（测试计量技术及仪器专业论文）100mhz脉冲发生器设计与实践.pdf

独创性声明 i i ii i ii ii iiii ii i iiiii y 17 4 0 2 0 8 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 鉴查窜 日期：幻，年f 月幻日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 查婶 导师签名： 日期：勘 - ， 摘要 摘要 脉冲发生器作为一种常用的信号源，广泛应用于现代测量与控制领域中，它 能够产生脉冲宽度、脉冲幅度、信号延迟等脉冲参数充分可控的脉冲信号以满足 特定的测试要求。1 0 0 m h z 脉冲发生器的设计正是基于这些应用和要求而研制的， 它承担的主要任务包括：实现连续、触发、门控三种工作模式下的单脉冲与群脉 冲信号的产生，并且能够实现对脉冲宽度、脉冲幅度及信号延迟的精密可调。 基于脉冲发生器在现代测试领域的重要性，并结合所承担的项目任务，本文 围绕脉冲信号的产生以及脉冲参数的调整方法展开论述，制定出一套完整的能够 实现各种工作模式及各种参数调整的脉冲产生方案，实现了输出频率为1 h z - - 1 0 0 m h z ，脉宽为5 n s - 9 9 5 p s ( 1 k h z 以下脉宽不可调，占空比为5 0 ) ，脉宽最 小分辨率为1 0 p s 以及延迟范围为0 c l k - - , 2 1 6c l k 的频率指标，同时也实现了幅度 范围为0 1 v p p - - - 3 5 v p p ，电平窗范围为1 o o v 3 5 0 v ，分辨率为1 0 m v 的幅度和 电平指标，最后通过实际电路的测试证明了该设计方案的可靠性和可行性。 本文的主要工作包括： 1 阐明脉冲信号产生以及脉冲参数调整的基本方案和方法，完成硬件电路的 设计与调试，实现仪器功能和指标。 2 以d d s 为核心实现对时钟频率输出的精密控制。 3 利用f p g a 实现三种工作模式下的单脉冲与群脉冲信号的产生和控制，并 实现脉冲延迟的调整。 4 采用计数器+ 可编程延迟线的方法实现对脉冲宽度的调整。 5 采用以引脚驱动器为核心的脉冲调理电路实现对脉冲幅度的调整。 6 对各个电路调试中出现的问题进行分析并提出解决方法。 7 对最终完成各功能和指标的仪器进行综合测试，并给出测试结果且给予分 析。 关键字：信号类型，工作模式，脉宽，延迟，脉冲幅度 一 t h e nw eg e t sac o m p l e t ea n dp r o p e rs o l u t i o nt oa c h i e v ea l lw o k i n gm o d e sa n dp l u s e p a r a m e t e r sa d j u s t m e n t t oa c h i e v ei n d i c a t o r so ff r e q u e n c y , t h ee x t e n ta n dl e v e l ：t h e o u t p u tf r e q u e n c y 1h z 1 0 0 m h z ，p u l s ew i d t h5 n s 9 9 5 i - t s ( p u l s ew i d t h i s n o n a d j u s t a b l eb e l o w1k h z ，d u t yc y c l ei sa l w a y s5 0 ) ，r e s o l u t i o nr a t i o10 p sa n dd e l a y r a n g e 0 c l k 一2 1 6c l k , a sw e l la s m a g n i t u d er a n g e 0 1v p e a k t o p e a k 3 5 v p e a k t o - p e a k ( i n t o 5 0q t e r m i n a t i o n ) ，w i n d o wl e v e lr a n g e 1 o o v 3 5 0 v r e s o l u t i o nr a t i o10 m v f i n a l l yt h ea c t u a lc i r c u i t t e s t i n ga n da n a l y s i sp r o v e t h e f e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n t h em a i nw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： 1 i l l u s t r a t et h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d sf o rp u l s eg e n e r a t e ，t h e nf i n i s hc i r c u i td e s i g n a n d d e b u g ，f i n a l l ya c h i e v et h ei n s m n n e n tf u n c t i o n sa n dt a r g e t s 2 a c h i e v ep r e c i s ec o n t r o lo fc l o c kf r e q u e n c yt h r o u g hd d s 3 a c h i e v eg e n e r a t i n ga n dc o n t r o l l i n go fp u l s ea n db u s r tu n d e rt h r e ew o r k i n g m o d e sa n df i n i s hs i g n a ld e l a ya d j u s t m e n tb yf p g a 4 a c h i e v ep u l s ew i d t ha d j u s t m e n tb yc o u n t e r sa n dh i g hp r e c i s i o np r o g r a m m a b l e d e l a yl i n e s 5 m a k eu s eo fp u l s ec o n d i t i o n i n gc i r c u i tw i t hac o r eo fp i n d r i v e rt oa d j u s tt h e p u l s ea m p l i t u d e 6 a n a l y s ea n ds o l v et h ep r o b l e m sm e tw i t hc i r c u i td e b u g g i n g i i a b s t r a c t 7 m a k et h es y n t h e t i ct e s tt ot h ea c c o m p l i s h e di n s t r u m e n ta n d # v et h et e s tr e s u l t s a n da n a l y s i s k e y w o r d s ：s i g n a lt y p e s ，w o r k i n gm o d e s ，p u l s ew i d t h ，d e l a y , p u l s ea m p l i t u d e 3 1 时钟产生电路设计1 4 3 1 1d d s 芯片的选型1 4 3 1 2d d s 及其外围电路设计1 5 3 2 时序逻辑电路设计16 3 2 1 时序逻辑电路主要器件选型：1 7 3 2 1 1 可编程逻辑器件f p g a 的选型1 7 3 2 1 2 可编程延迟芯片的选型18 3 2 1 3d 触发器的选型1 9 3 2 2 单脉冲群脉冲产生电路设计2 0 3 2 2 1 高频( 5 0 m h z - 1 0 0 m h z ) 单脉冲群脉冲产生电路设计2 2 i v 目录 3 2 2 2 低频( 1 k h z - - - , 5 0 m h z ) 单脉冲群脉冲产生电路设计。2 4 3 2 3 单脉冲群脉冲信号下三种工作模式电路设计2 6 3 2 3 1 单脉冲信号下的三种工作模式介绍2 6 3 2 - 3 2 群脉冲信号下的三种工作模式介绍2 8 3 2 3 3 单脉冲群脉冲信号下三种工作模式的具体设计2 9 3 2 4 延迟参数的调整方法及电路设计3 1 3 2 5 脉宽参数的调整方法及电路设计3 4 3 2 5 1 脉宽粗调电路具体设计3 5 3 2 5 2 脉宽微调电路具体设计3 6 3 2 6 数字脉冲合成电路设计3 7 3 3 信号调理电路设计3 8 3 3 1 信号调理电路主要器件选型选型3 8 3 3 1 1 引脚驱动器芯片的选型3 8 3 3 1 2d a 转换芯片的选型4 0 3 3 2 信号调理电路具体设计4 1 3 3 2 1d a 转换电路和电平运算电路具体设计4 1 3 - 3 2 2 最终脉冲调整电路具体设计4 2 3 4 其他电路设计4 3 3 4 1 电源管理4 3 3 4 2 电平转换电路4 4 3 5p c b 设计与实现4 5 3 5 1p c b 设计关键点分析4 5 3 5 2 混合信号p c b 设计4 7 3 5 3 具体p c b 设计4 8 第四章电路调试及整机测试与分析 4 1 调试方法5 2 4 2 调试中遇到的问题及解决方法5 3 4 3 整机测试及分析5 4 4 - 3 1 高低频单脉冲信号下三种工作模式的测试和分析5 5 4 3 2 高低频群脉冲信号下三种工作模式的测试和分析5 8 4 3 3 脉宽参数的测试及分析6 0 v 目录 4 3 4 延迟参数的测试及分析6 1 4 3 5 脉冲幅度的测试及分析6 3 第五章结束语。 致谢 参考文献 附录 研究成果 6 1 ； 6 6 6 7 6 9 7 0 一 本章就高速脉冲发生器作为现代测试领域中的一种重要的测试工具所具有的 研究意义和价值并结合目前国内外对其研制的发展动态，引出了本文对于设计出 一种稳定性强、可靠性好、集成度高且成本较低的脉冲发生器的重要性，同时在 本章最后给出了本设计的具体设计内容和主要工作。 1 1 本设计的研究意义和价值 随着现代数字电子技术的智能化、高速化和多维化给人们的生产生活带来了 极大的方便，以及计算机和数字信号处理技术在通信、导航以及航天等多个领域 的广泛应用，那么对其进行有效测试就提出了更高的要求。面对这样的需要，脉 冲发生器就在其中发挥了重要的作用。高速脉冲发生器是测试领域中常用的信号 源，可以产生各种复杂的数字激励以及幅度可控、脉宽可调的高速、稳定且稳定 度高的脉冲信号。 在雷达、计算机硬件系统和通信系统等领域的设计和调试中，需要大量的精 度高速度快的脉冲信号和数字序列作为激励，并同其他测试的设备一起来进行测 试以检验设备是否正确以及技术性能指标是够合格；而在半导体器件性能检测中， 脉冲信号源的边沿必须可以被精确控制，而且其脉冲的幅度、上升以及下降沿、 占空比、宽度和脉冲延迟等也必须可控；同时脉冲信号源也被运用于地质探测领 域，且探测雷达需要的脉冲信号仅仅只有毫微秒量级；而对于l s i 系统的测试， 需要产生高速、海量并且多样化的数字序列；步进电机的控n 贝, e j 需要脉冲信号源 产生延迟量准确度高的脉冲信号。而高速脉冲发生器则可以同时满足上所述的各 种需求，它能够产生具有精确脉冲边沿和幅度、满足各种激励需求的数字、模拟 信号。 脉冲频率、信号延迟调整的精度及分辨率、参数可编程能力和信号功率、脉 冲宽度调整的精度和分辨率等方面的因素决定了高速脉冲发生技术的先进性。而 高速脉冲发生器可以在保证频率和精度的前提下，大幅提高参数的可编程能力和 输出信号的功率，并能够提供足够大的驱动能力和可编程的多样化信号以满足在 测试和控制方面的需求。在数据信号发生、时钟发生、功能测试、参数测试以及 电子科技大学硕士学位论文 失误分析等多方面的应用中，高速脉冲发生器也都有相当大的作用，在现代电子 测量和调试中有着不可替代的地位。不仅如此，在对新产品的开发中，高速脉冲 发生器体现出的优越性更加明显，成为开发过程中不可或缺的仪器设备。 此外在各种高性能脉冲体制设备的研制过程中，高速脉冲发生器也是一个重 要的工具，高速脉冲发生技术更是其中一项关键技术，主要包括：脉冲密定时技 术、脉冲点评参数控制技术、快速脉冲沿实现技术、极窄脉冲实现技术、多通道 一致性技术和图形可编程技术等。 所以，高速脉冲发生器无论是在新产品的开发过程中，还是电子设备的调试、 测试，维护当中都是必不可少的仪器设备，而且它可以快速可靠的帮助完成对设 备逻辑设计和测试，有效提高设计效率。目前虽然国内对于高速脉冲发生器的研 究虽然已经有长足的进步，但由于起步较晚技术薄弱还不能满足各个层次和方面 需求，而采用国外的先进产品，也由于诸多原因而无法满足需求，而且对于我们 对特定场合所提出的一些特殊要求，这些进口的产品一如不能完全满足。此外， 随着社会的发展，民用方面对高速脉冲发生器的需求也在加大，所以研制新型的 并且具有自主知识产权的高速脉冲发生器就有很大的必要性。 本文所设计的脉冲发生器正是基于上述多方面的因素，尤其是考虑到在民用 领域使用时对仪器稳定性和可靠性的要求较高，而对于设计成本却必须控制在可 接受的合理范围内；需要输出频率范围尽量宽且在整个频率范围内能够实现对脉 冲宽度的连续可调，而对于特高频率及特别快速的信号边沿的应用却不多；需要 集成度高、主要功能齐全且易于携带的小型化仪器，而不需功能繁杂却需要配合 其他仪器才能完成各项功能的大型设备。正是综合考虑了这些方面，在设计时从 方案设计到器件选型再到具体实现都围绕其进行，才使最后设计出的仪器性能更 加有保证也更加符合目前使用的要求。 1 2 国内外发展现状 从当前脉冲产生技术方面看，国外许多知名企业如a g i l e n t 和t e k t r o n i x 等公司 对脉冲信号发生器的研制上已经非常成熟并且技术先进，其产品在世界范围内都 在大量的使用并占据着主导地位。 a g i l e n t 公司的脉冲信号发生器分为多个系列i 【l 】，其中：f u l l y t r i g g e r a b l e 系列 的脉冲信号发生器有8 1 1 4 a 、8 1 1 0 1 a 、8 1 1 0 4 a 、8 1 1 1 0 a + 8 1 1 1 1 a 、8 1 1 1 0 a + 8 1 1 1 2 a ， 他们的最高脉冲输出频率分别达到了1 5 m h z 、5 0 m h z 、8 0 m h z 、1 6 5 m h z 和 2 第一章绪论 3 3 0 m h z ；高精度系列的脉冲发生器有8 1 1 3 0 a + 8 1 1 3 1 a 和8 1 1 3 0 a + 8 1 1 3 2 a ，且他 们的最高脉冲输出频率分别达到了4 0 0 m h z 和6 0 0 m h z ；高速系列的脉冲发生器有 8 1 1 3 3 a 、8 1 1 3 4 a 、8 1 1 4 1 a 和8 1 1 4 2 a ，且他们的最高脉冲输出频率分别达到 3 3 5 g h z ，3 3 5 g h z ，1 3 5 g h z ，其中8 1 1 3 3 a 为单通道输出，在定时和性能是关键 要求时，它的快上升时间和低抖动能精确评测器件，把源产生的抖动影响减到最 小，是特别适合眼图测试的理想数据和码型源，对8 1 1 3 4 a 来说其也有着类似于 8 1 1 3 3 a 的特性，而且它增加为双通道输出。8 1 1 4 2 a 是最快速的串行脉冲数据发生 器，其最高串行数据率达道1 3 5 g h z s ，所产生的脉冲宽度最小只有3 5 p s ，上升时 间不大于2 0 p s ，并具有1 g h z 抖动模拟带宽和3 2 m b i t 的存储深度。 t e k t r o n i x 公司最具代表性的脉冲发生器d t g 5 3 3 4 e 2 】所产生的脉冲宽度最小为 2 9 0 p s ，并带有抖动信号模拟功能，输出数据率可以从5 0 k b s 至3 3 5 g b s ，其设计 是为了协助工程师满足高速串行数据传输标准的需求。此外，t e k t r o n i x 公司的 d g 2 0 0 0 系列，采用直接数字合成技术，能够输出十种标准波形以及用户自定义的 任意波形，并且具有丰富的调制功能和输入输出信号，其输出频率从1 0 0 m h z ， 2 0 0 m h z 到5 5 0 m h z ；d t g 5 0 0 0 系n t 3 】在一个通用的台式仪器中同时提供了数据发 生器和脉冲发生器的功能，缩短了复杂测试程序的时间，简化了在多条通道中生 成低抖动高精度时钟信号或串行数据的输出工作，输出最高脉冲频率时的幅度为 1 2 5 v p p ，最高输出数据率3 3 5 g b s 。其模块化平台可以简便地配置仪器性能，满 足现需求和新兴需求，最大限度地降低设备成本，数据输出能力相比d g 2 0 0 0 系 列更加强大，还可由数据图形编辑器获得其数据图形，并具有较强的波形编辑软 件，延迟分辨率可达l p s ，其脉宽分辨率最高可达5 p s 。t e k t r o n i x 公司的脉冲信号 发生器在半导体器件功能测试和检定；磁性和光学存储设计( 硬盘，光盘d v d 蓝光) ；一致性和互操作能力测试；抖动传递和抖动容限测试；数据转换设备设计 ( 检定和测试下一代模数转换器) 得到了广泛的应用。 除了a g i l e n t 和t e k t r o n i x 公司外，国外还有一些其它公司对脉冲发生技术进行 研究，他们的产品从技术指标来说有着其各自不同的一些特点。q u a n t u m c o m p o s e r s 公司的9 5 0 0 系列是比较常用的一款脉冲信号发生器，其输出频率虽然 只有1 0 0 m h z ，然而其在信号延迟等方面有其独到之处，脉宽可高达1 0 0 0 s ，群脉 冲个数从1 到1 0 0 0 0 0 0 ；9 6 0 0 系列脉冲信号发生器价格低廉，拥有和9 5 0 0 类似的 性能【4 1 。c o l b yi n s t r u m e n t s 公司的c p d l - 1 0 0 a 0 2 0 系列脉冲发生器最高数据率可达 4 0 0 g b s ，延迟分辨率高达0 5 p s t 引。 国内目前也有一些公司和机构也致力于脉冲信号发生器研制，如电子科技大 电子科技大学硕士学位论文 学，南通南峰电子，宁波中策，南京新联电子等。其中南通南峰电子生产的脉冲 信号发生器输出频率一般都是在5 0 m h z 以下，而在脉宽调整时是分在几个档内可 调而不能再整个频率范围内都以相同的分辨率进行连续可调，同时输出信号的上 升时间比较大，般在几个纳秒到几十个纳秒范围，且在功能上虽然其可以输出 单脉冲，但却不具备群脉冲功能，使得输出方式上比较单一；而宁波中策的产品 输出频率最高为1 0 m h z ，且频率范围较小，延迟调节范围有限，上升时间在几十 纳秒，工作模式虽然有单次触发模式但也比较单一；南京新联电子的脉冲发生器 输出频率也只有5 0 m h z ，虽然其工作模式增加了，但是对于脉宽调整的分辨率仍 然不够且也不具备群脉冲发生功能。虽然电子科技大学自行研制的脉冲发生器最 高频率已经达到了2 5 0 m h z ，但还没有完整的产品推出。 鉴于国内外发展的现状，并结合国内主要需求，在对比和借鉴了其他脉冲发 生器产品的基础上，本文设计的1 0 0 m h z 脉冲发生器在最高工作频率上已达到了 国内先进水平，其较广的频率输出范围也符合民用领域应用需要，同时可以实现 连续、触发、门控三种工作模式下大范围的脉冲延迟以及高精度的脉宽连续可调 功能，此外为了在稳定性及成本控制方面也符合了大规模生产的要求，选择了性 价比好集成度高的设计芯片更使得整个设计符合现代仪器小型化集成化的要求。 1 3 本文主要工作 1 3 1 高速脉冲发生器的技术指标 根据1 0 0 m h z 脉冲发生器设计的要求，其技术指标包括以下内容： ( 1 ) 功能 工作模式：连续触发l q 控 输出信号类型：单脉冲群脉冲 时钟频率：1 h z 1 0 0 m h z 触发方式：内触发外触发 可调参数：脉冲宽度、脉冲延迟、脉冲幅度 通道数：1 ( s m a ) ( 2 ) 频率指标 脉冲频率：l k h z 一1 0 0 m h z ( 1 h z - - 一1 k h z ) 脉冲周期：1 0 n s - l m s ( 1 m s - - 一l s ) 4 脉宽 脉宽 脉宽 占空 延迟 延迟 延迟 ( 3 ) 电平指标 幅度：0 1 v p p - 3 5 v p p 幅度分辨率：1 0 m v 幅度精度：4 - 1 0 0 m v 电平窗：1 0 0 v 一 3 5 0 v 高电平：0 9 v 3 5 v 低电平：1 v - - 3 4 v 电平精度：- 4 - ( 2 幅度+ 5 0 m v ) 分辨率：1 0 m v 输出阻抗：5 0o h m4 - 1 过冲和振铃：- 4 - ( 5 幅度+ 5 01 3 1 外输入电压：一2 0 v + 4 v 1 3 2 本文的主要工作 根据项目要求，完成1 0 0 m h z 脉冲发生器的设计，实现仪器的所有功能和指 标，最终得到脉宽、延迟以及幅度可调的脉冲信号，在实现设计指标的同时要优 选设计芯片以尽量提高仪器可靠性并降低成本，并对仪器在不同环境工作时的稳 定性进行测试。主要包括以下几点： ( 1 ) 确定脉冲合成及调整方案。 ( 2 ) 利用d d s 产生稳定度及准确度高的系统时钟。 ( 3 ) 设计f p g a 内部时序电路以及外围电路，实现不同工作模式下的不同 类型的脉冲信号的输出以及实现对脉宽和延迟参数的调整。 ( 4 ) 设计脉冲调理电路以实现对脉冲幅度和电平参数的调整。 ( 5 ) 解决调试过程中遇到的问题，并对最终电路在不同环境下进行测试。 电子科技大学硕士学位论文 第二章脉冲发生器整体方案设计 1 0 0 m h z 脉冲发生器包括了数字脉冲产生部分和脉冲参数调整部分，数字脉冲 产生部分包括了整个脉冲发生器的大部分功能以及时序部分所有参数的实现，而 脉冲参数调整部分关系到产生脉冲的设计指标的实现，数字脉冲产生部分和脉冲 参数调整部分互相配合，是整个仪器的核心部分，同时也关系到提高整个产品的 稳定性、可靠性和集成度化以及降低设计成本、缩短设计周期等方面的要求。本 章将对整个脉冲发生器功能电路总体设计方案，数字脉冲产生部分设计方案和脉 冲参数调整部分设计方案做详细介绍。 2 1 总体设计方案 f p g a 是数字脉冲产生部分的核心元件，项目中的全部功能和大部分指标都必 须依靠f p g a 的配合才能实现，但是仅仅依靠f p g a 是无法实现项目要求中一些 要求较高的技术指标的，所以必须要配合其他硬件电路才能实现：如脉宽的连续 可调，脉宽分辨率及精度的实现等。由于项目中还要求对产生脉冲的电平和幅度 进行控制，所以在脉冲参数调整部分还设计了由电平控制电路和引脚驱动芯片共 同构成的信号调理电路实现对电平和幅度参数的调整，从而完成了项目的要求。 本设计在经过了实际的测试后，最终得到了如下的设计方案。 2 1 1 硬件电路设计方案 脉冲发生器功能电路总体设计方案如图2 1 所示，主要由时钟产生电路，f p g a 逻辑控制电路，脉宽补偿电路，脉宽微调电路，脉冲合成电路，信号调理电路以 及外触发信号处理电路构成。 在用户设置了一定的频率、脉宽和脉冲幅度等信息后，时钟产生电路接受到 相应的控制信号，产生相应频率的时钟信号并送入f p g a ，然后在f p g a 逻辑控制 电路中经过各个功能模块的调整后产生上升沿触发信号( l e ) 、下降沿触发信号 ( t e ) 以及触发输出信号，将上升沿触发信号和下降沿触发信号分别经过脉宽补 偿电路和脉宽微调电路后送入脉冲合成电路产生脉宽可调的数字脉冲信号，将该 数字脉冲信号再经过信号调理电路对幅度和电平参数的调整后就产生了所需的符 6 第二章脉冲发生器整体方案设计 合用户要求的最终的脉冲输出。 其中f p g a 后端的脉宽微调电路是用来实现脉宽的连续可调以及达到最小分 辨率的要求，脉宽补偿电路则实现了在一定误差范围内对脉宽值的校准，脉冲合 成电路的作用是用来把上升沿触发信号和下降沿触发信号合成一个完整的数字脉 冲，而信号调理电路则实现了对先前生成的数字脉冲信号幅度和电平的精密控制。 触发输出 部输州外触发信号 7 l 处理电路 f p g a- 兰叫脉宽补偿电路l - ， 脉冲 信号 时钟输入。 逻辑控制电路 合成 斗 调理 时钟产生电路 。地址线 电路 电路 ( d d s ) 。数据线叫脉宽微调电路卜_ 图2 - 1 脉冲发生器功能电路总体设计方案 外触发信号处理电路是将外部输入信号同一个直流信号进行比较，再由两信 号的比较结果确定出外触发信号的逻辑状态，并经过电平转换后得到最终能被识 别的外触发信号。由于该电路是一个比较小而且功能成熟的电路，不是本文所研 究的重点内容所以这里也就不对该电路进行详细介绍。 另外，图2 1 中省去了一些非核心电路模块： ( 1 ) 电平转换电路，主要作用实现不同电平逻辑之间的转换，将前级电路输 出的电平信息转变为后端电路可以识别的电平，譬如f p g a 与其后端的脉宽微调 电路之间，需要电平转换电路将f p g a 输出的l v d s 电平转换为脉宽微调电路所 需的l v p e c l 电平。 ( 2 ) 与上位机的接口，主要作用是实现主板与上位机的通信，接收来自上位 机的数据、地址以及控制信号，并将其接入f p g a 中，通过f p g a 内部接口电路 实现对脉冲产生、合成、脉宽微调电路以及信号调理电路的控制。 经过实际的调试与测试证明了该方案可以满足所有的项目指标和要求。 2 1 2 时序逻辑控制电路设计方案 在脉冲发生器电路的设计中，f p g a 是最重要的核心部分，设计中很多的功能 和指标都需要靠其实现，f p g a 内部的时序设计更是复杂而又重要的，因此本节就 对f p g a 内部时序逻辑控制电路的设计方案作以介绍，并结合2 1 1 节的硬件电路 设计方案，能够让读者对本设计有个更清晰的认识。 f p g a 内部时序逻辑如图2 2 所示，分为接口电路模块，模式产生与选择模块， 电子科技大学硕士学位论文 触发输出模块延迟模块，脉冲群脉冲产生模块和脉宽粗调模块。 下面就分别介绍在f p g a 内部触发输出信号和上升下降沿触发信号的产生过 程： ( 1 ) 触发输出信号的产生 当时钟信号输入f p g a 后，根据用户所设置的工作模式的不同，不作延迟模 块的调整，经过模式产生与选择模块后送入触发输出模块，产生触发输出信号， 并将该信号直接送出f p g a 作为该工作模式下的触发输出信号。 ( 2 ) 上升下降沿触发信号的产生 当时钟信号输入到f p g a 后，根据用户所设置的工作模式的不同而产生该模 式下的使能信号，将该使能信号送入延迟模块并根据用户所设置的延迟量进行延 迟调整，再将延迟后的使能信号经过脉冲群脉冲产生模块后产生所需脉冲信号， 将该信号送入脉宽粗调模块进行脉宽的粗调后作为上升下降沿触发信号送出 f p g a ，再经过f p g a 后端电路后合成所需脉冲。 数据地址控制 信号输入 时钟输入 模式产生与l 一触发输出模块i 竺垄竺 选择模块ii 延迟模块l 一脉冲群脉冲产生模块 脉攀p模块 降沿触发信号 图2 2f p g a 内部时序逻辑控制电路设计方案 另外，图2 2 中的接口电路模块是用来和上位机通信的，在f p g a 中通过译码 锁存电路实现，其作用是上位机根据用户的设置，按照规定的协议，将所需的控 制信号锁存并发送到各个所需模块，从而实现对f p g a 内部各功能电路的控制。 该译码锁存电路的输入来自于上位机给的地址信号，数据信号以及控制信号。 2 1 3 总体方案中一些关键点的分析 项目设计中对于许多技术指标提出了很高的要求，本节就将对其中一些关键指 第二章脉冲发生器整体方案设计 标以及对于设计时的一些关键技术进行一些分析。 ( 1 ) 对于高分辨率及大范围的时钟频率的实现 项目中要求时钟频率所能达到的最小分辨率为1 0 p s ( 4 d i g i t ) ，且频率范围为 1 h z 1 0 0 m h z ，对于这样高的分辨率和这么宽的频率覆盖范围，如果只依靠晶振或 者f p g a 内部锁相环是不能达到要求的，必须通过d d s 来实现，因为通过d d s 所产生的时钟信号频率分辨率高，输出频点多，相位噪声低，频率切换时相位连 续且稳定度高。 ( 2 ) 对于脉宽大范围连续可调的实现 对于脉宽部分，项目要求可调范围为5 n s - 9 9 5 i t s ( 1 k h z 以下不要求进行脉宽 调整) ，最小分辨率1 0 p s 。这一指标中既有小步进的要求也有大脉宽范围的要求， 其中通过f p g a 可以实现大脉宽范围的调整，而对于1 0 p s 小步进的连续可调的要 求f p g a 却不能实现，其调整步进只能达到当前时钟频率的周期( 最好时候是在 1 0 0 m h z 时调整步进为5 n s ，其余频率时都比1 0 0 m h z 时的调整步进大) ，因此脉 宽调整时必须要f p g a 配合可编程延迟线共同完成。 ( 3 ) 对于脉冲幅度控制的实现 如果采用一般的分立元器件进行模拟部分的电路设计，那么设计周期不仅长 而且难于实现和调试，同时对于该部分的p c b 设计还有特别高的要求，因此，根 据设计指标的要求，现在通过以引脚驱动器为核心并配合电平控制电路所构成的 脉冲调理电路来实现脉冲幅度范围0 1 哳3 5 v p p 且分辨率为1 0 m v 的项目指标， 这样不仅设计时间大大缩短，而且电路的集成度和可控度也大大加强，同时也易 于实现。 ( 4 ) 对于成本和稳定性的考虑 本设计的最终目的是要做成可供大量生产的成品，即实现设计的产品化，所 以在进行电路设计时必须要注意对生产成本的控制以及提高系统的稳定性。其中 最重要的就是要优选设计芯片，在对元件选型时，我们要注意最好要选择功耗较 低并带有温度补偿网络的高可靠性芯片，使仪器能够在较大的温度范围内都正常 稳定的工作；同时在能够满足设计指标的前提下，尽量减少使用器件的种类和数 量，选用集成度高的芯片，以保证仪器的可靠性并提高整体设计的集成度化，这 样也可以使设计小型化，以适应现代设备便于携带和使用的特点。同时，对f p g a 内部时序设计的简化及优化也是提高系统稳定性的重要方面。 ( 5 ) 对p c b 设计的考虑 由于时钟最高工作频率达到了1 0 0 m h z ，在板级设计时还应注意传输线效应和 9 电子科技大学硕士学位论文 信号完整性等问题，因此在设计时采用了l v p e c l 差分电平的器件，同时在p c b 设计时对于电源、地的划分是否合理，也对信号有很大的影响。一个好的p c b 设 计是电路正常工作的前提和保证，而如果p c b 设计不合理，要么系统不能正常运 行要么信号之间会产生串扰或者电源和地也会对信号产生噪声影响而使最终的信 号输出不能达到设计指标的要求致使设计失败，所以p c b 设计的成功与否也关系 到最后输出信号的质量的好坏，同时也关系到最后产品的稳定性和可靠性。 2 2 功能模块方案设计 2 2 1 时钟产生方案设计 在脉冲发生器电路的设计中，所有功能实现都以能够产生相应的时钟频率为 前提，时钟的产生是本设计的基础，因此本节就对时钟产生方案作以介绍。 本设计要求时钟频率范围覆盖1 h z 1 0 0 m h z ，最小分辨率4 d i g t 。为实现这样 宽的频率覆盖范围以及这么高分辨率的时钟，在经过了实际电路的测试后，采用 如下的方法实现【6 】： ( 1 ) 高频段( 5 0 m h z1 0 0 m h z ) 和更低频段( 1 h z , - 一，1 k h z ) 的时钟信号由 d d s 直接产生。由于要求的频率分辨率较高，为了达到这样的指标，设计中利用 了直接数字频率合成技术( d d s ) 的高频率高分辨率的优势。并且为了减少d d s 输出信号的杂散失真，在d d s 信号输出端加上低通滤波器，再经过低速比较器以 得到稳定的高精度的时钟信号。 ( 2 ) 低频段( 1 k h z 一- - 5 0 m h z ) 时钟信号的实现是把高频段时钟引入f p g a ， 并通过其内部分频计数器分频得到。这么做的目的是为了实现设计要求中低频段 的脉宽在2 0 n s 内连续可调的要求。因为在低频段f p g a 内部脉宽粗调时如果计数 时钟频率小于5 0 m ，即周期总是大于2 0 n s 的，这样就不能结合可编程延迟芯片保 证达到脉宽连续可调的设计要求，所以在1 k h z 5 0 m h z 范围的低频段中为了保 证计数时钟大于5 0 m h z ，此时低频时钟必须要由高频时钟分频得来。 时钟产生方案中对d d s 的使用正是出于对提高系统稳定性、可靠性和集成度 化方面的考虑，以确保可以产生出稳定性好且精度高的系统时钟。 2 2 2 脉冲产生方案设计 脉冲的产生及合成是仪器设计的核心，其中脉冲的产生以及相关功能也是本 1 0 第二章脉冲发生器整体方案设计 设计的重要组成部分，在其功能和指标也是有很高的要求，同时对该部分设计的 简化和优化对于提高系统稳定性以及保证系统长时间正常稳定的工作起到了重要 作用。因此，本节也将对脉冲合成方案给予专门的介绍。 如图2 3 所示，在脉冲产生方案中，时钟输入到f p g a 后，根据用户对于不同 模式的设置，经过模式产生与选择模块后分为两路，其中一路直接经过触发输出 模块后产生触发输出信号；另一路则先经过延迟模块，完成对于用户所设置延迟 量的延迟后，再经过脉冲群脉冲产生模块产生上升触发信号和下降沿触发信号， 触黜 时钟输模南啪 触发输蝴 选择漠映 型l 图 剜一要一簖 图2 3 脉冲产生方案 上升沿触发信号将直接由窄脉冲产生电路产生窄脉冲输出f p g a ；而下降沿触发信 号则将根据用户设定的信号频率及脉宽值等决定是否经过图中的脉宽粗调电路作 脉宽粗调，然后才由窄脉冲产生电路产生尖脉冲输出f p g a 。由于项目对于脉宽参 数调整也有之多指标上的要求：脉宽范围( 5 n s - 9 9 5 “s ) ，精度( 5 0 0 p s _ 5 0 0 p p m ) ， 最小分辨率1 0 p s ，且连续可调，因此除了f p g a 内部的脉宽粗调电路外，还在f p g a 后端设计了以高精度高分辨率的可编程延迟芯片为核心脉宽微调电路，下降沿触 发信号经过该脉宽微调电路做脉宽微调后，便可实现项目在脉宽参数调整上的分 辨率和精度要求【7 j 。 在本设计中脉宽参数的调整，就是根据用户设置的脉宽值控制上升沿触发信 号和下降沿触发信号的时间间隔，上升沿触发信号和下降沿触发信号之间设置不 同延迟量，在最终的脉冲输出处便表现为不同的脉宽值。对脉宽的调整，实际上 也就是将上升沿触发信号固定，并对下降沿触发信号作延迟调整，该延迟的大小 是相对于上升沿触发信号来定义的。其理论波形图见图2 - 4 。 电子科技大学硕士学位论文 时钟输入广 厂 厂 厂 厂 广 厂 触发输出广 厂 厂 厂 厂 厂 厂 l e t e 脉冲输出 厂 厂 厂 厂 厂 厂 图2 4 脉冲产生波形图 采用f p g a 作为该时序部分设计的主体，是由于其集成度高而功耗低，性能 优秀而价格低廉，稳定性好且易于编程实现；同时对f p g a 外部电路所选芯片都 带有温度补偿网络，能够在温度变化较大的环境下正常工作，且价格便宜且容易 购买。所以在硬件配置上这些都可以保证电路设计的稳定性和可靠性，同时兼顾 了对成本的控制。 2 2 3 信号调理方案设计 在数字脉冲产生后，并没有将设计中所要求的指标全部实现，其他诸如实现 对脉冲幅度的可控，对于脉冲上升时间及过冲和振铃的指标要求等也是设计要求 中重要的部分，因此，设计中单独设计了对基于驱动电路的脉冲参数调理电路， 最终完成对于脉冲信号参数调整的实现。 图2 - 5 信号调理方案 如图2 5 所示是信号调理方案设计框图，其电路主要分为电平控制电路和脉冲 调整电路，其中，电平控制电路由d a 转换电路和电平运算电路构成。电平控制 电路接收上位机发来的电平控制数据并将其转换为电压值输送给电平运算电路进 1 2 第二章脉冲发生器整体方案设计 行运算得到系统要求范围的电压，然后分别将生成的高低电平送入脉冲调整电路 的集成驱动器合成最后的脉冲输出。输出脉冲的幅度即是高低电平的差值。数字 脉冲信号则由前级f p g a 时序电路运算产生，其包含有脉宽、上升下降沿、延迟 等数字信息。脉冲调整电路接收数字脉冲数据信号的频率等信息作为脉冲的数字 信息，同时接收电平控制电路输出的高低电平等模拟信息，合成产生符合要求的 输出脉冲。 目前许多设备的模拟通道都是采用分立元器件设计的，然而这一般需要了解 更多的元件并同设计其工作点，而且一旦设计以后如果要对其进行更改就会变的 很麻烦，再者用分立元件设计电路不仅功耗大故障率高，而且由于使用的元件较 多必然会使得仪器体积变大，这样就不符合对仪器稳定性好且小型化、集成化高、 便于携带、易于维修的特点和要求。基于上述原因，在本设计中我们采用成熟的 集成芯片代替分立元器件，这样不仅可以有效减小仪器体积、提高集成度化，而 且也电路设计变的简单，使得仪器稳定性更好并且维修起来更加方便。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 第三章脉冲发生器电路设计 第二章中已经对本文的设计方案做了具体的描述，下面本章将对其具体的电路 设计做详细的介绍。 3 1 时钟产生电路设计 本设计中时钟的产生是实现一切功能的基础，如果没有时钟信号，那么后续电 路的各项功能也就无从谈起，鉴于时钟产生电路的重要性，本节首先介绍时钟产 生电路的具体设计电路及核心器件的选型。 3 1 1d d s 芯片的选型 d d s 是时钟产生电路的核心，其输出时钟信号质量的好坏，对整个电路最终 输出脉冲信号的质量有非常大的影响。虽然通过f p g a 内部编程也可以实现对d d s 的设计，但限于所选f p g a 自身工作频率以及结构上的限制，其输出时钟的频率 范围和分辨率会受到极大影响，再者利用f p g a 设计d d s ，其实现过程以及调试 过程都需要花费很多时间，因此我们利用单独的d d s 芯片来产生要求的时钟信号。 p 剐u 雌lo rs e r i k p 娘n - i f a r e s e t 5 目_ e ：下p r o g r a i 嘲ou ) d l i l t s 图3 - 1a d 9 8 5 4 a s q 内部原理图 1 4 第三章脉冲发生器详细电路设计 本设计中选用了a d 公司的d d s 芯片a d 9 8 5 4 a s q ，该芯片是利用c m o s 技 术的直接频率合成器，具有集成度高、频谱纯度高，输出频率范围广等特点。 a d 9 8 5 4 a s q 构成如图3 1 a d 9 8 5 4 a s q 内部原理图所示，由时钟乘法器、相位累 加器、正弦查询表、逆s i n c 滤波器、d a 转换器、波形存储器及高速比较器等组 成。其主要特点如下【8 】：外部参