可實(shí)現(xiàn)高速矩形脈沖上升/下降沿時(shí)間可調(diào)電路的設(shè)計(jì)

周春梅

摘要：作為矩形脈沖信號(hào)的重要指標(biāo)，脈沖信號(hào)上升/下降沿時(shí)間越來(lái)越受到重視。本文提出一種對(duì)矩形脈沖信號(hào)上升/下降沿時(shí)間精密控制的電路設(shè)計(jì)。該電路基于二極管平衡電橋原理和電容充/放電荷的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)矩形脈沖信號(hào)上升/下降時(shí)間的控制。實(shí)驗(yàn)顯示該設(shè)計(jì)最終可實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)上升/下降時(shí)間在5ns至1ms范圍內(nèi)的可控調(diào)整。

關(guān)鍵詞：矩形脈沖；二極管平衡電橋；上升/下降沿

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）29-0231-02

隨著科技腳步的不斷邁進(jìn)，無(wú)線通信技術(shù)逐步成熟，通訊信號(hào)中不僅包含了正弦波信號(hào)，還有很多波形具備特殊形狀，通常把這些具備特殊的波形的非正弦波稱(chēng)為脈沖信號(hào)，對(duì)脈沖波形的產(chǎn)生、形成、測(cè)量和放大等問(wèn)題的研究稱(chēng)為脈沖技術(shù)。在無(wú)線通信體系中，脈沖技術(shù)充當(dāng)著重要的角色，如雷達(dá)、數(shù)字通訊、電子計(jì)算機(jī)和一系列電子設(shè)備中的應(yīng)用非常廣泛。對(duì)于脈沖信號(hào)的研究與分析，主要參數(shù)有脈沖幅度、脈沖重復(fù)周期、脈沖寬度、占空比系數(shù)、上升時(shí)間、下降時(shí)間等。其中脈沖上升時(shí)間是以脈沖幅度的10%上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間間隔，下降時(shí)間是以脈沖幅度的90%下降到10%所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。

本設(shè)計(jì)介紹了基于肖特基二極管平衡電橋原理、精密可控恒流源原理，通過(guò)控制電容網(wǎng)絡(luò)充/放電流大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)矩形脈沖信號(hào)上升/下降時(shí)間的5ns到1ms連續(xù)精密調(diào)節(jié)的電路設(shè)計(jì)。

1 電容充/放電特性及電路設(shè)計(jì)依據(jù)

脈沖信號(hào)是由若干個(gè)從開(kāi)始發(fā)生變化到逐漸趨于穩(wěn)態(tài)的過(guò)程所組成，此過(guò)程稱(chēng)為暫態(tài)過(guò)程，對(duì)于電路設(shè)計(jì)，要想得到暫態(tài)過(guò)程，必須有破壞穩(wěn)態(tài)的電路，也必須有電路去控制破壞穩(wěn)態(tài)的程度，所以本設(shè)計(jì)中的電路包含兩個(gè)主要組成部分，一個(gè)是開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)部分，用來(lái)破壞電路的穩(wěn)態(tài)，使電路產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)程，另外一個(gè)是惰性電路設(shè)計(jì)部分，用來(lái)控制暫態(tài)過(guò)程的形狀和變化的快慢。矩形脈沖波形可以看作有高/低電平兩個(gè)穩(wěn)態(tài)。高低電平之間的轉(zhuǎn)換表現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性為暫態(tài)，轉(zhuǎn)換時(shí)間反映為脈沖信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間。

電容是表征電容器容納電荷的能力的物理量，其壓降不可躍變，壓降變化快慢取決于電容充電的電流大小。電容電壓與電流之間存在一定關(guān)系，如公式（1）所示：

當(dāng)經(jīng)過(guò)電容的電流保持不變，恒定值為I時(shí)，得到電容值、電容兩端的電壓、電流、時(shí)間的關(guān)系式：CU=It（2）

根據(jù)上述公式（2），電容電壓變化時(shí)間t與電容充/放電電流I存在以下關(guān)系：t=CU/I（3）

根據(jù)上述公式（3），利用電容充放電的特性與原理，當(dāng)施壓在電容兩端的電壓改變時(shí)，通過(guò)改變對(duì)電容充/放電的恒定電流，便可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間t的調(diào)節(jié)控制，此時(shí)間t便是對(duì)脈沖信號(hào)上升/下降時(shí)間。

矩形脈沖信號(hào)在高低電平之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)碗娖睫D(zhuǎn)換到高電平時(shí)，需要恒流產(chǎn)生源對(duì)電容充電。當(dāng)高電平轉(zhuǎn)換到低電平時(shí)，需要恒流吸收源對(duì)電容放電。為了做到恒流吸收源與恒流產(chǎn)生源的切換，利用二極管單向?qū)ㄌ匦?，此處選用四個(gè)肖特基二極管，二極管參數(shù)選用一致，搭建平衡電橋電路，用脈沖信號(hào)作為平衡橋電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，便可以改變電橋的平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)恒流吸收源與產(chǎn)生源之間的切換。

因?yàn)榫匦蚊}沖信號(hào)對(duì)容性負(fù)載特別敏感，電路設(shè)計(jì)中首先解決好前后級(jí)電路的隔離，其次解決主通道阻抗匹配問(wèn)題，否則會(huì)影響到波形質(zhì)量。

2 主電路設(shè)計(jì)

2.1總體電路設(shè)計(jì)

沿控制電路原理電路由輸入隔離級(jí)電路、恒流產(chǎn)生源電路、恒流吸收源電路、二極管平衡電橋電路、調(diào)沿電容網(wǎng)絡(luò)電路、輸出隔離電路組成。

2.2二極管平衡電橋電路

平衡電橋的工作原理如圖，電橋四個(gè)二極管初始狀態(tài)全部導(dǎo)通的。當(dāng)節(jié)點(diǎn)a的電壓改變時(shí)，節(jié)點(diǎn)c的電壓將發(fā)生相同的變化，以使得二極管橋平衡。

當(dāng)輸入脈沖信號(hào)Vi為低電平時(shí)：二極管D1處于導(dǎo)通狀態(tài)，二極管D3處于截止?fàn)顟B(tài)，電流ID1全部通過(guò)二極管D1流入前級(jí)緩沖電路，二極管D2被截止，節(jié)點(diǎn)b的電壓與二極管D1的導(dǎo)通電壓之和即為節(jié)點(diǎn)a的電壓。此時(shí)電流ID2全部流經(jīng)二極管D4，與后級(jí)連接的電容網(wǎng)絡(luò)電路形成了回路，此時(shí)開(kāi)始放電，節(jié)點(diǎn)c電壓開(kāi)始下降，一直到當(dāng)節(jié)點(diǎn)a的電壓等于節(jié)點(diǎn)c的電壓時(shí)，二極管平衡電橋重新達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)放電過(guò)程結(jié)束。放電過(guò)程所用的時(shí)間即為矩形脈沖下降沿的時(shí)間。

當(dāng)輸入脈沖信號(hào)Vi為高電平時(shí)：二極管D3處于導(dǎo)通狀態(tài)，二極管D1處于截止?fàn)顟B(tài)，電流I2全部通過(guò)二極管D3流入到前級(jí)緩沖電路，節(jié)點(diǎn)d的電壓與二極管D3導(dǎo)通電壓之和即為節(jié)點(diǎn)a的電壓，二極管D4處于截至狀態(tài)。此時(shí)電流I1全部流經(jīng)二極管D2，與后級(jí)連接的電容網(wǎng)絡(luò)電路形成了回路，此時(shí)開(kāi)始充電，節(jié)點(diǎn)c的電壓也隨著充電過(guò)程開(kāi)始升高，一直到當(dāng)節(jié)點(diǎn)c的電壓等于節(jié)點(diǎn)a的電壓時(shí)，二極管平衡電橋重新達(dá)到平衡狀態(tài)，充電過(guò)程結(jié)束。充電過(guò)程所用的時(shí)間為矩形脈沖信號(hào)上升沿的時(shí)間。

利用二極管D2和二極管D4的交替導(dǎo)通，使得恒流產(chǎn)生源與恒流吸收源相互轉(zhuǎn)換，對(duì)電容進(jìn)行充電與放電之間切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)矩形脈沖信號(hào)上升沿時(shí)間與下降沿時(shí)間的控制。

2.3充/放電電容控制網(wǎng)絡(luò)

分析（3）式可知，對(duì)某一指定電容充/放電時(shí)間，受電容兩端的壓降和充/放電電流大小控制。由于設(shè)計(jì)電路的本身限制，電容兩端的電壓是保持恒定的。只有通過(guò)改變充/放電電流大小來(lái)控制電容充/放電時(shí)間。設(shè)計(jì)電路要求5ns到1ms上升/下降時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，因時(shí)間區(qū)間跨度太大，對(duì)單一的電容進(jìn)行充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流源難以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)電路通過(guò)增加電容數(shù)目，將充/放電時(shí)間分區(qū)間，根據(jù)不同的電容容值，其充放電時(shí)間的不同，便可以對(duì)各時(shí)間區(qū)間進(jìn)行粗調(diào)。

時(shí)間區(qū)間確定為5ns～25ns，25ns～210ns，210ns～2us，2us～20us，20us～200us，200us～1ms，對(duì)應(yīng)的電容值為1pF，150pF，1500pF，0.015uF，0.15uF，1uF。對(duì)的時(shí)間分區(qū)時(shí)，要充分考慮，恒流源的電流范圍和可以實(shí)現(xiàn)的時(shí)間調(diào)節(jié)的分辨率。由公式（2）可知，在同一時(shí)間區(qū)間內(nèi)，時(shí)間t與電流I成反比例關(guān)系。

為了實(shí)現(xiàn)各電容值的電容能夠獨(dú)立工作，降低他們相互之間的影響，此處利用NPN三級(jí)管獨(dú)特的開(kāi)關(guān)特性，保證電容可以及時(shí)地與沿控制電路連接或斷開(kāi)。由控制信號(hào)Ctrl合理的選擇電容接入沿控制電路，通過(guò)控制恒流源電流對(duì)電容充/放電時(shí)間的控制，實(shí)現(xiàn)在一定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)對(duì)脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間進(jìn)行細(xì)調(diào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

按照上述電路原理設(shè)計(jì)脈沖上升沿、下降沿時(shí)間控制電路，完成電路后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用美國(guó)泰克混合信號(hào)示波器 MSO4104B進(jìn)行測(cè)試，混合信號(hào)示波器輸入阻抗設(shè)置為50，電路輸出經(jīng)過(guò)MMCX和同軸線電纜與示波器相連，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為1MHz時(shí)，圖4、圖5、圖6給出輸出信號(hào)的測(cè)試結(jié)果。

通過(guò)混合信號(hào)示波器測(cè)試出的結(jié)果來(lái)看，測(cè)試值和理論計(jì)算值很相近，但還是存在一定的誤差，這主要由于肖特基二極管即便參數(shù)一致，但器件特性不完全一致所導(dǎo)致，在電路設(shè)計(jì)中不可避免地會(huì)存在運(yùn)放器件輸入電容，恒流源的穩(wěn)定特性、寄生電容、器件精度等多種因素的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)介紹了一種基于肖特基二極管的平衡電橋和可控恒流源設(shè)計(jì)的矩形脈沖信號(hào)沿控制電路，并實(shí)現(xiàn)了輸出矩形脈沖信號(hào)上升/下降時(shí)間在5ns～1ms范圍內(nèi)可控調(diào)整。

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【通聯(lián)編輯：張薇】