频率可调的快速方波电脉冲发生器-

1 本 科 毕 业 论 文（设计） 题目: 频率可调的快速方波电脉冲发生器 姓名: 专业: 测控技术与仪器

学院: 光电工程学院 学号: 指导教师: 职称：

2012年 4 月 15 日 2

目录 摘要................................................................ 4 一、前言............................................................ 4 二、设计应用与指标.................................................. 5 三、总体结构........................................................ 6 四、各模块电路分析.................................................. 6 （一）内触发振荡电路 ............................................ 7 （二）手动按键触发 .............................................. 8 （三）触发方式选择电路 .......................................... 8 （四）单稳态多谐振荡器 .......................................... 9 (五)快速触发信号产生电路 ...................................... 10 （六）可调延迟线 （七）方波成形电路 （八）低压稳压电源电路 （九）高压稳压电源电路

五、全文总结和建议................................................. 17 （一）总结 ..................................................... 17 （二）给实际研究方案的建议 ..................................... 17 致谢............................................................... 17 参考文献........................................................... 17 Abstract........................................................... 18 3

摘要 本文对基于绝缘薄膜开关的方波脉冲发生器的设计及整体结构作了较详细的 介绍, 并分析了方波发生器放电回路杂散参数对方波前沿的影响。整机可产生幅值 115~ 8kV、前沿小于115ns、脉宽40ns 的方波脉冲。 关键词: 薄膜开关; 高电压; 方波发生器

一、前言

脉冲信号是一种离散信号，形状多种多样，与普通模拟信号（如正弦波）相比，波

形之间在时间轴不连续（波形与波形之间有明显的间隔）但具有一定的周期性是它的特点。最常见的脉冲波是矩形波（也就是方波）。脉冲信号可以用来表示信息，也可以用来作为载波，比如脉冲调制中的脉冲编码调制（PCM），脉冲宽度调制（PWM）等等，还可以作为各种数字电路、高性能芯片的时钟信号。 所谓脉冲信号表现在平面坐标上就是一条有无数断点的曲线,也就是说在周期性的一些地方点的极限不存在,比如锯齿波,也有电脑里用到的数字电路的信号,0,1。脉冲信号,也就是像脉搏跳动这样的信号，相对于直流，断续的信号，如果用水流形容，直流就是把龙头一直开着淌水，脉冲就是不停的开关龙头形成水脉冲。 你把手电打开灯亮，这是直流，你不停的开关灯亮、熄，就形成了脉冲，开关速度的

快慢就是脉冲频率的高低。

二、设计应用与指标 随着科学技术的发展, 在许多科学研究领域和军事技术中, 脉冲前沿在纳秒一级的脉冲技术得到广泛应用, 如核物理和电子导弹的研究及电磁脉冲的测量等, 这就需要对脉冲进行准确测量。在高电压技术中, 快速变化的电压和电流波形的测量特别困难, 一般采用分压器和分流器等。但要准确测量, 就要求测量系统必须具有良好的方波响应, 否则会因响应特性不好造成误差和波形失真等。方波响应的测定一般利用方波发生器。目前大多采用汞润开关作为方波发生器的开关元件工。这种方波易于产生, 但由于汞润开关耐压较低, 方波电压幅值只有一。如果用这样的方波作为方波响应的信号源, 测量系统的输出信号很微弱, 且易受外界干扰, 测量系统的响应时间就难以准确测量。而高压方波响应实验中, 测量系统的输出电压较高, 高压方波又比较接近实际情况, 提高了方波响应的可信度。因此, 采用高压方波要优于低压方波。方波响应测定时, 要求方波的上升时间应小于测量系统所要求的响应时间的五分之一。因此, 对于上升前沿为几纳秒、几十纳秒的高压陡波的测量系统来说, 就需要一种新型的高压亚纳秒前沿的方波来测定其响应特性。 本文研究的频率可调快速方波电脉冲发生器是根据传输线原理, 通过高压放电管 4

对欧姆负载放电而制作的。它生成的方波电脉冲频率可调分别为10HZ、100HZ、1kHZ、10kHZ和100kHZ五档， 幅度50v，前后沿小于300ps。由它产生的矩形脉冲不仅幅值较高, 而且方波脉冲宽度可调并上升前沿要优于一些高压方波。它经常用于高速设备中的“开门”脉冲和其他要求快速触发的设备，如高速示波器，还可以用于高压脉冲测量系统的方波响应, 还可通过变换充放电回路参数和脉冲放电管, 得到不同脉宽和幅值的矩形脉冲, 可用于雷达、电磁干扰等方面的研究。

三 系统整体结内触发振荡电路

手动按键外部触发信号接口

触发方式选择电路单稳态多

谐振荡器

快速触发信号产生电路

可调延迟

线

脉宽可调

方波成形电路供外部设备使用的正触发脉冲快速方

波输出

低压稳压电源电路

高压稳压电源电路

1. 内触发振荡电路 该电路由一片集成运放电路芯片和一些外围的电阻电容原件构成多谐振荡器，振荡频率可调，分为10HZ、100HZ、1kHZ、10kHZ和100kHZ五档可调，且每一档可微调；输出信号幅度为5v，用来提供内触发方式时的内触发信号。

2. 手动按键

由常开按钮按键和一些电容电阻组成。按键每按下一次输出一个正向脉冲，用作手

动单次触发时的手动触发信号。

3. 外部触发信号接口 5

本系统提供一路外触发信号输入接口，该接口为SMA接头，并通过同轴电缆输入系统

内部。

4. 触发方式选择电路

该电路由单刀多掷开关实现；功能是从内触发方式，手动单次触发方式和外部信号触

发方式中选择一种为系统提供触发信号。输出的触发信号的频率和幅度与所选择的触发方式提供的信号一致。

5. 单稳态多谐振荡电路 该电路由74HC123和一些电容电阻组成单稳态多谐振荡器。功能是接受触发信号后输出脉宽和幅度不变的脉冲信号，其宽度由电容和电容的参数值决定。触发信号由触发方式选择电路输出。

6. 快速触发信号产生电路 该电路由二极管、快速三极管和一些电容电感电阻原件构成。其功能为产生两路快前沿脉冲信号：一路为10V的负脉冲信号经过可调延迟线后去触发系统的方波成形电路；另一路为正脉冲经SMA接头输出给外部设备使用。

7. 可调延迟线 由八个双刀双掷开关和同轴线串联而成，共分0.1ns、0.2ns、0.4ns、0.8ns、1.6ns、3.2ns、6.4ns、12.8ns八个延迟档可供累加调节。用于将快速触发信号产生电路产生的负脉冲进行一定的延时后输出给方波成形电路。

8. 方波成形电路 该电路由耦合电感电容电阻三极管元件及充电线组成。耦合电感可以耦合信号过滤低频选择高频信号，再配合充电线产生脉宽可调的快速方波。快速方波的幅度为50V，前后沿小于300PS，脉冲宽度由充电线的长度决定。

9. 低压稳压电源电路 本电路主要由一些三极管二极管以及若干电容电阻元件组成。其功能是为内触发震荡电路提供低压，使当选择内触发方式时生成内触发信号。同时也给单稳态多谐振荡器提供低压，生成脉宽和幅度不变的脉冲信号。 6

10. 高压稳压电源电路 本电路主要由LM7815、LM7812、LM7805、LM7915、LM912和一些二极管及电容电阻元件组成。功能是为快速触发信号电路提供高压，使从单稳态多路振荡生成的脉冲信号经快速触发信号产生电路产生两路快前沿脉冲信号；以及为方波成形电路提供高压，使从可调延迟线生成的负脉冲经过方波成形电路产生最终需要的方波。

四、各模块电路分析

本章分别对本设计“频率可调的快速方波脉冲发生器”主要的九个模块电路进行具体分析。主要展示它们的电路图和阐述它们的内部工作原理，以及关键元件的介绍和特性。

（一） 内触发振荡电路

15k1k

8.2k100k100p~1u

15k15k5vUoU+Uc

R1R2

R3R4

R5

首先我们来分析一下内触发振荡电路的工作原理，首先来看一下电路整体架构，电路整体是由一片集成运放和另外的一些阻容元件构成的。因为电路工作在振荡状态，所以说集成运放也就工作在了非线性状态，也就是它的输出脚7脚输出的电平要么为电源电压，要么为0V，就这两个状态。所以咱们可以通过这两个状态分别来考察一下整体电路的工作原理。首先来分析一下，