周春梅

摘要：作為矩形脈沖信號的重要指標，脈沖信號上升/下降沿時間越來越受到重視。本文提出一種對矩形脈沖信號上升/下降沿時間精密控制的電路設計。該電路基于二極管平衡電橋原理和電容充/放電荷的特性，實現(xiàn)對矩形脈沖信號上升/下降時間的控制。實驗顯示該設計最終可實現(xiàn)脈沖信號上升/下降時間在5ns至1ms范圍內的可控調整。

關鍵詞：矩形脈沖；二極管平衡電橋；上升/下降沿

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）29-0231-02

隨著科技腳步的不斷邁進，無線通信技術逐步成熟，通訊信號中不僅包含了正弦波信號，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為脈沖信號，對脈沖波形的產生、形成、測量和放大等問題的研究稱為脈沖技術。在無線通信體系中，脈沖技術充當著重要的角色，如雷達、數(shù)字通訊、電子計算機和一系列電子設備中的應用非常廣泛。對于脈沖信號的研究與分析，主要參數(shù)有脈沖幅度、脈沖重復周期、脈沖寬度、占空比系數(shù)、上升時間、下降時間等。其中脈沖上升時間是以脈沖幅度的10%上升到90%所經歷的時間間隔，下降時間是以脈沖幅度的90%下降到10%所經歷的時間間隔。

本設計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，通過控制電容網絡充/放電流大小，實現(xiàn)對矩形脈沖信號上升/下降時間的5ns到1ms連續(xù)精密調節(jié)的電路設計。

1 電容充/放電特性及電路設計依據(jù)

脈沖信號是由若干個從開始發(fā)生變化到逐漸趨于穩(wěn)態(tài)的過程所組成，此過程稱為暫態(tài)過程，對于電路設計，要想得到暫態(tài)過程，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，所以本設計中的電路包含兩個主要組成部分，一個是開關電路設計部分，用來破壞電路的穩(wěn)態(tài)，使電路產生暫態(tài)過程，另外一個是惰性電路設計部分，用來控制暫態(tài)過程的形狀和變化的快慢。矩形脈沖波形可以看作有高/低電平兩個穩(wěn)態(tài)。高低電平之間的轉換表現(xiàn)開關特性為暫態(tài)，轉換時間反映為脈沖信號的上升時間和下降時間。

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系，如公式（1）所示：

當經過電容的電流保持不變，恒定值為I時，得到電容值、電容兩端的電壓、電流、時間的關系式：CU=It（2）

根據(jù)上述公式（2），電容電壓變化時間t與電容充/放電電流I存在以下關系：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，當施壓在電容兩端的電壓改變時，通過改變對電容充/放電的恒定電流，便可以實現(xiàn)時間t的調節(jié)控制，此時間t便是對脈沖信號上升/下降時間。

矩形脈沖信號在高低電平之間進行轉換。當?shù)碗娖睫D換到高電平時，需要恒流產生源對電容充電。當高電平轉換到低電平時，需要恒流吸收源對電容放電。為了做到恒流吸收源與恒流產生源的切換，利用二極管單向導通特性，此處選用四個肖特基二極管，二極管參數(shù)選用一致，搭建平衡電橋電路，用脈沖信號作為平衡橋電路的驅動信號，便可以改變電橋的平衡狀態(tài)，從而實現(xiàn)恒流吸收源與產生源之間的切換。

因為矩形脈沖信號對容性負載特別敏感，電路設計中首先解決好前后級電路的隔離，其次解決主通道阻抗匹配問題，否則會影響到波形質量。

2 主電路設計

2.1總體電路設計

沿控制電路原理電路由輸入隔離級電路、恒流產生源電路、恒流吸收源電路、二極管平衡電橋電路、調沿電容網絡電路、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，電橋四個二極管初始狀態(tài)全部導通的。當節(jié)點a的電壓改變時，節(jié)點c的電壓將發(fā)生相同的變化，以使得二極管橋平衡。

當輸入脈沖信號Vi為低電平時：二極管D1處于導通狀態(tài)，二極管D3處于截止狀態(tài)，電流ID1全部通過二極管D1流入前級緩沖電路，二極管D2被截止，節(jié)點b的電壓與二極管D1的導通電壓之和即為節(jié)點a的電壓。此時電流ID2全部流經二極管D4，與后級連接的電容網絡電路形成了回路，此時開始放電，節(jié)點c電壓開始下降，一直到當節(jié)點a的電壓等于節(jié)點c的電壓時，二極管平衡電橋重新達到平衡狀態(tài)，此時放電過程結束。放電過程所用的時間即為矩形脈沖下降沿的時間。

當輸入脈沖信號Vi為高電平時：二極管D3處于導通狀態(tài)，二極管D1處于截止狀態(tài)，電流I2全部通過二極管D3流入到前級緩沖電路，節(jié)點d的電壓與二極管D3導通電壓之和即為節(jié)點a的電壓，二極管D4處于截至狀態(tài)。此時電流I1全部流經二極管D2，與后級連接的電容網絡電路形成了回路，此時開始充電，節(jié)點c的電壓也隨著充電過程開始升高，一直到當節(jié)點c的電壓等于節(jié)點a的電壓時，二極管平衡電橋重新達到平衡狀態(tài)，充電過程結束。充電過程所用的時間為矩形脈沖信號上升沿的時間。

利用二極管D2和二極管D4的交替導通，使得恒流產生源與恒流吸收源相互轉換，對電容進行充電與放電之間切換，實現(xiàn)對矩形脈沖信號上升沿時間與下降沿時間的控制。

2.3充/放電電容控制網絡

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

時間區(qū)間確定為5ns～25ns，25ns～210ns，210ns～2us，2us～20us，20us～200us，200us～1ms，對應的電容值為1pF，150pF，1500pF，0.015uF，0.15uF，1uF。對的時間分區(qū)時，要充分考慮，恒流源的電流范圍和可以實現(xiàn)的時間調節(jié)的分辨率。由公式（2）可知，在同一時間區(qū)間內，時間t與電流I成反比例關系。

為了實現(xiàn)各電容值的電容能夠獨立工作，降低他們相互之間的影響，此處利用NPN三級管獨特的開關特性，保證電容可以及時地與沿控制電路連接或斷開。由控制信號Ctrl合理的選擇電容接入沿控制電路，通過控制恒流源電流對電容充/放電時間的控制，實現(xiàn)在一定的時間區(qū)間內對脈沖信號的上升沿時間、下降沿時間進行細調。

3 實驗結果和分析

按照上述電路原理設計脈沖上升沿、下降沿時間控制電路，完成電路后進行實驗驗證，使用美國泰克混合信號示波器 MSO4104B進行測試，混合信號示波器輸入阻抗設置為50，電路輸出經過MMCX和同軸線電纜與示波器相連，當輸入信號頻率為1MHz時，圖4、圖5、圖6給出輸出信號的測試結果。

通過混合信號示波器測試出的結果來看，測試值和理論計算值很相近，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致，在電路設計中不可避免地會存在運放器件輸入電容，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 結束語

該設計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計的矩形脈沖信號沿控制電路，并實現(xiàn)了輸出矩形脈沖信號上升/下降時間在5ns～1ms范圍內可控調整。

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【通聯(lián)編輯：張薇】