徐碧輝， 賈 陽， 秦友倫， 唐治海

（1.中國兵器裝備集團 自動化研究所有限公司，四川 綿陽 621000；2. 陸軍裝備部駐廣元地區(qū)軍事代表室，四川 廣元 628017）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展， 芯片的性能得到了快速提升，現(xiàn)階段已出現(xiàn)許多芯片可用于模擬信號的產(chǎn)生。在脈沖信號發(fā)生領(lǐng)域， 也出現(xiàn)了大量可用于脈沖信號產(chǎn)生的芯片，用這些芯片設(shè)計的脈沖信號發(fā)生器，可廣泛的用于各種信號模擬場合，例如干擾脈沖矩陣、引信模擬、振動模擬、碰撞模擬等。脈沖信號的幅度、邊沿、負(fù)載能力都直接影響到模擬試驗的結(jié)果。

現(xiàn)階段，脈沖信號發(fā)生器大都采用功能MOSFET 搭建而成， 這類脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號或負(fù)載能力有限，或體積龐大，或幅度、邊沿不可控，不利于重載模擬試驗的開展。本文針對上述缺點，提出了一種負(fù)載能力強的高速脈沖發(fā)生器的方法，根據(jù)這種方法，可制造出一種信號邊沿陡峭、負(fù)載能力強、幅度脈寬周期可調(diào)的脈沖信號發(fā)生器， 該脈沖發(fā)生器適用于中各種低壓的信號模擬場所，具有非常大的實用價值。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)概述

本脈沖信號發(fā)生器前端采用ARM 芯片作為主控制器，搭配外圍最小系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)置所需信號的幅度、寬度等信息。 后端用功率放大器、模擬開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、儲能電路等電路對信號進行調(diào)理，最終可得所需信號。 基于該方法設(shè)計的脈沖信號發(fā)生器，可產(chǎn)生一種信號幅度、信號寬度、信號周期均可調(diào)，且信號邊沿不大于50ns，驅(qū)動能力可達(dá)4A 的信號發(fā)生器。 圖1 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

從圖1 中可以看出， 該大電流脈沖發(fā)生器主要由ARM 芯片及周圍器件、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、模擬開關(guān)、放大器、脈沖幅度控制等組成。

2.1 ARM 及周邊電路介紹

在本設(shè)計的大電流脈沖信號發(fā)生器，主要采用ARM芯片來作為該脈沖發(fā)生器的核心處理器， 該處理器的作用為接收外界的設(shè)置命令，運算處理，控制輸出相應(yīng)的指令，讓后端電路響應(yīng)該指令，輸出所需的脈沖信號，具體實現(xiàn)方式如下：

圖1 中，時鐘為ARM 的系統(tǒng)時鐘，主要是為ARM 的工作提供一個時間刻度，ARM 處理器能根據(jù)這個時鐘刻度，進行數(shù)數(shù)，對脈沖周期、脈沖寬度、信號開關(guān)等信息進行設(shè)置。按鍵為系統(tǒng)的外置人機交互接口，通過該接口可對脈沖的幅度、周期、寬度等信息進行設(shè)置，用戶可在該接口上對所需的信號進行參數(shù)設(shè)定。 JTAG 接口為ARM 的程序燒錄接口，在脈沖信號發(fā)生器出廠前，可通過該接口對ARM進行初始化程序燒寫，讓ARM 在通電后可根據(jù)既定的程序邏輯進行運轉(zhuǎn)。 顯示接口為用戶互動接口，該接口為一個觸控屏，用戶可在該接口上對信號參數(shù)設(shè)定與查看，該接口是與上述的按鍵接口互為并列關(guān)系，用戶根據(jù)自己的喜好，兩種方式均可對信號參數(shù)進行設(shè)置。 ARM 為該大電流脈沖發(fā)生器收到按鍵或觸控顯示接口設(shè)置的脈沖相關(guān)信息后，在內(nèi)部進行計算，將脈沖的幅度信息通過SPI 總線傳輸至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將所需的脈沖開關(guān)指令、寬度指令發(fā)送至模擬開關(guān)，再經(jīng)過后端的調(diào)理電路獲得所需的信號。

2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路介紹

在該大電流脈沖發(fā)生器中， 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路主要是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電平信號。

這里數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用AD5620 芯片，AD5620 是一個12 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，采用單5V 電源供電，數(shù)字接口為SPI 接口， 模擬輸出為軌道軌的輸出， 其分辨率可達(dá)1.2mV，經(jīng)過后端的低倍數(shù)放大，在本設(shè)計中，運算放大器的設(shè)計倍數(shù)為幾倍，電壓經(jīng)后端運算放大器放大后，幅度的控制精度高于10mV，因此，在脈沖信號發(fā)生器前端，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)脈沖信號的原始電平， 可大幅度提高輸出脈沖信號的幅度精確度。

在本設(shè)計中，采用ARM 芯片設(shè)置參數(shù)，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出的產(chǎn)生一個固定的參考電源， 經(jīng)后端運算放大電路放大，實現(xiàn)輸出電壓可設(shè)置的功能。

同時，在數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片后設(shè)計了超級電容，對數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生所需電壓進行濾波儲能， 當(dāng)后端模擬開關(guān)瞬間打開時，提供足夠的電荷量，滿足模擬開關(guān)打開所需的瞬態(tài)能力， 防止模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸出的參考電壓源出現(xiàn)電源坍塌現(xiàn)象。

2.3 模擬開關(guān)

在本設(shè)計中， 模擬開關(guān)的作用主要是用于原始脈沖信號的產(chǎn)生， 這里的原始脈沖信號已具備輸出脈沖信號所需的陡峭的邊沿、脈沖的寬度、脈沖的周期等參數(shù)。 具體電路圖實現(xiàn)方式見圖2。

圖2 原始脈沖產(chǎn)生電路

選用TI 公司的TSA63157 芯片，具有體積小、價格低廉、開關(guān)速度快、控制簡單等特點，在本設(shè)計中，主要選取該芯片的開關(guān)速率參數(shù)， 該芯片在的打開與關(guān)斷時間分別為5.7ns 和3.8ns， 在這樣極短的時間進行開關(guān)狀態(tài)切換，為后續(xù)脈沖信號的陡峭邊沿提供了有力的保障。如圖2 所示，將前端數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、儲能電路產(chǎn)生的電源參考接在模擬開關(guān)的常開管腳NO 處， 模擬開關(guān)的常閉管腳NC 接地。 在可視化軟件中設(shè)置所需脈沖寬度、周期等信息，通過ARM 芯片的IO 腳控制開關(guān)接觸點的接觸位置，實現(xiàn)脈沖信號的原始脈沖。當(dāng)ARM 芯片控制模擬開關(guān)的COM 腳接在模擬開關(guān)的常開NO 管腳時，COM 端輸出高電平，且電平幅度等于NO 管腳的電壓，當(dāng)ARM 芯片控制模擬開關(guān)的COM 腳接在常閉NC 管腳時，COM 端輸出低電平，且電平幅度等于NC 管腳的電壓，且電平幅度為0V，依次類推，不斷切換，那么在模擬開關(guān)的COM 腳端即可得到一個邊沿陡峭的原始脈沖信號， 實測模擬開關(guān)的信號邊沿可達(dá)4.8ns，開關(guān)信號輸出的波形圖見圖3。

圖3 原始波形的信號邊沿圖

在脈沖信號的控制過程中，通過參數(shù)設(shè)定，控制ARM 芯片的IO 腳的高低切換頻率， 可實現(xiàn)模擬開關(guān)的輸出高低切換。 所需的脈沖周期、 頻率與ARM芯片控制模擬開關(guān)的觸點切換頻率、切換時間一致，即ARM 的IO 控制周期、頻率就是輸出脈沖信號的周期、頻率，本設(shè)計中，脈沖信號的頻率設(shè)定原則為脈沖前沿與脈沖后沿的時間差需大于200ns，滿足該條件，脈沖的參數(shù)值可任意設(shè)置。

2.4 放大器電路及幅度控制介紹

在前述模擬開關(guān)章節(jié)中，已實現(xiàn)了具備邊沿陡峭、周期頻率可設(shè)的原始脈沖信號， 但是該脈沖信號的驅(qū)動能力較弱，因此，在后端采用功率運算放大器電路，對原始脈沖進行放大，提高脈沖的驅(qū)動能力。在本設(shè)計中，運算放大器選用APEX公司的PA119， 該放大器供電電源范圍為±15V 到±40V，保證了輸出脈沖信號的幅度范圍，實現(xiàn)信號在-40V～40V之間控制。同時，PA119 具備4A 的輸出能力，讓輸出的脈沖信號具備較強的負(fù)載能力。PA119 的壓擺率高達(dá)900V/us， 在對原始脈沖放大時， 可最大程度的降低邊沿的損耗。 經(jīng)過實踐證明，初始脈沖經(jīng)過該放大器后，可產(chǎn)生邊沿為49ns 的±40V 脈沖信號。

3 軟件設(shè)計

在大電流脈沖信號發(fā)生器設(shè)計中，軟件主要是ARM內(nèi)部初始程序的編寫。ARM 的初始配置程序由C 語言進行軟件設(shè)計。 軟件在上電初始化后，等待人機交互接口的參數(shù)設(shè)定，待參數(shù)設(shè)定好后，對數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、模擬開關(guān)等硬件電路進行控制，實現(xiàn)信號的輸出，并且在顯示接口上顯示參數(shù)設(shè)定的結(jié)果，其邏輯框圖見圖4，上位機控制示意程序見圖5。

圖4 軟件控制邏輯

圖5 軟件界面

4 結(jié)束語

參照上述的設(shè)計思路， 進行了軟硬件實物驗證，結(jié)果表明，本設(shè)計基于PA119 放大器的快沿脈沖發(fā)生器具有電流大、邊沿陡、 體積小等特點， 并且該方式實現(xiàn)的脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號可精確的控制脈沖幅度， 還可實現(xiàn)對脈沖寬度及周期的控制，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目的。