管Q2、电阻R5和电阻R9，微波三极管Q2、电阻R5和直流电源VCC构成一开关电路，微波三极管Q2的集电极经电阻R5连接直流电源VCC，微波三极管Q2的发射级接地，微波三极管Q2的集电极经电阻R9连接下路，电阻R9接隧道二极管D2正极。
下路包括微波三极管Q1、微波三极管Q3、电阻R1～电阻R4、电阻R6～电阻R8和肖特基二极管D1。
微波三极管Q1、电阻R1、电阻R2和直流电源VCC构成一放大电路，微波三极管Q1集电极分别与电阻R1和电容C1的一端连接，电阻R1的另一端连接直流电源VCC，微波三极管Q1的发射级经电阻R2接地，电容C1的另一端经电阻R3接地，电容C1与电阻R3连接组成的微分电路，电容C1的另一端依次经肖特基二极管D1、电阻R4后连接到微波三极管Q3的基极，电容C1的另一端与肖特基二极管D1的正极连接。
微波三极管Q3、电阻R7和直流电源VCC组成一个开关电路，微波三极管Q3的基极和集电极之间串联有电阻R6，微波三极管Q3集电极接地，微波三极管Q3集电极分别与电阻R7和电阻R8的一端，电阻R7的另一端连接直流电源VCC，电阻R8的另一端与上路的电阻R9连接，电阻R8的另一端经隧道二极管D2接地，电阻R8的另一端接隧道二极管D2正极。
放大电路包括微波三极管Q4和电阻R10～电阻R12，微波三极管Q4基极经电容C2与下路中电阻R8的另一端连接，微波三极管Q4基极经电阻R11接地，电容C2与电阻R11并联组成微分电路，微波三极管Q4基极与集电极之间串联有电阻R10，微波三极管Q4集电极经电阻R12接直流电源VCC，电阻R10、电阻R11、电阻R12、微波三极管Q4和直流电源VCC组成一放大电路，微波三极管Q4集电极经电容R12输出窄脉冲信号。
驱动电路采用现场可编程门阵列FPGA(Field－ProgrammableGateArray,简称FPGA)。现场可编程门阵列FPGA输出PWM信号的I/O口连接到微波三极管Q1和微波三极管Q2的基极。窄脉冲信号的发生频率与现场可编程门阵列FPGA输出的PWM信号频率相同，可通过编程控制FPGA内部时钟的分频与倍增实现对输出PWM信号频率的控制，从而控制窄脉冲信号的发生频率。
微波三极管Q1和微波三极管Q2均由驱动电路提供脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,简称PWM)信号进行驱动。本实用新型的微波三极管Q1、Q2和Q4采用NPN型微波三极管，微波三极管Q3采用PNP型微波三极管。
本实用新型的具体实施工作过程如下：
接通电源前，首先选取电阻R5、R8、R9使隧道二极管D2处于静态工作点；选取电阻R1、R2，使电路中微波三极管Q1的工作状态处于放大状态；选取电阻R5、R9，使微波三极管Q2的工作状态处于截止状态(三极管断开)；选取电阻R7、R8，使微波三极管Q3(PNP三极管)的工作状态处于饱和状态(三极管导通)；选取电阻R10、R12，使微波三极管Q4的工作状态处于放大状态。以上电阻R5、R8、R9需同时满足隧道二极管，微波三极管Q2、Q3在上述提到的要求。
设置初始状态完毕后，接通电源，驱动电路FPGA芯片产生占空比为50％的PWM信号(方波信号)，由I/O口输出。在驱动电路提供PWM信号进行驱动的情况下，在一个信号周期中，电路有两种具体工作状态，工作状态描述如下：
第一种状态：PWM信号处于上升沿，当PWM信号电压开始上升时，将此时PWM波电压上升过程放大，如图2所示，t0为PWM信号电压开始上升的时刻，该上升中的电压作用于三极管Q2，t1时刻作用于微波三极管Q2的电压到达U0，U0为开关三极管Q2的导通电压，则微波三极管Q2由断开状态变为导通，此时流经R9与隧道二极管D2的电流瞬间大幅降低，电流变得十分微小，B点电压被瞬间拉低，实现了对隧道二极管D2正极电压的清零。而此时PWM信号上升沿对由微波三极管Q1、Q3等元件组成的下路状态不会造成影响，保证了隧道二极管D2的清零。
第二种工作状态：PWM信号处于下降沿，当PWM信号电压开始下降时，将此时PWM信号电压下降过程放大，如图3所示，t2为PWM信号电压开始下降的时刻，该下降中的电压经过微波三极管Q1放大，再经过C1与R3组成的微分倒向电路，变为陡峭高幅值的上升沿，经由肖特基二极管D1的整形(如图3中A点电势)，再作用于Q3(PNP三极管)，t3时刻作用于三极管Q3的电压到达U1，U1为开关三极管Q3(PNP三极管)的截止电压，Q3由原来的导通状态瞬间断开，此时通过R8与隧道二极管D2的电流瞬间大幅增大，D2由于自身的跳变特性(当流经电流达到某一特定值时，电压发生极快速度的瞬间跳变)，电压发生瞬间跳变，产生一个ns级甚至ps级别上升沿的阶跃信号(如图3中B点电势)，该阶跃信号经过C2与R11组成的微分电路斩波后变为一个极快的脉冲，但次脉冲电压幅度很小(如图4中C点电势)，通过微波三极管Q4放大，经电容C3输出一个宽度极窄幅值较大的脉冲(如图4中Uo点电势)。而此时PWM波下降沿对由Q2等元件组成的上路不会造成影响，保证了隧道二极管D2电压的阶跃跳变。
第二个状态结束后，PWM信号有半个周期无信号输出，此为两个窄脉冲间隔，然后新的PWM信号周期循环重复从上述的第一种状态开始。
经历一个周期PWM信号，输出一个窄脉冲，隧道二极管D2(B点电势)处于高电压状态，待到下一个周期PWM波的上升沿，隧道二极管D2的电压(B点电势)再次被清零，重复以上过程，不断发出窄脉冲，通过控制FPGA产生PWM信号的频率，就能控制该窄脉冲发生的频率，由此便可产生可变频率的窄脉冲。
综上所述，本实用新型仅采用电阻、电容、二极管、三极管等基本电子元件配合，通过驱动信号控制隧道二极管的跳变，实现了ps(皮秒)级脉宽的窄脉冲发生。
上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于隧道二极管的窄脉冲发生电路，其特征在于：包括主电路和驱动电路，主电路主要由包含有微波三极管Q2的上路、包含有微波三极管Q1和微波三极管Q3的下路以及包含有微波三极管Q1的放大电路组成；上路和下路之间并联，上路和下路的输入端均与驱动电路连接，上路和下路的输出端均经放大电路输出窄脉冲信号，上路、下路和放大电路均与直流电源VCC连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于隧道二极管的窄脉冲发生电路，其特征在于：所述的上路包括微波三极管Q2、电阻R5和电阻R9，微波三极管Q2的集电极经电阻R5连接直流电源VCC，微波三极管Q2的发射级接地，微波三极管Q2的集电极经电阻R9连接下路；
所述的下路中，包括微波三极管Q1、微波三极管Q3、电阻R1～电阻R4、电阻R6～电阻R8和肖特基二极管D1；微波三极管Q1集电极分别与电阻R1和电容C1的一端连接，电阻R1的另一端连接直流电源VCC，微波三极管Q1的发射级经电阻R2接地，电容C1的另一端经电阻R3接地，电容C1的另一端依次经肖特基二极管D1、电阻R4后连接到微波三极管Q3的基极；微波三极管Q3的基极和集电极之间串联有电阻R6，微波三极管Q3集电极接地，微波三极管Q3集电极分别与电阻R7和电阻R8的一端，电阻R7的另一端连接直流电源VCC，电阻R8的另一端与上路的电阻R9连接，电阻R8的另一端经隧道二极管D2接地；放大电路包括微波三极管Q4和电阻R10～电阻R12，微波三极管Q4基极经电容C2与下路中电阻R8的另一端连接，微波三极管Q4基极经电阻R11接地，微波三极管Q4基极与集电极之间串联有电阻R10，微波三极管Q4集电极经电阻R12接直流电源VCC，微波三极管Q4集电极经电容R12输出窄脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于隧道二极管的窄脉冲发生电路，其特征在于：所述的驱动电路采用现场可编程门阵列FPGA。
4.根据权利要求1所述的一种基于隧道二极管的窄脉冲发生电路，其特征在于：所述的微波三极管Q1和微波三极管Q2均由驱动电路提供脉冲宽度调制信号进行驱动。
5.根据权利要求3所述的一种基于隧道二极管的窄脉冲发生电路，其特征在于：所述的现场可编程门阵列FPGA输出PWM信号的I/O口连接到微波三极管Q1和微波三极管Q2的基极。
6.根据权利要求1所述的一种基于隧道二极管的窄脉冲发生电路，其特征在于：所述窄脉冲信号的发生频率与现场可编程门阵列FPGA输出的PWM信号频率相同。
7.根据权利要求1所述的一种基于隧道二极管的窄脉冲发生电路，其特征在于：所述的微波三极管Q1、Q2和Q4为NPN型微波三极管，微波三极管Q3为PNP型微波三极管。
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