高準(zhǔn)確度可程控延遲快前沿外觸發(fā)脈沖信號源的設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)原理

　　隨著各種高新前沿技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的固定延遲時(shí)間的快前沿脈沖源，已不能滿足需要，常常需要在一定范圍內(nèi)可對延遲時(shí)間進(jìn)行任意設(shè)置。一般講來常規(guī)的設(shè)計(jì)有兩種方法。一是將多個(gè)具有不同延遲時(shí)間的固定延遲脈沖產(chǎn)生電路單元，組合成一個(gè)可程控的電路，通過計(jì)算機(jī)的控制來獲得不同延遲時(shí)間的快沿脈沖輸出，但很難達(dá)到高準(zhǔn)確度的延遲時(shí)間和較好的快沿特性以及較高的脈沖形狀的一致性。主要原因是在多個(gè)固定延遲單元電路的接入點(diǎn)處，不管是電子式還是機(jī)械式開關(guān)，其接觸電阻都是一個(gè)隨機(jī)參數(shù)，并且該參數(shù)還受到電路周圍環(huán)境的影響，從而使輸出的脈沖前沿和延遲時(shí)間產(chǎn)生較大的隨機(jī)誤差，并且很難消除。而且采用這種方法所設(shè)計(jì)的電路復(fù)雜、體積也較大。二是制作一個(gè)具有較長延遲時(shí)間的脈沖產(chǎn)生電路，在電路的不同延遲時(shí)間部位處引出具有不同延遲時(shí)間的信號，再由計(jì)算機(jī)根據(jù)用戶的需求，將所需延遲時(shí)間的脈沖接入后續(xù)的輸出放大電路，以獲得所需的信號。這種設(shè)計(jì)方法仍然存在前一種設(shè)計(jì)方法中相同的問題，而且對工藝提出了更高的要求。傳統(tǒng)方法的電路是用分離元件構(gòu)成和傳統(tǒng)工藝制作，要獲得納秒級延遲時(shí)間的脈沖是十分困難的。

　　DALLAS公司的DS1023S可編程延遲線芯片既具有長延遲的快沿脈沖延遲電路的各種性能，又具有與計(jì)算機(jī)通訊和接受控制的特性，采用這種芯片，可以設(shè)計(jì)出高準(zhǔn)確度可程控延遲快沿脈沖信號源。

　　系統(tǒng)原理及組成　　

　　本脈沖信號源主要由納秒級延遲脈沖產(chǎn)生放大輸出電路、微秒級延遲脈沖產(chǎn)生放大輸出電路以及系統(tǒng)控制電路三部分組成。納秒級延遲脈沖產(chǎn)生放大輸出電路和微秒級延遲脈沖產(chǎn)生放大輸出電路是兩個(gè)完全獨(dú)立的電路，它們可以同時(shí)使用。納秒級和微秒級的延遲時(shí)間均可以通過鍵盤進(jìn)行設(shè)置，并通過各自的顯示器進(jìn)行顯示。高準(zhǔn)確度可程控延遲快前沿脈沖信號源原理框圖如圖1所示。

　　納秒級延遲脈沖產(chǎn)生放大輸出電路

　　納秒級延遲脈沖產(chǎn)生放大輸出電路由觸發(fā)脈沖整形電路、納秒級參考和延遲脈沖形成電路，以及參考與延遲脈沖輸出放大電路組成。

　　觸發(fā)脈沖整形電路完成對由外觸發(fā)輸入端送入的±(5～25)V脈沖信號的整形鎖定，形成一個(gè)具有一定前沿和寬度的規(guī)則脈沖送入納秒級參考和延遲脈沖形成電路的輸入端。原理如圖2所示。

　　納秒級參考和延遲脈沖形成電路產(chǎn)生參考脈沖和延遲時(shí)間在0～250ns步進(jìn)為1ns的延遲脈沖，由DS1023S構(gòu)成。DS1023S是一個(gè)8位可編程延遲芯片，延遲時(shí)間可由計(jì)算機(jī)通過并行方式或串行方式進(jìn)行編程控制。由于系統(tǒng)控制相對簡單，故選用實(shí)時(shí)功能較強(qiáng)的單片機(jī)97C2051作為系統(tǒng)的中心處理器。DS1023S與97C2051單片機(jī)接口如圖3所示。為了獲得高準(zhǔn)確度的延遲，采用DS1023S提供的延遲參考輸出功能，可以最大限度的減少當(dāng)輸入信號電平發(fā)生變化時(shí)，輸入到輸出間的測量延遲時(shí)間將會因過渡時(shí)間的變化而發(fā)生的顯著改變，同時(shí)還可消除零步長延遲時(shí)因工作溫度系數(shù)變化而引起的不利影響。DS1023-100設(shè)置于并行編程工作方式，所需的設(shè)置數(shù)據(jù)由總線驅(qū)動器74HC244送74HC573鎖存后輸出到DS1023S的并口輸入端，DS1023S根據(jù)并口輸入端的數(shù)據(jù)對輸入脈沖進(jìn)行延遲。DS1023S的REF/PWM和OUT/OUT端分別產(chǎn)生出納秒級的參考輸出脈沖和納秒級的延遲輸出脈沖，經(jīng)驅(qū)動后送輸出放大電路。

　　參考脈沖與延遲脈沖輸出放大電路是一個(gè)脈沖變壓器藕合的脈沖放大器，主要完成對參考脈沖和延遲脈沖進(jìn)行整形放大的功能，電路如圖4所示。由前級脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的參考和延遲脈沖經(jīng)過本電路的整形和放大后，各自輸出一個(gè)幅度為25V、脈寬為200ns、上升時(shí)間為4.5ns的脈沖。

　　微秒級參考和延遲脈沖產(chǎn)生放大輸出電路

　　微秒級參考和延遲脈沖產(chǎn)生放大輸出電路主要由觸發(fā)脈沖整形電路、參考脈沖產(chǎn)生電路、10MHz時(shí)鐘產(chǎn)生器、延遲脈沖產(chǎn)生電路和參考脈沖與延遲脈沖放大輸出等電路組成。延遲時(shí)間可在0～999μs范圍內(nèi)設(shè)置，最小步進(jìn)為1μs，原理見圖5。

　　觸發(fā)脈沖整形電路與納秒級的觸發(fā)脈沖整形電路相同。

　　參考脈沖產(chǎn)生電路由一個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時(shí)，它直接產(chǎn)生出所需的參考脈沖，該脈沖除了作為參考脈沖信號外，還作為延遲脈沖產(chǎn)生電路的觸發(fā)信號。

　　10MHz時(shí)鐘產(chǎn)生器是為了給延遲脈沖產(chǎn)生電路提供計(jì)算延遲時(shí)間的1μs標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘而設(shè)計(jì)的。

　　延遲脈沖產(chǎn)生電路由三個(gè)T4016可編程十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成。當(dāng)作為觸發(fā)信號的參考脈沖到來時(shí)計(jì)數(shù)器就開始計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器以標(biāo)準(zhǔn)的1μs時(shí)鐘作為計(jì)數(shù)單位。當(dāng)計(jì)數(shù)結(jié)束后，立即產(chǎn)生一個(gè)延遲脈沖。微秒級延遲脈沖延遲時(shí)間的設(shè)置是通過系統(tǒng)控制電路向可編程三位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路寫入計(jì)數(shù)值來實(shí)現(xiàn)的?？删幊淌M(jìn)制計(jì)數(shù)器與系統(tǒng)接口連線如圖6所示。

　　參考脈沖與延遲脈沖放大電路主要由二級脈沖放大器和一級跟隨器組成。參考脈沖與延遲脈沖經(jīng)過進(jìn)一步的整形放大后，可實(shí)現(xiàn)上升時(shí)間為2μs、幅度為25V、寬度為200μs的技術(shù)指標(biāo)。

　　系統(tǒng)控制電路

　　系統(tǒng)控制電路主要由單片機(jī)97C2051、總線驅(qū)動器74HC244、數(shù)據(jù)鎖存器74HC273、74HC573和6個(gè)7段LED顯示器組成，完成延遲數(shù)據(jù)的設(shè)置和顯示等功能。數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理由控制軟件來完成。

　　系統(tǒng)控制軟件　　

　　系統(tǒng)控制軟件由主程序、鍵盤掃描程序、顯示程序、延遲時(shí)間補(bǔ)償程序等子程序組成，主程序流程圖如圖7所示。

　　主程序完成系統(tǒng)的初始化和資源分配，以及各子程序的調(diào)用；鍵盤掃描子程序產(chǎn)生鍵盤掃描信號并進(jìn)行鍵值識別計(jì)算；顯示子程序完成延遲值的循環(huán)顯示；延遲時(shí)間補(bǔ)償子程序主要是針對納秒級參考與延遲脈沖的，根據(jù)系統(tǒng)硬件調(diào)試結(jié)果對零延遲進(jìn)行補(bǔ)償，以進(jìn)一步提高延遲時(shí)間準(zhǔn)確度。

　　結(jié)束語

　　該系統(tǒng)由于使用了先進(jìn)的可編程延遲芯片，電路結(jié)構(gòu)簡單，延遲時(shí)間可任意設(shè)置，延遲準(zhǔn)確度高，抗干擾能力強(qiáng)。另外由于采用單片機(jī)作為控制部件，使該儀器操作簡單方便，功能更易擴(kuò)展。