窄脈沖發(fā)生電路設(shè)計(jì)及仿真

張琦+王興權(quán)+鐘握軍

摘 要

脈沖技術(shù)在電力系統(tǒng)中的高壓絕緣監(jiān)測(cè)、激光技術(shù)、微波技術(shù)和電磁兼容性等試驗(yàn)方面都有很廣泛的實(shí)際應(yīng)用。本文采用單穩(wěn)態(tài)電路和或非門（74LS02）組成的積分電路設(shè)計(jì)了窄脈沖發(fā)生電路，并利用multisim軟件進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，基于或非門組成的積分電路，將RC積分性質(zhì)和或非門的邏輯功能巧妙結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了ns級(jí)窄脈沖輸出，得到的脈寬可達(dá)10ns左右而電壓幅值保持為5V。

【關(guān)鍵詞】窄脈沖 RC積分 或非門

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈沖技術(shù)在電力系統(tǒng)中的高壓絕緣監(jiān)測(cè)、激光技術(shù)、微波技術(shù)和電磁兼容性等試驗(yàn)方面都有很廣泛的實(shí)際應(yīng)用，如用于超寬帶通信技術(shù)、除塵技術(shù)、固體絕緣空間電荷分布的測(cè)試裝置和電火花加工表面粗超度檢測(cè)等。近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在無線通信用戶急增，頻譜資源越來越稀缺，通信容量越來越大以及傳輸速率越來越來高的形勢(shì)下，人們對(duì)超寬帶技術(shù)的認(rèn)識(shí)也更加清楚，由此逐步轉(zhuǎn)入民用階段，用于實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的無線通信系統(tǒng)。1962年，惠普公司開發(fā)出取樣示波器，納秒級(jí)脈沖的產(chǎn)生方法才得以發(fā)展，當(dāng)時(shí)普遍采用雪崩晶體管或隧道二極管產(chǎn)生脈寬為納秒級(jí)的脈沖信號(hào)，提供可供分析用的沖激激勵(lì)信號(hào)，這使得人們能夠正確地觀察和測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)。能產(chǎn)生幾百毫伏窄脈沖的高速器件有隧道二極管和ECL集成電路，能產(chǎn)生幾十伏到幾百伏的高速器件有雪崩晶體三極管、階越恢復(fù)二極管和俘越二極管。但是這些方法設(shè)計(jì)的窄脈沖發(fā)生器脈寬固定，不能調(diào)節(jié)脈寬，給應(yīng)用帶來不便。為滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)脈寬的需要，本文設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡單且脈寬可調(diào)的窄脈沖發(fā)生電路，并利用multisim軟件進(jìn)行了仿真分析。

2 脈沖發(fā)生電路設(shè)計(jì)及仿真

2.1 采用555多諧振蕩器產(chǎn)生1kHz信號(hào)

由于555多諧振蕩器產(chǎn)生的方波可調(diào)性較好，而失真度較小。因此，先采用555多諧振蕩器產(chǎn)生所需頻率對(duì)應(yīng)的方波，這里選擇1kHz 作為需要的頻率。

多諧振蕩器產(chǎn)生1kHz方波電路如圖1所示，將R2調(diào)至6.7kΩ時(shí)由圖中元件參數(shù)可得周期T=0.69（R1+2R2）C≈1×10-3s，頻率則為f=1/T=1kHz。改變電路中的R2，頻率和占空比都將隨之變化。

利用multisim中的示波器對(duì)上述電路進(jìn)行仿真分析，仿真波形如圖2所示。圖中可以看出，其輸出波形的電壓幅值為5V，頻率為1kHz，占空比略大于50%，獲得了所要求的1kHz方波信號(hào)，可以作為后續(xù)電路的輸入信號(hào)。

2.2 與555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組合構(gòu)成窄脈沖發(fā)生電路

555單穩(wěn)態(tài)電路有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，是利用電容的充放電形成暫穩(wěn)態(tài)的，因此它的輸入端都帶有定時(shí)電阻和定時(shí)電容，常見的555單穩(wěn)電路有兩種：人工啟動(dòng)型和脈沖啟動(dòng)型，在此我們應(yīng)用的是脈沖啟動(dòng)型。脈沖啟動(dòng)型是將555芯片的6、7腳并接起來接在定時(shí)電容CT上，用2腳作輸入就成為脈沖啟動(dòng)型單穩(wěn)電路。如圖3所示，555芯片的2腳正常輸入為高電平，當(dāng)輸入為低電平或輸入負(fù)脈沖時(shí)才啟動(dòng)電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。將1kHz 的脈沖加入到單穩(wěn)態(tài)電路中555定時(shí)器的2腳，為了去掉輸入信號(hào)中的直流分量，在2腳之前串入一個(gè)電容。

改變電阻R1和電容C1的值可以改變輸出波形的占空比，經(jīng)過對(duì)圖3中單穩(wěn)態(tài)可調(diào)電阻R1 和電容C1的多次調(diào)節(jié)得出，在輸出波形較理想的前提下，當(dāng)R1=50Ω，C1=nf時(shí)，可以得到最窄的脈寬約為4us，電壓幅值保持為5V。仿真波形如圖4所示， X軸上面的波形是555多諧振蕩產(chǎn)生的1kHz方波，即單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入信號(hào)。X軸下面的是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖。輸出的波形中可以看到，經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器之后，脈沖寬度變?yōu)榱?us。用555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的脈寬只達(dá)到了微秒級(jí)，沒有得到納秒級(jí)的窄脈沖輸出。

2.3 或非門構(gòu)成的窄脈沖發(fā)生電路

通常由微分或積分電路組成的脈沖電路中都有一個(gè)開關(guān)如火花開關(guān)、IGBT等來控制電容的充放電周期，由于開關(guān)本身的結(jié)構(gòu)及參數(shù)限制，會(huì)導(dǎo)致脈沖寬度有限且不易控制。本文中通過將2個(gè)或非門和RC積分電路組合起來，而不需要開關(guān)器件就實(shí)現(xiàn)了窄脈沖輸出。電路如圖5所示，555定時(shí)器產(chǎn)生的1kHz方波順序經(jīng)過2個(gè)或非門后進(jìn)行輸出。由或非門的邏輯關(guān)系得出輸出端2與A、B端的邏輯關(guān)系為 ，輸出端2如要得到高電平，則圖中的A端需為低電平同時(shí)B端為高電平，但A端變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，B端的C1會(huì)通過小電阻R1迅速放電，從而B端由高電平迅速變?yōu)榱说碗娖?，也就形成了很窄的正脈沖輸出。正是由于RC積分電路和或非門的邏輯功能巧妙配合實(shí)現(xiàn)了簡單、穩(wěn)定的窄脈沖輸出，輸出的脈寬則取決于RC積分電路的電阻電容參數(shù)。

通過電路仿真，得出輸出端2的波形如圖6所示，R1=10Ω，C1=1nf時(shí)窄脈沖的脈寬約為10ns左右，電壓幅值為5V，此時(shí)脈沖的上升沿和下降沿都很陡，波形比較理想。該電路中可以通過調(diào)節(jié) 和 的值來改變脈寬，電阻電容的數(shù)值越小，脈寬就越小。在實(shí)際完成的硬件電路中，由泰克示波器TDS2012測(cè)得輸出脈沖波形如圖7所示，脈沖寬度小于10ns，電壓幅值約4.2V，但波形上升和下降比較慢。與仿真結(jié)果相比，由于或非門的輸入輸出等效電容效應(yīng)，減緩了波形上升和下降的速度，導(dǎo)致實(shí)際波形有一定失真。

3 結(jié)論

本文在555定時(shí)器產(chǎn)生1kHz方波基礎(chǔ)上，分別采用單穩(wěn)態(tài)電路和或非門（74LS02）組成的積分電路設(shè)計(jì)了窄脈沖發(fā)生電路，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)測(cè)。結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)組成的窄脈沖電路都實(shí)現(xiàn)了脈寬的大幅減小且幅值不變?；?55單穩(wěn)態(tài)的脈沖電路中，改變電阻R1和電容C1的值可以改變輸出波形的占空比，得到最窄的脈寬約為4us，電壓幅值為5V，用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的脈寬只達(dá)到了微秒級(jí)，沒有得到納秒級(jí)的窄脈沖輸出?；诨蚍情T組成的積分電路，則將RC積分性質(zhì)和或非門的邏輯功能巧妙結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了ns級(jí)窄脈沖輸出，輸出的脈寬可由RC調(diào)節(jié)，本文中得到的脈寬可達(dá)10ns左右而電壓幅值保持為5V。通過硬件電路實(shí)測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果，實(shí)測(cè)獲得了小于10ns的脈寬，電壓幅值下降不到1V，但波形有一定失真。因此基于或非門組成的積分電路不僅實(shí)現(xiàn)了ns級(jí)窄脈沖輸出，并且結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用前景，可用于脈沖電源中的驅(qū)動(dòng)、臭氧發(fā)生器、信號(hào)采集、同步觸發(fā)和激光電源驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]楊燕，俞敦和，吳姚芳，侯霞.新型窄脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的研制[J].中國激光，2011（02）：30-35 .

[2]尹莉，彭浩，楊濤.窄脈沖小信號(hào)運(yùn)算放大電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用，2011（09）：18-20.

[3]鄒曉兵，朱宏林，曾乃工，王新新.納秒級(jí)高壓快脈沖發(fā)生器的研制[J].高電壓技術(shù)，2011（03）： 787-792 .

[4]陳彥超，趙柏秦，李偉.用于納秒級(jí)窄脈沖工作的大功率半導(dǎo)體激光器模塊[J].光學(xué)精密工程，2009（04）：695-700 .

[5]黃堂森.用于超寬帶穿墻雷達(dá)的窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)[J].電子科技，2007（02）：23-24+28.

[6]鄧桃，吳廣寧，周凱，吳建東.一種納秒級(jí)高壓脈沖發(fā)生器的研制[J].高壓電器， 2007（02）：131-132+135.

[7]邢超，胡以華.窄脈沖信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2006（10）：1367-1371.

[8]李育紅，周正.超寬帶無線通信技術(shù)的新進(jìn)展[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005（01）：20-24+99.

[9]汪洋，張乃通.超寬帶無線通信概述[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，（01）：3-7 .

[10]程健云.窄脈沖技術(shù)在精細(xì)超聲檢測(cè)中的應(yīng)用[J].無損探傷，2004（01）：11-13.

[11]劉鐘陽，吳彥，王寧會(huì).雙極性窄脈沖介質(zhì)阻擋放電合成臭氧的研究[J].高電壓技術(shù)，2001（02）：28-29+38

[12]張靖，黎海濤，張平.超寬帶無線通信技術(shù)及發(fā)展[J].電信科學(xué)，2001（11）：3-7.

作者單位

贛南師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院光電子材料與技術(shù)研究所 江西省贛州市 341000endprint

摘 要

脈沖技術(shù)在電力系統(tǒng)中的高壓絕緣監(jiān)測(cè)、激光技術(shù)、微波技術(shù)和電磁兼容性等試驗(yàn)方面都有很廣泛的實(shí)際應(yīng)用。本文采用單穩(wěn)態(tài)電路和或非門（74LS02）組成的積分電路設(shè)計(jì)了窄脈沖發(fā)生電路，并利用multisim軟件進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，基于或非門組成的積分電路，將RC積分性質(zhì)和或非門的邏輯功能巧妙結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了ns級(jí)窄脈沖輸出，得到的脈寬可達(dá)10ns左右而電壓幅值保持為5V。

【關(guān)鍵詞】窄脈沖 RC積分 或非門

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈沖技術(shù)在電力系統(tǒng)中的高壓絕緣監(jiān)測(cè)、激光技術(shù)、微波技術(shù)和電磁兼容性等試驗(yàn)方面都有很廣泛的實(shí)際應(yīng)用，如用于超寬帶通信技術(shù)、除塵技術(shù)、固體絕緣空間電荷分布的測(cè)試裝置和電火花加工表面粗超度檢測(cè)等。近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在無線通信用戶急增，頻譜資源越來越稀缺，通信容量越來越大以及傳輸速率越來越來高的形勢(shì)下，人們對(duì)超寬帶技術(shù)的認(rèn)識(shí)也更加清楚，由此逐步轉(zhuǎn)入民用階段，用于實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的無線通信系統(tǒng)。1962年，惠普公司開發(fā)出取樣示波器，納秒級(jí)脈沖的產(chǎn)生方法才得以發(fā)展，當(dāng)時(shí)普遍采用雪崩晶體管或隧道二極管產(chǎn)生脈寬為納秒級(jí)的脈沖信號(hào)，提供可供分析用的沖激激勵(lì)信號(hào)，這使得人們能夠正確地觀察和測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)。能產(chǎn)生幾百毫伏窄脈沖的高速器件有隧道二極管和ECL集成電路，能產(chǎn)生幾十伏到幾百伏的高速器件有雪崩晶體三極管、階越恢復(fù)二極管和俘越二極管。但是這些方法設(shè)計(jì)的窄脈沖發(fā)生器脈寬固定，不能調(diào)節(jié)脈寬，給應(yīng)用帶來不便。為滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)脈寬的需要，本文設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡單且脈寬可調(diào)的窄脈沖發(fā)生電路，并利用multisim軟件進(jìn)行了仿真分析。

2 脈沖發(fā)生電路設(shè)計(jì)及仿真

2.1 采用555多諧振蕩器產(chǎn)生1kHz信號(hào)

由于555多諧振蕩器產(chǎn)生的方波可調(diào)性較好，而失真度較小。因此，先采用555多諧振蕩器產(chǎn)生所需頻率對(duì)應(yīng)的方波，這里選擇1kHz 作為需要的頻率。

多諧振蕩器產(chǎn)生1kHz方波電路如圖1所示，將R2調(diào)至6.7kΩ時(shí)由圖中元件參數(shù)可得周期T=0.69（R1+2R2）C≈1×10-3s，頻率則為f=1/T=1kHz。改變電路中的R2，頻率和占空比都將隨之變化。

利用multisim中的示波器對(duì)上述電路進(jìn)行仿真分析，仿真波形如圖2所示。圖中可以看出，其輸出波形的電壓幅值為5V，頻率為1kHz，占空比略大于50%，獲得了所要求的1kHz方波信號(hào)，可以作為后續(xù)電路的輸入信號(hào)。

2.2 與555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組合構(gòu)成窄脈沖發(fā)生電路

555單穩(wěn)態(tài)電路有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，是利用電容的充放電形成暫穩(wěn)態(tài)的，因此它的輸入端都帶有定時(shí)電阻和定時(shí)電容，常見的555單穩(wěn)電路有兩種：人工啟動(dòng)型和脈沖啟動(dòng)型，在此我們應(yīng)用的是脈沖啟動(dòng)型。脈沖啟動(dòng)型是將555芯片的6、7腳并接起來接在定時(shí)電容CT上，用2腳作輸入就成為脈沖啟動(dòng)型單穩(wěn)電路。如圖3所示，555芯片的2腳正常輸入為高電平，當(dāng)輸入為低電平或輸入負(fù)脈沖時(shí)才啟動(dòng)電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。將1kHz 的脈沖加入到單穩(wěn)態(tài)電路中555定時(shí)器的2腳，為了去掉輸入信號(hào)中的直流分量，在2腳之前串入一個(gè)電容。

改變電阻R1和電容C1的值可以改變輸出波形的占空比，經(jīng)過對(duì)圖3中單穩(wěn)態(tài)可調(diào)電阻R1 和電容C1的多次調(diào)節(jié)得出，在輸出波形較理想的前提下，當(dāng)R1=50Ω，C1=nf時(shí)，可以得到最窄的脈寬約為4us，電壓幅值保持為5V。仿真波形如圖4所示， X軸上面的波形是555多諧振蕩產(chǎn)生的1kHz方波，即單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入信號(hào)。X軸下面的是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖。輸出的波形中可以看到，經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器之后，脈沖寬度變?yōu)榱?us。用555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的脈寬只達(dá)到了微秒級(jí)，沒有得到納秒級(jí)的窄脈沖輸出。

2.3 或非門構(gòu)成的窄脈沖發(fā)生電路

通常由微分或積分電路組成的脈沖電路中都有一個(gè)開關(guān)如火花開關(guān)、IGBT等來控制電容的充放電周期，由于開關(guān)本身的結(jié)構(gòu)及參數(shù)限制，會(huì)導(dǎo)致脈沖寬度有限且不易控制。本文中通過將2個(gè)或非門和RC積分電路組合起來，而不需要開關(guān)器件就實(shí)現(xiàn)了窄脈沖輸出。電路如圖5所示，555定時(shí)器產(chǎn)生的1kHz方波順序經(jīng)過2個(gè)或非門后進(jìn)行輸出。由或非門的邏輯關(guān)系得出輸出端2與A、B端的邏輯關(guān)系為 ，輸出端2如要得到高電平，則圖中的A端需為低電平同時(shí)B端為高電平，但A端變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，B端的C1會(huì)通過小電阻R1迅速放電，從而B端由高電平迅速變?yōu)榱说碗娖剑簿托纬闪撕苷恼}沖輸出。正是由于RC積分電路和或非門的邏輯功能巧妙配合實(shí)現(xiàn)了簡單、穩(wěn)定的窄脈沖輸出，輸出的脈寬則取決于RC積分電路的電阻電容參數(shù)。

通過電路仿真，得出輸出端2的波形如圖6所示，R1=10Ω，C1=1nf時(shí)窄脈沖的脈寬約為10ns左右，電壓幅值為5V，此時(shí)脈沖的上升沿和下降沿都很陡，波形比較理想。該電路中可以通過調(diào)節(jié) 和 的值來改變脈寬，電阻電容的數(shù)值越小，脈寬就越小。在實(shí)際完成的硬件電路中，由泰克示波器TDS2012測(cè)得輸出脈沖波形如圖7所示，脈沖寬度小于10ns，電壓幅值約4.2V，但波形上升和下降比較慢。與仿真結(jié)果相比，由于或非門的輸入輸出等效電容效應(yīng)，減緩了波形上升和下降的速度，導(dǎo)致實(shí)際波形有一定失真。

3 結(jié)論

本文在555定時(shí)器產(chǎn)生1kHz方波基礎(chǔ)上，分別采用單穩(wěn)態(tài)電路和或非門（74LS02）組成的積分電路設(shè)計(jì)了窄脈沖發(fā)生電路，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)測(cè)。結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)組成的窄脈沖電路都實(shí)現(xiàn)了脈寬的大幅減小且幅值不變。基于555單穩(wěn)態(tài)的脈沖電路中，改變電阻R1和電容C1的值可以改變輸出波形的占空比，得到最窄的脈寬約為4us，電壓幅值為5V，用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的脈寬只達(dá)到了微秒級(jí)，沒有得到納秒級(jí)的窄脈沖輸出?；诨蚍情T組成的積分電路，則將RC積分性質(zhì)和或非門的邏輯功能巧妙結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了ns級(jí)窄脈沖輸出，輸出的脈寬可由RC調(diào)節(jié)，本文中得到的脈寬可達(dá)10ns左右而電壓幅值保持為5V。通過硬件電路實(shí)測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果，實(shí)測(cè)獲得了小于10ns的脈寬，電壓幅值下降不到1V，但波形有一定失真。因此基于或非門組成的積分電路不僅實(shí)現(xiàn)了ns級(jí)窄脈沖輸出，并且結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用前景，可用于脈沖電源中的驅(qū)動(dòng)、臭氧發(fā)生器、信號(hào)采集、同步觸發(fā)和激光電源驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]楊燕，俞敦和，吳姚芳，侯霞.新型窄脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的研制[J].中國激光，2011（02）：30-35 .

[2]尹莉，彭浩，楊濤.窄脈沖小信號(hào)運(yùn)算放大電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用，2011（09）：18-20.

[3]鄒曉兵，朱宏林，曾乃工，王新新.納秒級(jí)高壓快脈沖發(fā)生器的研制[J].高電壓技術(shù)，2011（03）： 787-792 .

[4]陳彥超，趙柏秦，李偉.用于納秒級(jí)窄脈沖工作的大功率半導(dǎo)體激光器模塊[J].光學(xué)精密工程，2009（04）：695-700 .

[5]黃堂森.用于超寬帶穿墻雷達(dá)的窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)[J].電子科技，2007（02）：23-24+28.

[6]鄧桃，吳廣寧，周凱，吳建東.一種納秒級(jí)高壓脈沖發(fā)生器的研制[J].高壓電器， 2007（02）：131-132+135.

[7]邢超，胡以華.窄脈沖信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2006（10）：1367-1371.

[8]李育紅，周正.超寬帶無線通信技術(shù)的新進(jìn)展[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005（01）：20-24+99.

[9]汪洋，張乃通.超寬帶無線通信概述[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，（01）：3-7 .

[10]程健云.窄脈沖技術(shù)在精細(xì)超聲檢測(cè)中的應(yīng)用[J].無損探傷，2004（01）：11-13.

[11]劉鐘陽，吳彥，王寧會(huì).雙極性窄脈沖介質(zhì)阻擋放電合成臭氧的研究[J].高電壓技術(shù)，2001（02）：28-29+38

[12]張靖，黎海濤，張平.超寬帶無線通信技術(shù)及發(fā)展[J].電信科學(xué)，2001（11）：3-7.

作者單位

贛南師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院光電子材料與技術(shù)研究所 江西省贛州市 341000endprint

摘 要

脈沖技術(shù)在電力系統(tǒng)中的高壓絕緣監(jiān)測(cè)、激光技術(shù)、微波技術(shù)和電磁兼容性等試驗(yàn)方面都有很廣泛的實(shí)際應(yīng)用。本文采用單穩(wěn)態(tài)電路和或非門（74LS02）組成的積分電路設(shè)計(jì)了窄脈沖發(fā)生電路，并利用multisim軟件進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，基于或非門組成的積分電路，將RC積分性質(zhì)和或非門的邏輯功能巧妙結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了ns級(jí)窄脈沖輸出，得到的脈寬可達(dá)10ns左右而電壓幅值保持為5V。

【關(guān)鍵詞】窄脈沖 RC積分 或非門

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈沖技術(shù)在電力系統(tǒng)中的高壓絕緣監(jiān)測(cè)、激光技術(shù)、微波技術(shù)和電磁兼容性等試驗(yàn)方面都有很廣泛的實(shí)際應(yīng)用，如用于超寬帶通信技術(shù)、除塵技術(shù)、固體絕緣空間電荷分布的測(cè)試裝置和電火花加工表面粗超度檢測(cè)等。近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在無線通信用戶急增，頻譜資源越來越稀缺，通信容量越來越大以及傳輸速率越來越來高的形勢(shì)下，人們對(duì)超寬帶技術(shù)的認(rèn)識(shí)也更加清楚，由此逐步轉(zhuǎn)入民用階段，用于實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的無線通信系統(tǒng)。1962年，惠普公司開發(fā)出取樣示波器，納秒級(jí)脈沖的產(chǎn)生方法才得以發(fā)展，當(dāng)時(shí)普遍采用雪崩晶體管或隧道二極管產(chǎn)生脈寬為納秒級(jí)的脈沖信號(hào)，提供可供分析用的沖激激勵(lì)信號(hào)，這使得人們能夠正確地觀察和測(cè)量微波網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)。能產(chǎn)生幾百毫伏窄脈沖的高速器件有隧道二極管和ECL集成電路，能產(chǎn)生幾十伏到幾百伏的高速器件有雪崩晶體三極管、階越恢復(fù)二極管和俘越二極管。但是這些方法設(shè)計(jì)的窄脈沖發(fā)生器脈寬固定，不能調(diào)節(jié)脈寬，給應(yīng)用帶來不便。為滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)脈寬的需要，本文設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡單且脈寬可調(diào)的窄脈沖發(fā)生電路，并利用multisim軟件進(jìn)行了仿真分析。

2 脈沖發(fā)生電路設(shè)計(jì)及仿真

2.1 采用555多諧振蕩器產(chǎn)生1kHz信號(hào)

由于555多諧振蕩器產(chǎn)生的方波可調(diào)性較好，而失真度較小。因此，先采用555多諧振蕩器產(chǎn)生所需頻率對(duì)應(yīng)的方波，這里選擇1kHz 作為需要的頻率。

多諧振蕩器產(chǎn)生1kHz方波電路如圖1所示，將R2調(diào)至6.7kΩ時(shí)由圖中元件參數(shù)可得周期T=0.69（R1+2R2）C≈1×10-3s，頻率則為f=1/T=1kHz。改變電路中的R2，頻率和占空比都將隨之變化。

利用multisim中的示波器對(duì)上述電路進(jìn)行仿真分析，仿真波形如圖2所示。圖中可以看出，其輸出波形的電壓幅值為5V，頻率為1kHz，占空比略大于50%，獲得了所要求的1kHz方波信號(hào)，可以作為后續(xù)電路的輸入信號(hào)。

2.2 與555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組合構(gòu)成窄脈沖發(fā)生電路

555單穩(wěn)態(tài)電路有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，是利用電容的充放電形成暫穩(wěn)態(tài)的，因此它的輸入端都帶有定時(shí)電阻和定時(shí)電容，常見的555單穩(wěn)電路有兩種：人工啟動(dòng)型和脈沖啟動(dòng)型，在此我們應(yīng)用的是脈沖啟動(dòng)型。脈沖啟動(dòng)型是將555芯片的6、7腳并接起來接在定時(shí)電容CT上，用2腳作輸入就成為脈沖啟動(dòng)型單穩(wěn)電路。如圖3所示，555芯片的2腳正常輸入為高電平，當(dāng)輸入為低電平或輸入負(fù)脈沖時(shí)才啟動(dòng)電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。將1kHz 的脈沖加入到單穩(wěn)態(tài)電路中555定時(shí)器的2腳，為了去掉輸入信號(hào)中的直流分量，在2腳之前串入一個(gè)電容。

改變電阻R1和電容C1的值可以改變輸出波形的占空比，經(jīng)過對(duì)圖3中單穩(wěn)態(tài)可調(diào)電阻R1 和電容C1的多次調(diào)節(jié)得出，在輸出波形較理想的前提下，當(dāng)R1=50Ω，C1=nf時(shí)，可以得到最窄的脈寬約為4us，電壓幅值保持為5V。仿真波形如圖4所示， X軸上面的波形是555多諧振蕩產(chǎn)生的1kHz方波，即單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入信號(hào)。X軸下面的是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖。輸出的波形中可以看到，經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器之后，脈沖寬度變?yōu)榱?us。用555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的脈寬只達(dá)到了微秒級(jí)，沒有得到納秒級(jí)的窄脈沖輸出。

2.3 或非門構(gòu)成的窄脈沖發(fā)生電路

通常由微分或積分電路組成的脈沖電路中都有一個(gè)開關(guān)如火花開關(guān)、IGBT等來控制電容的充放電周期，由于開關(guān)本身的結(jié)構(gòu)及參數(shù)限制，會(huì)導(dǎo)致脈沖寬度有限且不易控制。本文中通過將2個(gè)或非門和RC積分電路組合起來，而不需要開關(guān)器件就實(shí)現(xiàn)了窄脈沖輸出。電路如圖5所示，555定時(shí)器產(chǎn)生的1kHz方波順序經(jīng)過2個(gè)或非門后進(jìn)行輸出。由或非門的邏輯關(guān)系得出輸出端2與A、B端的邏輯關(guān)系為 ，輸出端2如要得到高電平，則圖中的A端需為低電平同時(shí)B端為高電平，但A端變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，B端的C1會(huì)通過小電阻R1迅速放電，從而B端由高電平迅速變?yōu)榱说碗娖?，也就形成了很窄的正脈沖輸出。正是由于RC積分電路和或非門的邏輯功能巧妙配合實(shí)現(xiàn)了簡單、穩(wěn)定的窄脈沖輸出，輸出的脈寬則取決于RC積分電路的電阻電容參數(shù)。

通過電路仿真，得出輸出端2的波形如圖6所示，R1=10Ω，C1=1nf時(shí)窄脈沖的脈寬約為10ns左右，電壓幅值為5V，此時(shí)脈沖的上升沿和下降沿都很陡，波形比較理想。該電路中可以通過調(diào)節(jié) 和 的值來改變脈寬，電阻電容的數(shù)值越小，脈寬就越小。在實(shí)際完成的硬件電路中，由泰克示波器TDS2012測(cè)得輸出脈沖波形如圖7所示，脈沖寬度小于10ns，電壓幅值約4.2V，但波形上升和下降比較慢。與仿真結(jié)果相比，由于或非門的輸入輸出等效電容效應(yīng)，減緩了波形上升和下降的速度，導(dǎo)致實(shí)際波形有一定失真。

3 結(jié)論

本文在555定時(shí)器產(chǎn)生1kHz方波基礎(chǔ)上，分別采用單穩(wěn)態(tài)電路和或非門（74LS02）組成的積分電路設(shè)計(jì)了窄脈沖發(fā)生電路，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)測(cè)。結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)組成的窄脈沖電路都實(shí)現(xiàn)了脈寬的大幅減小且幅值不變?；?55單穩(wěn)態(tài)的脈沖電路中，改變電阻R1和電容C1的值可以改變輸出波形的占空比，得到最窄的脈寬約為4us，電壓幅值為5V，用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的脈寬只達(dá)到了微秒級(jí)，沒有得到納秒級(jí)的窄脈沖輸出?；诨蚍情T組成的積分電路，則將RC積分性質(zhì)和或非門的邏輯功能巧妙結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了ns級(jí)窄脈沖輸出，輸出的脈寬可由RC調(diào)節(jié)，本文中得到的脈寬可達(dá)10ns左右而電壓幅值保持為5V。通過硬件電路實(shí)測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果，實(shí)測(cè)獲得了小于10ns的脈寬，電壓幅值下降不到1V，但波形有一定失真。因此基于或非門組成的積分電路不僅實(shí)現(xiàn)了ns級(jí)窄脈沖輸出，并且結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用前景，可用于脈沖電源中的驅(qū)動(dòng)、臭氧發(fā)生器、信號(hào)采集、同步觸發(fā)和激光電源驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。

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贛南師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院光電子材料與技術(shù)研究所 江西省贛州市 341000endprint