一種快沿脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計

一種快沿脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計

徐碧輝，李廷凱，周加誼
（中國兵器工業(yè)第五八研究所 四川 綿陽621000）

針對目前國內(nèi)外許多快沿脈沖信號發(fā)生器體積龐大、價格昂貴、可靠性差等缺點(diǎn)，設(shè)計了一種快沿脈沖信號發(fā)生器。采用浮地思想，上位機(jī)通過PCI總線，設(shè)置脈沖的幅度、脈沖寬度等參數(shù)，并控制FPGA輸出脈沖源的原始脈沖，原始通過光電耦合器、功率管驅(qū)動芯片等硬件調(diào)理電路調(diào)理后，驅(qū)動功率MOSFET的柵極，讓其迅速打開，形成所需的快沿脈沖信號。測試結(jié)果證明，該快沿脈沖發(fā)生器具有體積小、成本低、可靠性高等特點(diǎn)，并且可實(shí)現(xiàn)對脈沖信號的幅度、脈沖寬度的調(diào)節(jié)。

光電隔離耦合；浮地；快沿脈沖；脈沖信號發(fā)生器

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，快沿脈沖技術(shù)在核爆模擬、量子物理、雷達(dá)、高速數(shù)據(jù)通信、航天信息等領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，具有重要的實(shí)用價值。傳統(tǒng)的快沿脈沖信號源大都為真空管，如放電間隙開關(guān)、觸發(fā)管、氫閘管等，在這些設(shè)計之中，主要是提高開關(guān)速度，獲取所需的脈沖信號[1-3]。但是這類設(shè)計有體積大、成本高、可靠性差等缺點(diǎn)。近年來，半導(dǎo)體不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)也得到了完善，在脈沖信號源領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用[4-6]。筆者介紹了一種基于光電隔離技術(shù)，采用浮地的思想，用功率MOSFET作為脈沖發(fā)生器的開關(guān)，設(shè)計了一種成本低、體積小、可靠性高，并且脈沖寬度及幅度可調(diào)的快沿脈沖發(fā)生器，具有一定的推廣意義。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)概述

本設(shè)計采用上位機(jī)采用上位機(jī)控制板集子卡的方式，所述的上位機(jī)可采用標(biāo)準(zhǔn)6U CPCI主板即可。圖1是本設(shè)計的一種基于光電隔離的快沿脈沖發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該板卡采用CPCI結(jié)構(gòu)，通過PCI橋芯片PLC9054與上位機(jī)進(jìn)行交互，再通過FPGA進(jìn)行本地信息處理，經(jīng)過硬件電路的調(diào)理，輸出輸出一種脈寬、幅度可調(diào)的快沿脈沖信號，其幅度可設(shè)定范圍為0～130 V，脈沖寬度最小可設(shè)定為100 ns。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件電路設(shè)計

文中在此對硬件電路的介紹主要介紹脈沖產(chǎn)生電路。如圖2脈沖硬件電路圖中可以看出，快沿脈沖發(fā)生器主要硬件結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)總線、處理器、隔離電路、驅(qū)動電路、隔離電源、數(shù)字電位器、高壓電源模塊、儲能電路、脈沖產(chǎn)生器。

圖2 脈沖硬件電路圖

2.1 處理器介紹

處理器主要包括FPGA芯片及外圍電路，上位機(jī)通過應(yīng)用軟件設(shè)置的脈沖幅度值、脈沖寬度、脈沖開關(guān)等信息通過PCI總線發(fā)送至PCI橋芯片PLC9054，經(jīng)過橋芯片的信息轉(zhuǎn)換，把PCI總線信息轉(zhuǎn)換為本地總線信息，發(fā)送至FPGA處理器單元，F(xiàn)PGA對信息進(jìn)行再處理，獲得控制脈沖的幅度、脈寬、開關(guān)等相關(guān)參數(shù)，在相應(yīng)的邏輯中設(shè)定值。在該設(shè)計中的處理器單元中FPGA芯片型號采用美國賽靈思半導(dǎo)體生產(chǎn)的XC7A200T-2FBG676I。

2.2 隔離電路介紹

鑒于對最終輸出脈沖信號的上升沿要求極高，如何讓原始脈沖信號經(jīng)過調(diào)理電路后，獲得所需的快沿脈沖信號并使后端高電壓區(qū)域?qū)Φ碗妷簠^(qū)域無影響是十分關(guān)鍵的。

筆者采用安華高科的單通道高速光耦合器6N137及周圍電路，將低壓與高壓區(qū)域在板卡上隔離開，解決輸出端的高頻高能量的脈沖對低壓端的影響問題。同時芯片6N137轉(zhuǎn)換速率高（10MBit/S）、壓擺率高（10KV/us）等特點(diǎn)，使耦合后的信號保持原有的脈沖寬度及陡峭的上升沿，是后端產(chǎn)生快沿脈沖信號的先決條件，圖3為光耦外圍電路概略圖。

圖3 光耦電路圖

2.3 柵極驅(qū)動電路介紹

柵極驅(qū)動電路主要包括柵極驅(qū)動芯片及外圍電路。柵極驅(qū)動芯片采用TI公司的UCC27524DGN，此處對前端光電隔離產(chǎn)生的隔離脈沖信號進(jìn)行再處理，形成一個快沿5 V脈沖信號，驅(qū)動后端的快沿脈沖產(chǎn)生器中的MOSFET的柵極，從而打開功率MOSFET。柵極驅(qū)動芯片產(chǎn)生的驅(qū)動脈沖信號上升沿能達(dá)到7 ns，下降沿8 ns，其峰值驅(qū)動電流能達(dá)到5 A，能快速的將后端功率MOSFET的柵極電容迅速的充滿，打開功率MOSFET。

2.4 隔離電源介紹

隔離電源主要由隔離電源芯片及外圍電路構(gòu)成，運(yùn)用浮地的思想，將最終輸出的快沿脈沖信號作為隔離電源芯片參考地，輸出一個基于脈沖信號作為零電勢點(diǎn)的5 V電源，該電源給光電隔離電路、柵極驅(qū)動電路。隔離電源芯片采用TI公司的DCR021205P-U，采用12 V供電、隔離度為1000 V、輸出功率為2 W，具有高效率、短路保護(hù)、低噪、高可靠等特點(diǎn)，為脈沖調(diào)理電路中提供穩(wěn)定的電源，是整個系統(tǒng)關(guān)鍵性的功能模塊。

2.5 脈沖幅度控制模塊介紹

脈沖幅度控制模塊主要由數(shù)字電位器、高壓電源模塊及外圍供電濾波電路構(gòu)成。脈沖幅度的控制原理主要是通過控制功率MOSFET源極的電壓值，從而控制輸出脈沖的幅度。源極電壓值由高壓電源模塊提供，筆者使用的是天津東文公司的寬幅度可調(diào)電源模塊，型號為DW-P131-25CM6，該電源模塊采用12 V電源輸入，輸出電源電壓幅度范圍為0～130 V，對其參考電平5 V進(jìn)行電阻分壓，反饋至電源模塊反饋腳，即可輸出不同幅度的電壓值。FPGA接收到上位機(jī)設(shè)定脈沖幅度的指令，通過SPI總線發(fā)送至數(shù)字電位器，寄存在寄存器中，并設(shè)置數(shù)字電位器的電阻偏離值，設(shè)定電阻值，來改變高壓電源模塊反饋電壓處的分壓電阻的大小。數(shù)字電位器采用ADI公司的AD5293，該芯片數(shù)字接口為通用SPI接口，數(shù)字接口功能簡單、溫漂小、可變電阻范圍廣、精度可達(dá)1%，能對參考電平進(jìn)行精確的分壓，從而使高壓電源模塊輸出的電壓值穩(wěn)定。

2.6 儲能電路介紹

儲能電路主要由瓷片電容形成。當(dāng)功率MOSFET迅速打開形成輸出信號陡峭的上升沿，所需的瞬間電流量高達(dá)幾安培，一般的低壓轉(zhuǎn)高壓的電源模塊很難做到高功率輸出，此時電容儲能就非常有必要。筆者選用幾顆10 uF的陶瓷電容儲能，具有放電快的特點(diǎn)，在開啟MOSFET的時，提供充足的瞬時電流，為輸出信號的陡峭前沿上升沿作保障。

2.7 脈沖產(chǎn)生電路

前面已經(jīng)對脈沖產(chǎn)生電路的前端的調(diào)理電路進(jìn)行了介紹，但是在該設(shè)計中最為關(guān)鍵的是脈沖產(chǎn)生電路，電路中的選型及PCB走線關(guān)系著該設(shè)計的成敗。

脈沖產(chǎn)生電路主要由功率MOSFET及外圍電路構(gòu)成。在柵極驅(qū)動電路中產(chǎn)生的驅(qū)動脈沖信號迅速的對功率MOSFET的柵極電容進(jìn)行充電，迅速滿足源極與柵極導(dǎo)通的條件，使功率MOSFET的漏極與源極迅速導(dǎo)通，源極電壓上升，形成所需的納秒級脈沖前沿，輸出得到最終的脈沖信號。另外該脈沖信號還將作為光電隔離電路、柵極驅(qū)動電路、隔離電源模塊電路的參考地。筆者選用Fairchild公司的FDP2572作為脈沖產(chǎn)生的開關(guān)，F(xiàn)DP2572的柵極電容很小，是形成陡峭的前沿上升沿的先決條件。

3 軟件設(shè)計

在快沿脈沖發(fā)生器中，軟件設(shè)計主要包括上位機(jī)頂層軟件與FPGA邏輯軟件。

3.1 頂層軟件設(shè)計

頂層軟件包由3部分構(gòu)成：板卡動態(tài)鏈接庫，配套的驅(qū)動程序以及上層應(yīng)用程序。應(yīng)用程序主要是對動態(tài)鏈接庫接口的驗(yàn)證和應(yīng)用。驅(qū)動程序針對不同的系統(tǒng)應(yīng)用，驅(qū)動程序不同。在這里，只對動態(tài)鏈接庫功能接口的介紹。采用C語言進(jìn)行編寫，遵循軟件的模塊化、可移植化等原則，動態(tài)鏈接庫的功能接口主要包括打開板卡功能接口、脈沖信號的參數(shù)功能接口、脈沖信號的功能開關(guān)接口、FPGA配置FLASH燒寫配置文件的功能接口、關(guān)閉板卡功能接口，如圖4所示。

圖4 動態(tài)鏈接庫架構(gòu)示意圖

3.2 FPGA軟件設(shè)計

筆者在該系統(tǒng)中的FPGA程序中使用VHDL語言進(jìn)行軟件設(shè)計，邏輯軟件功能主要為對脈沖的幅度及脈沖寬度的設(shè)定，以及對脈沖幅度的校準(zhǔn)，在配置FPGA的FLASH配置空間中寫入幅度參數(shù)文件。

圖5FPGA架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)上電之后，F(xiàn)PGA進(jìn)行初始化加載程序，進(jìn)行對脈沖參數(shù)燒寫、脈沖參數(shù)設(shè)定、脈沖使能狀態(tài)寄存器的監(jiān)視，獲得相應(yīng)的狀態(tài)指示，然后進(jìn)行下一步操作。在該快沿脈沖發(fā)生器的FPGA程序中，在FPGA的配置FLASH的空間中開辟了一塊空間，供脈沖幅度的燒入，即為當(dāng)輸出幅度與預(yù)期幅度值不一致時，可用上位機(jī)對幅度值的矯正。

4 結(jié)束語

文中給出了基于光電隔離的快沿脈沖發(fā)生器的基本設(shè)計方法，實(shí)現(xiàn)快沿脈沖的產(chǎn)生，該快沿脈沖發(fā)生器成本低、可靠性高、體積小，并可對脈沖寬度及幅度的控制，具有較好的工程應(yīng)用價值。該方法已經(jīng)成功的在某產(chǎn)品上運(yùn)行，該脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號圖的前沿上升沿，可達(dá)到20 ns以內(nèi)。

[1]楊清熙，王慶國，周星.基于雪崩晶體管產(chǎn)生快沿脈沖的電路參數(shù)分析[J].微波學(xué)報，2014，30（1）:59-63.

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A design of a fast pulse generator

XU Bi-hui，LI Ting-kai，ZHOU Jia-yi
（No.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

For many fast edge pulse signal generators in home and abroad are bulky，expensive，poor reliability shortcomings etc，a fast edge pulse signal generator is designed.Using an idea of floating ground，PC can set amplitude and width through the PCI bus，and using FPGA to export a initial pulse.This initial puls alongs the regulative hardware，and driving the gate of MOSFET.The MOSFET is opened quickly，forming a fast edge pulse signal required.The test results show that the fast pulse generator has many characteristics such as small body，low price，high reliability etc，which can control the width and amplitude of the pulse.

photoelectric coupler；floating groud；fast pulse；pulse generator

TN86

A

1674－6236（2016）18-0066-03

2015-09-24 稿件編號：201509170

徐碧輝（1987—），男，四川簡陽人，工程師。研究方向：工業(yè)控制計算機(jī)和軍用特種計算機(jī)。