CN208272940U - 一种脉冲信号发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种脉冲信号发生器，能够产生高压高精度脉冲信号，适用于对特高频UHF信号检测器的现场信号进行模拟。该脉冲信号发生器主要包括：输入装置、CPU、数字模拟转换器DAC、运放跟随电路、高压隔离放大电路、过压保护电路、输出控制电路、电源模块、以及显示器。其中，CPU通过输入装置接收脉冲参数，并基于脉冲参数生成控制信号来控制DAC；DAC根据CPU的控制信号产生对应电压值的脉冲信号；过压保护电路对高压隔离放大电路输出的脉冲信号进行抑制，以避免输出控制电路中在进行开关控制时产生电压冲击；输出控制电路与过压保护电路的输出端连接，并通过高速开关控制器来控制输出开关的工作频率。

Description

一种脉冲信号发生器

技术领域

本实用新型涉及脉冲信号发生技术领域，尤其涉及一种脉冲信号发生器。

背景技术

脉冲信号发生器是信号发生器的一种，分为通用型和专用型两大类。通用型脉冲信号发生器，用于实验室进行一般性科学实验。专用型脉冲信号发生器，用于某些专用设备的研制、测试、生产和维修。

脉冲信号发生器需要上升沿和下降沿时间很快，理想的脉冲信号需要达到纳秒级，在提高输出电压等级的同时一般的信号发生电路达不到理想的速度。

现有的脉冲信号发生器，多数为低压信号输出。申请公布号为CN107634648A的中国发明专利申请公开了一种脉冲信号发生器及控制方法，采用输出可变占空比的PWM信号控制变压器的通/断时间比例，实现变压器蓄能占空比的匀速增加，从而实现变压器输出端电压的匀速上升。该方案虽然能够产生较高电压的脉冲信号，但存在幅值精度差等技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种脉冲信号发生器，能够产生高压高精度脉冲信号，适用于对特高频UHF信号检测器的现场信号进行模拟。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案包括以下各方面。

一种脉冲信号发生器，其包括：输入装置、CPU、数字模拟转换器DAC、运放跟随电路、高压隔离放大电路、过压保护电路、输出控制电路、以及电源模块；

其中，CPU通过输入装置接收脉冲参数，并基于脉冲参数生成控制信号来控制DAC；DAC根据CPU的控制信号产生对应电压值的脉冲信号；产生的脉冲信号依次输入运放跟随电路和高压隔离放大电路；高压隔离放大电路在CPU的控制下，对脉冲信号的最大幅值进行控制；过压保护电路对高压隔离放大电路输出的脉冲信号进行抑制，以避免输出控制电路中在进行开关控制时产生电压冲击；输出控制电路与过压保护电路的输出端连接，并通过高速开关控制器来控制输出开关的工作频率。

优选的，所述高压隔离放大电路采用瞬态电压抑制TVS和钳位电路对脉冲信号的最大幅值进行控制。

优选的，所述电源模块包括蓄电池、电源转换电路、以及隔离电源升压电路；

其中，电源转换电路采用DC-DC转换结构来输出3.3V和5V电源，并向数字器件供电；隔离电源升压电路用于产生150V高压电源，并向模拟器件供电。

优选的，所述模拟器件包括运放跟随电路、高压隔离放大电路、过压保护电路以及直流转直流电源转换电路中的一者或多者；

并且，CPU的控制信号输出端通过CTRL-IN(控制信号输入)端口经由第一电阻向第一放大器的DONE端口输入控制信号，使第一放大器通过SW端口控制变压器的端口8，并通过端口4输出高频信号；变压器T1的端口5与5V电源输入端连接，端口1接地；第一放大器的SW端口经由第一二极管接地，VIN端口与5V电源输入端连接并经由第一电容接地；

变压器端口4输出的高频信号依次经由第二二极管、第三二极管D3、以及第二电阻R2输入第二放大器的反相输入端；第二放大器的反相输入端经由第三电阻接地；第二二极管与第三二极管之间经由第二电容接地。

优选的，所述第二放大器的同相输入端依次经由第四电阻和第一电阻与CTRL-IN端口连接，并经由第三电容与第二放大器的输出端连接；第二放大器的输出端经由第五电阻连接至第一放大器的CHARGE端口，并连接至第一三极管的集电极；第一三极管的发射极接地，基极依次经由第六电阻和第七电阻接地；

变压器端口4输出的高频信号经过第二二极管之后输入第二三极管的集电极，并经由第八电阻连接至第二三极管的基极；第二三极管的发射极与第三三极管的发射极连接；第三三极管的集电极连接于第六电阻与第七电阻之间，第三三极管的基极与第九电阻连接，并分别经由第十电阻连接至第二三极管的发射极，经由第十一电阻连接至输出端OUT，以输出0～300V、最大5mA的脉冲信号。

优选的，所述输出端OUT经由第四电容接地，并经由第十二电阻连接至第三放大器的同相输入端；第三放大器的同相输入端经由第十三电阻接地；第三放大器的反相输入端分别经由第五电容连接至其输出端，并经由第十四电阻连接至CPU的控制信号输出端或者CTRL-IN端口。

优选的，所述第三放大器的输出端连接至第十五电阻，并分别直接连接至第四三极管的基极，依次经由第十六电阻和第四二极管连接至第三三极管的集电极；

第四三极管的集电极与第二三极管的基极连接，并经由第六电容接地；第四三极管的发射极经由第十七电阻接地。

优选的，所述脉冲信号上升和/或下降沿时间为10ns/100V；脉冲信号的电压范围为1V～100V。

优选的，进一步包括显示器，用于显示脉冲信号电压等级、脉冲信号频率、脉冲信号上升、下降沿时间、脉冲信号波形等信息中一种或者多种。

优选的，所述电源模块具有USB接口，以直接通过USB接口供电，并且通过该USB接口对CPU进行升级。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型至少具有以下有益效果：

采用数字模拟转换器DAC和运放结合控制电压幅值，通过先产生相应等级的直流信号，再通过高速开关的方式极大地提升了反应速度，能够提高脉冲信号电压等级(1V～100V)，而且通过高速开关控制电路开关直流信号产生的脉冲信号沿更陡(上升和下降的沿时间可达10ns/100V)，能够激发频率高达数GHz的高精度电磁波信号。

附图说明

图1是根据本实用新型示例性实施例的脉冲信号发生器的结构示意图。

图2是根据本实用新型示例性实施例的脉冲信号发生器中部分模拟器件的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明，以使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1示出了根据本实用新型示例性实施例的脉冲信号发生器的结构示意图。该实施例的脉冲信号发生器主要包括：输入装置、CPU、数字模拟转换器DAC、运放跟随电路、高压隔离放大电路、过压保护电路、输出控制电路、电源模块、以及显示器。

其中，CPU通过输入装置(例如触摸屏、键盘等)接收脉冲参数，并基于脉冲参数生成控制信号来控制DAC；DAC根据CPU的控制信号产生对应电压值的脉冲信号；产生的脉冲信号依次输入运放跟随电路和高压隔离放大电路；高压隔离放大电路在CPU的控制下，对脉冲信号的最大幅值进行控制(例如可以采用瞬态电压抑制TVS和钳位电路)；过压保护电路对高压隔离放大电路输出的脉冲信号进行抑制，以避免输出控制电路中在进行开关控制时产生电压冲击；输出控制电路与过压保护电路的输出端连接，并通过高速开关控制器来控制输出开关的工作频率，使输出的脉冲信号频率上升和下降沿时间可达10ns/100V。

电源模块包括蓄电池(例如3.7V锂电池)、电源转换电路、以及隔离电源升压电路；其中，电源转换电路采用DC-DC转换结构来输出3.3V和5V电源，并向CPU等数字器件以及显示器等器件供电；隔离电源升压电路用于产生150V高压电源，并向高压隔离放大电路、输出控制电路等模拟器件供电。在其它是实施例中，电源模块还可以具有USB接口，并可以直接通过USB接口供电，而不采用蓄电池。并且，还可以通过该USB接口对CPU进行升级。

显示器可以采用液晶显示屏、LED显示器、触摸显示屏等，用于显示脉冲参数，例如，脉冲信号电压等级、脉冲信号频率、脉冲信号上升、下降沿时间、脉冲信号波形等信息中一种或者多种。

在一种具体的实施方式中，上述CPU可以采用90nm工艺的STM32F407控制芯片，其兼容于STM32F2系列产品，便于ST的用户扩展或升级产品，而保持硬件的兼容能力；集成了新的DSP和FPU指令，并具有168MHz的高速性能，以及存储器加速器(自适应实时加速器，ARTAccelerator^TM)、多重AHB总线矩阵和多通道DMA，以支持程序执行和数据传输并行处理，从而提高数据传输速率。而且，该CPU还具有多达1MB FLASH，192KB静态随机存取存储器SRAM：其中，128KB在总线矩阵上，64KB在专为CPU使用的数据总线上高级外设与STM32F2兼容；并具有加密/哈希硬件处理器(例如32位随机数发生器RNG)。该CPU采用1.8V到3.6V的电源电压VDD，并在一些应用中，可降低至1.7V。

图2示出了根据本实用新型示例性实施例的脉冲信号发生器中部分模拟器件(运放跟随电路、高压隔离放大电路、过压保护电路以及直流转直流电源转换电路的一者或多者)的电路结构示意图。

其中，CPU的控制信号输出端通过CTRL-IN端口经由第一电阻R1(例如10KΩ)向第一放大器A1(例如可以采用LT3468运算放大器芯片)的DONE端口输入控制信号(0V～3V)，使第一放大器A1通过SW端口控制变压器T1(例如TDK LDT565630T-002贴片变压器)的端口8，并通过端口4输出高频信号；变压器T1的端口5与5V电源输入端连接，端口1接地；第一放大器A1的SW端口经由第一二极管D1(例如MA2Z720)接地，VIN端口与5V电源输入端连接并经由第一电容C1(例如4.7μF)接地；

变压器T1端口4输出的高频信号依次经由第二二极管D2(例如1SS306)、第三二极管D3(例如15V的1N4702)、以及第二电阻R2(例如10MΩ的金属膜精密电阻)输入第二放大器A2(例如LT1013运算放大器)的反相输入端(-)；第二放大器A2的反相输入端经由第三电阻R3(例如100KΩ的金属膜精密电阻)接地；第二二极管D2与第三二极管D3之间经由第二电容C2(例如13μF，330V)接地；

第二放大器A2的同相输入端(+)依次经由第四电阻R4(例如10KΩ)和第一电阻R1与CTRL-IN端口连接，并经由第三电容C3(例如33pF)与第二放大器A2的输出端连接；第二放大器A2的输出端经由第五电阻R5(例如10KΩ)连接至第一放大器的CHARGE端口，并连接至第一三极管Q1(例如可以采用2N3903/2N3904 NPN小功率三极管)的集电极；第一三极管Q1的发射极接地，基极依次经由第六电阻R6(例如10KΩ)和第七电阻R7(例如100KΩ)接地；

变压器T1端口4输出的高频信号经过第二二极管D2之后输入第二三极管Q2(例如2N6517三极管)的集电极，并经由第八电阻R8(例如200KΩ)连接至第二三极管Q2的基极；第二三极管Q2的发射极与第三三极管Q3(2N6520PNP小功率三极管)的发射极连接；第三三极管Q3的集电极连接于第六电阻与第七电阻之间，第三三极管Q3的基极与第九电阻R9(例如10KΩ)连接，并分别经由第十电阻R10(例如50Ω)连接至第二三极管Q2的发射极，经由第十一电阻R11(例如1KΩ)连接至输出端OUT，以输出0～300V、最大5mA的脉冲信号；

输出端OUT经由第四电容C4(例如0.01μF)接地，并经由第十二电阻R12(例如10MΩ)连接至第三放大器A3(例如LT1013运算放大器)的同相输入端；第三放大器A3的同相输入端经由第十三电阻R13(例如100KΩ)接地；第三放大器A3的反相输入端分别经由第五电容C5(例如0.01μF)连接至其输出端，并经由第十四电阻R14(例如100KΩ)连接至CPU的控制信号输出端或者CTRL-IN端口；

第三放大器A3的输出端连接至第十五电阻R15(例如10KΩ)，并分别直接连接至第四三极管Q4(例如2N6511)的基极，依次经由第十六电阻R16(例如10KΩ)和第四二极管D4连接至第三三极管Q3的集电极；

第四三极管Q4的集电极与第二三极管Q2的基极连接，并经由第六电容C6(例如0.68μF，400V)接地；第四三极管Q4的发射极经由第十七电阻R17(例如10KΩ)接地。

上述实施例的电路结构通过反馈、运放以及二级滤波来稳定输出端OUT输出的0～300V、最大5mA脉冲信号的电压。二级滤波时向Q2集电极提供高电压，通过A3、Q2、Q4构成高压线性稳压器，并通过15V齐纳二极管D3来确保跟踪与最小耗散，Q3到Q1限制了短路输出电流，从而将输出纹波控制到2mV以内，形成了一个的低压直流转高压直流的稳定系统。在此基础上，再用高频的继电器作为高速开关控制器来控制输出开关的工作频率以实现稳定的切换，并通过N头输出实现了稳定的脉冲信号输出。

根据上述实施例的脉冲信号发生器可输出上升沿、下降沿较快的方波，以及上升沿、下降沿较慢的梯形波、三角波、锯齿波；并且所产生的脉冲信号的上升沿、下降沿可调；脉冲信号的电压范围：1V～100V；频率范围：25Hz～100Hz；该脉冲信号发生器结构紧凑，体积小巧，且能够直观显示和输入，易操作。能够稳定的模拟出局部放电，适用于对特高频UHF信号检测器的现场信号进行模拟。

以上所述，仅为本实用新型具体实施方式的详细说明，而非对本实用新型的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲信号发生器，其特征在于，所述脉冲信号发生器包括：输入装置、CPU、数字模拟转换器DAC、运放跟随电路、高压隔离放大电路、过压保护电路、输出控制电路、以及电源模块；

其中，CPU通过输入装置接收脉冲参数，并基于脉冲参数生成控制信号来控制DAC；DAC根据CPU的控制信号产生对应电压值的脉冲信号；产生的脉冲信号依次输入运放跟随电路和高压隔离放大电路；高压隔离放大电路在CPU的控制下，对脉冲信号的最大幅值进行控制；过压保护电路对高压隔离放大电路输出的脉冲信号进行抑制，以避免输出控制电路中在进行开关控制时产生电压冲击；输出控制电路与过压保护电路的输出端连接，并通过高速开关控制器来控制输出开关的工作频率。

2.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述高压隔离放大电路采用瞬态电压抑制TVS和钳位电路对脉冲信号的最大幅值进行控制。

3.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述电源模块包括蓄电池、电源转换电路、以及隔离电源升压电路；

其中，电源转换电路采用DC-DC转换结构来输出3.3V和5V电源，并向数字器件供电；隔离电源升压电路用于产生150V高压电源，并向模拟器件供电。

4.根据权利要求3所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述模拟器件包括运放跟随电路、高压隔离放大电路、过压保护电路以及直流转直流电源转换电路中的一者或多者；

并且，CPU的控制信号输出端通过CTRL-IN端口经由第一电阻向第一放大器的DONE端口输入控制信号，使第一放大器通过SW端口控制变压器的端口8，并通过端口4输出高频信号；变压器的端口5与5V电源输入端连接，端口1接地；第一放大器的SW端口经由第一二极管接地，VIN端口与5V电源输入端连接并经由第一电容接地；

变压器端口4输出的高频信号依次经由第二二极管、第三二极管、以及第二电阻输入第二放大器的反相输入端；第二放大器的反相输入端经由第三电阻接地；第二二极管与第三二极管之间经由第二电容接地。

5.根据权利要求4所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述第二放大器的同相输入端依次经由第四电阻和第一电阻与CTRL-IN端口连接，并经由第三电容与第二放大器的输出端连接；第二放大器的输出端经由第五电阻连接至第一放大器的CHARGE端口，并连接至第一三极管的集电极；第一三极管的发射极接地，基极依次经由第六电阻和第七电阻接地；

变压器端口4输出的高频信号经过第二二极管之后输入第二三极管的集电极，并经由第八电阻连接至第二三极管的基极；第二三极管的发射极与第三三极管的发射极连接；第三三极管的集电极连接于第六电阻与第七电阻之间，第三三极管的基极与第九电阻连接，并分别经由第十电阻连接至第二三极管的发射极，经由第十一电阻连接至输出端OUT，以输出0～300V、最大5mA的脉冲信号。

6.根据权利要求5所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述输出端OUT经由第四电容接地，并经由第十二电阻连接至第三放大器的同相输入端；第三放大器的同相输入端经由第十三电阻接地；第三放大器的反相输入端分别经由第五电容连接至其输出端，并经由第十四电阻连接至CPU的控制信号输出端或者CTRL-IN端口。

7.根据权利要求6所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述第三放大器的输出端连接至第十五电阻，并分别直接连接至第四三极管的基极，依次经由第十六电阻和第四二极管连接至第三三极管的集电极；

第四三极管的集电极与第二三极管的基极连接，并经由第六电容接地；第四三极管的发射极经由第十七电阻接地。

8.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述脉冲信号上升和/或下降沿时间为10ns/100V；脉冲信号的电压范围为1V～100V。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的脉冲信号发生器，其特征在于，进一步包括显示器，用于显示脉冲信号电压等级、脉冲信号频率、脉冲信号上升、下降沿时间、脉冲信号波形信息中一种或者多种。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述电源模块具有USB接口，以直接通过USB接口供电，并且通过该USB接口对CPU进行升级。