超高速窄脈沖納秒信號采集的實現(xiàn)與應用研究

盛桂珍，趙 妍

（1.長春工程學院電氣與信息學院，長春130012；2.中國科學技術大學信息科學技術學院，合肥230022）

0 引言

面對我國經濟的日益崛起，現(xiàn)代高科技的進步和強大的國防力量儲備，特別是國際間的技術競爭，各種技術領域的光電跟蹤系統(tǒng)中，如雷達設備數(shù)據采集系統(tǒng)、激光接收機系統(tǒng)、偵測探測設備系統(tǒng)等，已不滿足對常規(guī)信號的采集整理，而是要求能進一步實現(xiàn)對超高速窄脈沖信號的實時放大、展寬及幅度輸出的控制，輸入信號脈寬要求能達到納秒級［1］，重頻范圍在10Hz～100kHz的窄脈沖信號，輸出要求達到幾伏的窄脈沖峰值保持展寬電壓，并要具有寬帶增益放大、大范圍線性動態(tài)超強接收能力，而且還要保證系統(tǒng)的信號響應快、采集精度高，系統(tǒng)工作性能更要穩(wěn)定可靠。這是目前我們科技攻關的又一重要課題。

1 超高速窄脈沖信號采集器的基本組成和工作原理

1.1 基本組成

超高速窄脈沖采集器系統(tǒng)框圖如圖1所示，前方輸出的窄脈沖信號由采集器放大，峰值保持電路展寬后輸出到信號處理器，由信號處理器輸出AGC、波門信號控制［2］，完成放大電路的增益調整和窄脈沖信號快速響應及同步接收，實現(xiàn)對窄脈沖信號的大動態(tài)線性放大和高精度實時采樣。

圖1 大動態(tài)窄脈沖信號采集器系統(tǒng)組成框圖

1.2 工作原理

采集器部分的原理圖如圖2所示，由大動態(tài)窄脈沖信號放大器和門控峰值保持電路2大部分組成。其中窄脈沖信號放大器由電壓控制AGC電路、電壓放大、電流放大等單元電路組成；門控峰值保持電路有門控開關電路、窄脈沖展寬電路和輸出電路等單元電路組成。整體電路設有AGC控制電壓輸入端口，門控信號輸入端口。

圖2 大動態(tài)窄脈沖信號采集器部分原理框圖

1.2.1 大動態(tài)窄脈沖信號放大器部分

見圖2，由三級放大電路組成。第一級放大電路即為壓控型AGC放大電路，帶寬60MHz，由外控偏置電壓控制增益連續(xù)可調，其輸入端接收帶正級性的窄脈沖輸入信號［3］，輸出有電流驅動能力的放大信號；第二級為寬帶同相電壓放大電路，帶寬30MHz；第三級為帶寬、高速電流放大電路，可提供不小于100mA的電流輸出，以提高后級峰值保持展寬電路的響應速度。

1.2.2 門控峰值保持電路

如圖3所示部分原理圖，主要由門控高速開關電路（三極管Q1）；電容C、二極管D1及電阻組成的電容充放電電路和輸出電路組成一個脈沖峰值保持展寬電路。三極管Q1為高速開關管，開關時間ton，tof≤30ns，導通電阻小Ron＝60Ω。靜態(tài)時，三極管Q1閉合，二極管D1導通接地；當有輸入信號時，Q1截止，前級放大輸出的窄脈沖信號經D1給電容C充電，由于已保證前級放大器的頻帶足夠寬、電流足夠大，電容C上的信號幅度短時間內迅速上升到輸入信號的峰值，而窄脈沖過后，由于二極管D1的單向導電性，電容C不能通過二極管D1放電，只能通過電阻放電，如果放電時間常數(shù)（τ＝RC）設計得較大，在Q1開關管閉合前，電容C上的電壓可以保持信號幅度的峰值信息，保持時間即由保持電路的時間常數(shù)決定，τ＝RC。

圖3 門控峰值保持電路原理圖

門控開關管Q1由外部輸入觸發(fā)信號（TTL兼容電平）控制開關時間的寬度，具有可變的脈沖寬度，在放電時間常數(shù)τ以內，此外接波門寬度決定了信號保持時間的長短。三極管Q1閉合，保持即結束，這樣就完成了窄脈沖信號的峰值保持并展寬的2項功能。最后一級輸出級電路設計采用高輸入阻抗、低輸出阻抗的射隨器電路U7，目的是提高輸出級與前級的有效隔離，同時提高采集器的負載能力。

1.2.3 器件的選擇和電路工藝要求

器件的選擇方面，高速開關管Q1應選用具有超高速、低導通電阻的半導體3DK2E開關三極管和超高速、低導通電阻GaAs開關二極管D1［4］，確保對高速窄脈沖的快速響應和提高峰值采樣精度；選用先進優(yōu)質的寬帶壓控AGC放大電路模塊及其他器件；器件合理布局，印刷線路板盡量應短而寬，大面積接地，以減小信號回路和供電回路串擾，以及輸入、輸出均就地接地等措施，從而可以大大地提高組件的工作穩(wěn)定性［5］。

2 結語

綜上所述，超高速窄脈沖采集器的技術難點是如何對窄脈沖小信號的大動態(tài)線性放大，寬帶增益及其快速響應性和采樣精度。設計的采集器輸入信號的脈寬可達10～20ns、重頻范圍在10HZ～100 kHZ的納秒級窄脈沖信號，輸出達到3～5V的窄脈沖峰值保持展寬電壓，經實際應用完全滿足技術要求。做為一個電路組件，此項技術在國民經濟、國防科技、通訊等領域，有著廣泛的應用性和通用性，適用性強。特別是結合計算機、單片機技術，做為系統(tǒng)部件使用有著深刻而廣泛的應用前途［6－7］。

［1］薛增泉.納米電子學［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003：272－274.

［2］劉世剛，葛臨東.一種性能優(yōu)良結構簡單的AGC電路［J］.今日電子，2005（9）：17.

［3］徐新艷.數(shù)字與脈沖電路［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007：4.

［4］沈能玨.現(xiàn)代電子材料技術［M］.北京：航天國防工業(yè)出版社，2002：35－73.

［5］徐勤建，梁媛，張朝暉.隨機脈沖信號采集卡的設計［J］.電子設計工程，2010（7）：135－137.

［6］李小海，王振龍，趙萬生.高頻窄脈沖電流微細電解加工［J］.機械工程學報，2006（1）：162－167.

［7］徐文強，任勇峰，文豐.基于FPGA的高速脈沖信號源的設計與實現(xiàn)［J］.PLD CPLD FPGA 應用，2007，23（2）：251－252.