CN205092835U - 一种纳秒级高速脉冲发生器 - Google Patents

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丁叶
寇含君
杨静
曾国强
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Abstract

本实用新型公开了一种纳秒级高速脉冲发生器，所述脉冲发生器包括比较器、脉冲信号相位差电路、正向输入比较器、反向输入比较器和电源；所述比较器与所述脉冲信号相位差电路相连；所述脉冲信号相位差电路包括RC延时电路和RC延时可调电路；所述RC延时电路与反向输入比较器相连；RC延时可调电路所述正向输入比较器相连。本实用新型提供的脉冲发生器脉冲速度极快、脉冲宽度可调、设计原理简单、制造成本低、电路稳定性好。

Description

一种纳秒级高速脉冲发生器
技术领域
本实用新型涉及脉冲信号发生器，尤其涉及一种纳秒级高速脉冲发生器。
背景技术
现脉冲信号发生器，一种可以用作现代电子仪器技术指标的标定和准确性评测工具，由于脉冲信号发生器能生成和制造出脉冲信号，所以它不但可以用作电子实验室里普通的脉冲信号源，还能用在一些电子仪器的技术标定和评估其精确性。脉冲信号发生器在军事领域、电子技术、工程设备、医用仪器等多领域主宰着极高的应用地位。
从脉冲信号被人类发现开始，人们就根据需要来研制不同脉冲幅度、不同上升沿时间、不同的脉冲宽度以及各式各样的脉冲波形，比如在实验室中需要脉冲信号对一些精密仪器的时间测量以及军事领域需要脉冲信号来对导弹制导，那么就对脉冲信号的频率要求非常高。尽管普通实验室里所用的脉冲信号发生器也可以产生脉冲信号，但只限于很简单的方波信号。随着科技的高速发展，精密仪器越来越多，人们对脉冲信号的脉冲宽度和上升时间的要求就越来越高。比如在地质勘查，地质工作者所需的探测雷达应该具备十分稳定的快速脉冲信号源；在一些精密仪器的反应时间测试时，需要脉冲信号具备可控制脉冲宽度和上升/下降沿。在生物医学、工业应用等其他领域同样对快速脉冲信号的要求也越来越严格。因此，目前脉冲发生器正朝着高频、快速且脉宽可控的方向发展。
发明内容
为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种纳秒级高速脉冲发生器，该脉冲信号发生器具有高频、快速且脉冲宽度可调，同时电路结构简单、成本低的特点。
本实用新型的目的通过以下的技术方案来实现：
一种纳秒级高速脉冲发生器，包括：比较器、脉冲信号相位差电路、正向输入比较器、反向输入比较器和电源；所述比较器与所述脉冲信号相位差电路相连；所述脉冲信号相位差电路包括RC延时电路和RC延时可调电路；所述RC延时电路与反向输入比较器相连；RC延时可调电路所述正向输入比较器相连。
与现有技术相比，本实用新型的一个或多个实施例可以具有如下优点：
1、脉冲速度极快，能够达到相当快的脉冲，上升沿和下降沿均可达到纳秒级别；
2、脉冲宽度可调，采用RC延时，通过调节电位器的阻值，改变延时时间，使得脉冲宽度可调，最小脉冲宽度可以低至2ns；
3、设计原理简单，值需要利用简单的RC延时原理，脉冲宽度等值均可计算；
4、制造成本低，只需要两款芯片及常见的电容电阻；
5、电路稳定性好，对影响信号完整性的各个因素，进行了相应的处理，如：电源滤波、电路板设计，使得电路输出信号稳定。
附图说明
图1是纳秒级高速脉冲发生器系统结构示意图；
图2是纳秒级高速脉冲发生器整体电路设计结构示意图；
图3是脉冲发生器初级整形电路结构示意图；
图4是脉冲信号相位差电路设计结构示意图；
图5是电源电路设计结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本实用新型实施方式作进一步详细的描述。
如图1所示，是纳秒级高速脉冲发生器系统结构，包括：比较器、脉冲信号相位差电路、正向输入比较器、反向输入比较器和电源；所述比较器与所述脉冲信号相位差电路相连；所述脉冲信号相位差电路包括RC延时电路和RC延时可调电路；所述RC延时电路与反向输入比较器相连；RC延时可调电路所述正向输入比较器相连。
上述快速脉冲发生器使用的是移位比较法，当输入一个脉冲，经过比较器对输入脉冲进行整形，输出两路快速上升脉冲，其中一路经过一个RC延时电路，另外一路经过一个RC延时可调电路，由于两路RC电路的延时不同，产生相位差。再将经过固定的RC延时电路整形后的脉冲反向输入到比较器，同理，经过可调延时RC电路整形后的脉冲正向输入到比较器。所述RC延时电路和RC可调延时电路分别连接与门逻辑电路，并最后经过与门逻辑电路，输出快速脉冲信号。
移位比较法是一个产生快速脉冲信号比较简单的方法，相较于其他的快速脉冲发生器，其电路简单，研制成本比较低，是一个很好的产生高速脉冲信号的方法。
本实施例使用的芯片是LT1721比较器和NC7SZ08输入与门，LT1721比较器是一种二通道和四通道的比较器，具有较快的反应速度和反转时间，最大传播延时为4ns，输出上升/下降的平均时间为2.5ns，具有限定值的内部迟滞。NC7SZ08是双通道输入单通道输出与门，超高速的传输速度(常温下平均输出延迟时间为2.7ns)、高输出驱动、高阻抗输入/输出以及专有噪声消减电路。
如图2所示，当脉冲信号输入到LT1721比较器U1A时，与正相端输入的2.5V电压进行比较。LT1721比较器对输入的脉冲进行整形，使脉冲具有陡峭的上升沿然后输出，此时经过LT1721整形过后的脉冲分为上下两路。下路脉冲信号经过680Ω电阻、5pF电容的构成的RC延时电路，反向输入到LT1721比较器U2B中。同理上路脉冲同时经过500Ω电阻、0-500Ω可调电位器以及15pF电容构成的延时可调RC电路，正向输入LT1721比较器U2A。将经过LT1721比较器U2A和U2B处理后的脉冲信号同时输入到NC7SZ08输入与门。此时，由于上路脉冲信号的延时和下路脉冲信号的反向输入到比较器，上、下两路脉冲已经具有相位差的正、反向脉冲。具有相位差的正、反向脉冲在NC7SZ08输入与门中进行相与逻辑，产生高速脉冲。
初级整形电路设计：
如图3所示，脉冲输入比较器U1B之前，先经过一个50Ω的电阻作为阻抗匹配。而比较电压VCC进入比较器之前，接一个0.1uF的电容进行滤波。脉冲信号进入比较器U1B以后，与2.5V的阈值比较电压进行整形然后输出。
脉冲信号相位差电路设计：
脉冲信号相位差电路设计是整个系统的核心部分，将两路脉冲信号通过RC延时电路对脉冲进行整形，使两路脉冲产生可调相位差。如图4所示。
脉冲信号从比较器U1B输出后分为两路脉冲信号。其中，下路脉冲先经过700Ω、5pF的RC延时电路对脉冲边沿进行整形，反向输入比较器U2A。
为了避免噪声，分别在脉冲输入、阈值比较电压以及电源电压输入比较器之前进行滤波。此时，下路脉冲信号经过RC延时电路对边沿整形的延迟时间为：
R*C＝700*5*10-12＝3.5*10-9(s)
同理，上路脉冲信号通过RC延时可调电路整形后正向输入比较器U2B。与下路RC延时电路不同，上路RC延时电路除了500Ω的定值电阻和15pF的电容外，还接一个0Ω到500Ω可调电阻，构成一个RC延时可调电路。那么此时上路脉冲经过RC延时可调电路对边沿整形后的延迟时间范围为：
当电位器取最小值：R*C＝500*15-12＝7.5-9(s)
当电位器取最大值：R*C＝(500+500)*15-12＝1.5-10(s)
两路脉冲信号通过RC延时电路对脉冲边沿整形，可以发现上路的脉冲信号边沿上升时间比下路脉冲信号边沿上升时间长。
脉冲信号经过RC延时电路后输入比较器U2A和比较器U2B，比较器分别对输入的脉冲信号整形后输出，使上路脉冲信号与下路脉冲信号反向，有一定的相位差，且该相位差大小可以通过RC延时电路进行调节。
高速脉冲信号发生器中对电源的要求非常高。为了获取干净的电源，本实时例在电源设计中设置有滤波电路，该滤波电路包括L-R滤波电路和C-R-C滤波电路，来去除电源中的杂质(如图5所示)。
高速脉冲信号的上升/下降沿要求达到纳秒级甚至皮秒级，那么在设计出高速脉冲信号的PCB电路板，不仅需要考虑普通PCB电路板的元器件布局问题和布线问题，更需要考虑信号完整性问题。经过反复的调整测试，一些需要注意的规则如下：
为了避免信号传输过程中出信号完整性问题，信号传输线最好布置时最好保持相同的传输方向；
把元器件放置在电路板的边沿时，至少保持元器件与电路板边沿留有两个电路板厚度的距离；
在电路板的反面布线时，为了避免串扰，PCB电路板两面的线要保持垂直；
为了避免电路的短路，应该加大电路板上一些具有高电位差的元器件与元器件之间、元器件与导线之间的距离。
虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种纳秒级高速脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器包括比较器、脉冲信号相位差电路、正向输入比较器、反向输入比较器和电源；所述比较器与所述脉冲信号相位差电路相连；所述脉冲信号相位差电路包括RC延时电路和RC延时可调电路；所述RC延时电路与反向输入比较器相连；RC延时可调电路所述正向输入比较器相连。
2.如权利要求1所述的纳秒级高速脉冲发生器，其特征在于，所述RC延时电路和RC可调延时电路分别连接与门逻辑电路。
3.如权利要求1所述的纳秒级高速脉冲发生器，其特征在于，所述比较器为二通道和四通道比较器。
4.如权利要求1所述的纳秒级高速脉冲发生器，其特征在于，所述电源中设置有滤波电路，该滤波电路包括L-R滤波电路和C-R-C滤波电路。
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CN110265867A (zh) * 2019-05-06 2019-09-20 北京雷动智创科技有限公司 一种基于SiP封装的纳秒级大电流激光驱动芯片

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