窄脉冲发生电路设计及仿真

1、    窄脉冲发生电路设计及仿真    张琦+王兴权+钟握军摘 要脉冲技术在电力系统中的高压绝缘监测、激光技术、微波技术和电磁兼容性等试验方面都有很广泛的实际应用。本文采用单稳态电路和或非门（74ls02）组成的积分电路设计了窄脉冲发生电路，并利用multisim软件进行了仿真分析。结果表明，基于或非门组成的积分电路，将rc积分性质和或非门的逻辑功能巧妙结合在一起实现了ns级窄脉冲输出，得到的脉宽可达10ns左右而电压幅值保持为5v。【关键词】窄脉冲 rc积分 或非门1 引言随着科学技术的发展，脉冲技术在电力系统中的高压绝缘监测、激光技术、微波技术和电磁

2、兼容性等试验方面都有很广泛的实际应用，如用于超宽带通信技术、除尘技术、固体绝缘空间电荷分布的测试装置和电火花加工表面粗超度检测等。近年来，随着电子技术的飞速发展，在无线通信用户急增，频谱资源越来越稀缺，通信容量越来越大以及传输速率越来越来高的形势下，人们对超宽带技术的认识也更加清楚，由此逐步转入民用阶段，用于实现高性能、低成本的无线通信系统。1962年，惠普公司开发出取样示波器，纳秒级脉冲的产生方法才得以发展，当时普遍采用雪崩晶体管或隧道二极管产生脉宽为纳秒级的脉冲信号，提供可供分析用的冲激激励信号，这使得人们能够正确地观察和测量微波网络的冲激响应。能产生几百毫伏窄脉冲的高速器件有隧道二极管和

3、ecl集成电路，能产生几十伏到几百伏的高速器件有雪崩晶体三极管、阶越恢复二极管和俘越二极管。但是这些方法设计的窄脉冲发生器脉宽固定，不能调节脉宽，给应用带来不便。为满足不同应用场合对脉宽的需要，本文设计了结构简单且脉宽可调的窄脉冲发生电路，并利用multisim软件进行了仿真分析。2 脉冲发生电路设计及仿真2.1 采用555多谐振荡器产生1khz信号由于555多谐振荡器产生的方波可调性较好，而失真度较小。因此，先采用555多谐振荡器产生所需频率对应的方波，这里选择1khz 作为需要的频率。多谐振荡器产生1khz方波电路如图1所示，将r2调至6.7k时由图中元件参数可得周期t=0.69（r1+2

4、r2）c1×10-3s，频率则为f=1/t=1khz。改变电路中的r2，频率和占空比都将随之变化。利用multisim中的示波器对上述电路进行仿真分析，仿真波形如图2所示。图中可以看出，其输出波形的电压幅值为5v，频率为1khz，占空比略大于50%，获得了所要求的1khz方波信号，可以作为后续电路的输入信号。2.2 与555单稳态触发器组合构成窄脉冲发生电路555单稳态电路有一个稳态和一个暂稳态，是利用电容的充放电形成暂稳态的，因此它的输入端都带有定时电阻和定时电容，常见的555单稳电路有两种：人工启动型和脉冲启动型，在此我们应用的是脉冲启动型。脉冲启动型是将555芯片的6、7脚并接

5、起来接在定时电容ct上，用2脚作输入就成为脉冲启动型单稳电路。如图3所示，555芯片的2脚正常输入为高电平，当输入为低电平或输入负脉冲时才启动电路进入暂稳态。将1khz 的脉冲加入到单稳态电路中555定时器的2脚，为了去掉输入信号中的直流分量，在2脚之前串入一个电容。改变电阻r1和电容c1的值可以改变输出波形的占空比，经过对图3中单稳态可调电阻r1 和电容c1的多次调节得出，在输出波形较理想的前提下，当r1=50，c1=nf时，可以得到最窄的脉宽约为4us，电压幅值保持为5v。仿真波形如图4所示， x轴上面的波形是555多谐振荡产生的1khz方波，即单稳态触发器的输入信号。x轴下面的是单稳态触

6、发器输出的脉冲。输出的波形中可以看到，经过单稳态触发器之后，脉冲宽度变为了4us。用555单稳态触发器实现的脉宽只达到了微秒级，没有得到纳秒级的窄脉冲输出。2.3 或非门构成的窄脉冲发生电路通常由微分或积分电路组成的脉冲电路中都有一个开关如火花开关、igbt等来控制电容的充放电周期，由于开关本身的结构及参数限制，会导致脉冲宽度有限且不易控制。本文中通过将2个或非门和rc积分电路组合起来，而不需要开关器件就实现了窄脉冲输出。电路如图5所示，555定时器产生的1khz方波顺序经过2个或非门后进行输出。由或非门的逻辑关系得出输出端2与a、b端的逻辑关系为 ，输出端2如要得到高电平，则图中的a端需为低

7、电平同时b端为高电平，但a端变为低电平时，b端的c1会通过小电阻r1迅速放电，从而b端由高电平迅速变为了低电平，也就形成了很窄的正脉冲输出。正是由于rc积分电路和或非门的逻辑功能巧妙配合实现了简单、稳定的窄脉冲输出，输出的脉宽则取决于rc积分电路的电阻电容参数。通过电路仿真，得出输出端2的波形如图6所示，r1=10，c1=1nf时窄脉冲的脉宽约为10ns左右，电压幅值为5v，此时脉冲的上升沿和下降沿都很陡，波形比较理想。该电路中可以通过调节 和 的值来改变脉宽，电阻电容的数值越小，脉宽就越小。在实际完成的硬件电路中，由泰克示波器tds2012测得输出脉冲波形如图7所示，脉冲宽度小于10ns，电

8、压幅值约4.2v，但波形上升和下降比较慢。与仿真结果相比，由于或非门的输入输出等效电容效应，减缓了波形上升和下降的速度，导致实际波形有一定失真。3 结论本文在555定时器产生1khz方波基础上，分别采用单稳态电路和或非门（74ls02）组成的积分电路设计了窄脉冲发生电路，并进行了仿真分析和实测。结果表明，两种结构组成的窄脉冲电路都实现了脉宽的大幅减小且幅值不变。基于555单稳态的脉冲电路中，改变电阻r1和电容c1的值可以改变输出波形的占空比，得到最窄的脉宽约为4us，电压幅值为5v，用单稳态触发器实现的脉宽只达到了微秒级，没有得到纳秒级的窄脉冲输出。基于或非门组成的积分电路，则将rc积分性质和

9、或非门的逻辑功能巧妙结合在一起实现了ns级窄脉冲输出，输出的脉宽可由rc调节，本文中得到的脉宽可达10ns左右而电压幅值保持为5v。通过硬件电路实测进一步验证了仿真结果，实测获得了小于10ns的脉宽，电压幅值下降不到1v，但波形有一定失真。因此基于或非门组成的积分电路不仅实现了ns级窄脉冲输出，并且结构简单，性能稳定，具有很好的应用前景，可用于脉冲电源中的驱动、臭氧发生器、信号采集、同步触发和激光电源驱动等领域。参考文献1杨燕，俞敦和，吴姚芳，侯霞.新型窄脉冲半导体激光器驱动电源的研制j.中国激光，2011（02）：30-35 .2尹莉，彭浩，杨涛.窄脉冲小信号运算放大电路的设计与实现j.电子

10、元器件应用，2011（09）：18-20.3邹晓兵，朱宏林，曾乃工，王新新.纳秒级高压快脉冲发生器的研制j.高电压技术，2011（03）： 787-792 .4陈彦超，赵柏秦，李伟.用于纳秒级窄脉冲工作的大功率半导体激光器模块j.光学精密工程，2009（04）：695-700 .5黄堂森.用于超宽带穿墙雷达的窄脉冲产生技术j.电子科技，2007（02）：23-24+28.6邓桃，吴广宁，周凯，吴建东.一种纳秒级高压脉冲发生器的研制j.高压电器， 2007（02）：131-132+135.7邢超，胡以华.窄脉冲信号采集系统设计j.科学技术与工程，2006（10）：1367-1371.8李育红，周

11、正.超宽带无线通信技术的新进展j.系统工程与电子技术，2005（01）：20-24+99.9汪洋，张乃通.超宽带无线通信概述j.云南民族大学学报（自然科学版），2005，（01）：3-7 .10程健云.窄脉冲技术在精细超声检测中的应用j.无损探伤，2004（01）：11-13.11刘钟阳，吴彦，王宁会.双极性窄脉冲介质阻挡放电合成臭氧的研究j.高电压技术，2001（02）：28-29+3812张靖，黎海涛，张平.超宽带无线通信技术及发展j.电信科学，2001（11）：3-7.作者单位赣南师范学院物理与电子信息学院光电子材料与技术研究所 江西省赣州市 341000endprint摘 要脉冲技术在

12、电力系统中的高压绝缘监测、激光技术、微波技术和电磁兼容性等试验方面都有很广泛的实际应用。本文采用单稳态电路和或非门（74ls02）组成的积分电路设计了窄脉冲发生电路，并利用multisim软件进行了仿真分析。结果表明，基于或非门组成的积分电路，将rc积分性质和或非门的逻辑功能巧妙结合在一起实现了ns级窄脉冲输出，得到的脉宽可达10ns左右而电压幅值保持为5v。【关键词】窄脉冲 rc积分 或非门1 引言随着科学技术的发展，脉冲技术在电力系统中的高压绝缘监测、激光技术、微波技术和电磁兼容性等试验方面都有很广泛的实际应用，如用于超宽带通信技术、除尘技术、固体绝缘空间电荷分布的测试装置和电火花加工表面

13、粗超度检测等。近年来，随着电子技术的飞速发展，在无线通信用户急增，频谱资源越来越稀缺，通信容量越来越大以及传输速率越来越来高的形势下，人们对超宽带技术的认识也更加清楚，由此逐步转入民用阶段，用于实现高性能、低成本的无线通信系统。1962年，惠普公司开发出取样示波器，纳秒级脉冲的产生方法才得以发展，当时普遍采用雪崩晶体管或隧道二极管产生脉宽为纳秒级的脉冲信号，提供可供分析用的冲激激励信号，这使得人们能够正确地观察和测量微波网络的冲激响应。能产生几百毫伏窄脉冲的高速器件有隧道二极管和ecl集成电路，能产生几十伏到几百伏的高速器件有雪崩晶体三极管、阶越恢复二极管和俘越二极管。但是这些方法设计的窄脉冲

14、发生器脉宽固定，不能调节脉宽，给应用带来不便。为满足不同应用场合对脉宽的需要，本文设计了结构简单且脉宽可调的窄脉冲发生电路，并利用multisim软件进行了仿真分析。2 脉冲发生电路设计及仿真2.1 采用555多谐振荡器产生1khz信号由于555多谐振荡器产生的方波可调性较好，而失真度较小。因此，先采用555多谐振荡器产生所需频率对应的方波，这里选择1khz 作为需要的频率。多谐振荡器产生1khz方波电路如图1所示，将r2调至6.7k时由图中元件参数可得周期t=0.69（r1+2r2）c1×10-3s，频率则为f=1/t=1khz。改变电路中的r2，频率和占空比都将随之变化。利用mu

15、ltisim中的示波器对上述电路进行仿真分析，仿真波形如图2所示。图中可以看出，其输出波形的电压幅值为5v，频率为1khz，占空比略大于50%，获得了所要求的1khz方波信号，可以作为后续电路的输入信号。2.2 与555单稳态触发器组合构成窄脉冲发生电路555单稳态电路有一个稳态和一个暂稳态，是利用电容的充放电形成暂稳态的，因此它的输入端都带有定时电阻和定时电容，常见的555单稳电路有两种：人工启动型和脉冲启动型，在此我们应用的是脉冲启动型。脉冲启动型是将555芯片的6、7脚并接起来接在定时电容ct上，用2脚作输入就成为脉冲启动型单稳电路。如图3所示，555芯片的2脚正常输入为高电平，当输入为

16、低电平或输入负脉冲时才启动电路进入暂稳态。将1khz 的脉冲加入到单稳态电路中555定时器的2脚，为了去掉输入信号中的直流分量，在2脚之前串入一个电容。改变电阻r1和电容c1的值可以改变输出波形的占空比，经过对图3中单稳态可调电阻r1 和电容c1的多次调节得出，在输出波形较理想的前提下，当r1=50，c1=nf时，可以得到最窄的脉宽约为4us，电压幅值保持为5v。仿真波形如图4所示， x轴上面的波形是555多谐振荡产生的1khz方波，即单稳态触发器的输入信号。x轴下面的是单稳态触发器输出的脉冲。输出的波形中可以看到，经过单稳态触发器之后，脉冲宽度变为了4us。用555单稳态触发器实现的脉宽只达

17、到了微秒级，没有得到纳秒级的窄脉冲输出。2.3 或非门构成的窄脉冲发生电路通常由微分或积分电路组成的脉冲电路中都有一个开关如火花开关、igbt等来控制电容的充放电周期，由于开关本身的结构及参数限制，会导致脉冲宽度有限且不易控制。本文中通过将2个或非门和rc积分电路组合起来，而不需要开关器件就实现了窄脉冲输出。电路如图5所示，555定时器产生的1khz方波顺序经过2个或非门后进行输出。由或非门的逻辑关系得出输出端2与a、b端的逻辑关系为 ，输出端2如要得到高电平，则图中的a端需为低电平同时b端为高电平，但a端变为低电平时，b端的c1会通过小电阻r1迅速放电，从而b端由高电平迅速变为了低电平，也就

18、形成了很窄的正脉冲输出。正是由于rc积分电路和或非门的逻辑功能巧妙配合实现了简单、稳定的窄脉冲输出，输出的脉宽则取决于rc积分电路的电阻电容参数。通过电路仿真，得出输出端2的波形如图6所示，r1=10，c1=1nf时窄脉冲的脉宽约为10ns左右，电压幅值为5v，此时脉冲的上升沿和下降沿都很陡，波形比较理想。该电路中可以通过调节 和 的值来改变脉宽，电阻电容的数值越小，脉宽就越小。在实际完成的硬件电路中，由泰克示波器tds2012测得输出脉冲波形如图7所示，脉冲宽度小于10ns，电压幅值约4.2v，但波形上升和下降比较慢。与仿真结果相比，由于或非门的输入输出等效电容效应，减缓了波形上升和下降的速

19、度，导致实际波形有一定失真。3 结论本文在555定时器产生1khz方波基础上，分别采用单稳态电路和或非门（74ls02）组成的积分电路设计了窄脉冲发生电路，并进行了仿真分析和实测。结果表明，两种结构组成的窄脉冲电路都实现了脉宽的大幅减小且幅值不变。基于555单稳态的脉冲电路中，改变电阻r1和电容c1的值可以改变输出波形的占空比，得到最窄的脉宽约为4us，电压幅值为5v，用单稳态触发器实现的脉宽只达到了微秒级，没有得到纳秒级的窄脉冲输出。基于或非门组成的积分电路，则将rc积分性质和或非门的逻辑功能巧妙结合在一起实现了ns级窄脉冲输出，输出的脉宽可由rc调节，本文中得到的脉宽可达10ns左右而电压

20、幅值保持为5v。通过硬件电路实测进一步验证了仿真结果，实测获得了小于10ns的脉宽，电压幅值下降不到1v，但波形有一定失真。因此基于或非门组成的积分电路不仅实现了ns级窄脉冲输出，并且结构简单，性能稳定，具有很好的应用前景，可用于脉冲电源中的驱动、臭氧发生器、信号采集、同步触发和激光电源驱动等领域。参考文献1杨燕，俞敦和，吴姚芳，侯霞.新型窄脉冲半导体激光器驱动电源的研制j.中国激光，2011（02）：30-35 .2尹莉，彭浩，杨涛.窄脉冲小信号运算放大电路的设计与实现j.电子元器件应用，2011（09）：18-20.3邹晓兵，朱宏林，曾乃工，王新新.纳秒级高压快脉冲发生器的研制j.高电压技

21、术，2011（03）： 787-792 .4陈彦超，赵柏秦，李伟.用于纳秒级窄脉冲工作的大功率半导体激光器模块j.光学精密工程，2009（04）：695-700 .5黄堂森.用于超宽带穿墙雷达的窄脉冲产生技术j.电子科技，2007（02）：23-24+28.6邓桃，吴广宁，周凯，吴建东.一种纳秒级高压脉冲发生器的研制j.高压电器， 2007（02）：131-132+135.7邢超，胡以华.窄脉冲信号采集系统设计j.科学技术与工程，2006（10）：1367-1371.8李育红，周正.超宽带无线通信技术的新进展j.系统工程与电子技术，2005（01）：20-24+99.9汪洋，张乃通.超宽带无线

22、通信概述j.云南民族大学学报（自然科学版），2005，（01）：3-7 .10程健云.窄脉冲技术在精细超声检测中的应用j.无损探伤，2004（01）：11-13.11刘钟阳，吴彦，王宁会.双极性窄脉冲介质阻挡放电合成臭氧的研究j.高电压技术，2001（02）：28-29+3812张靖，黎海涛，张平.超宽带无线通信技术及发展j.电信科学，2001（11）：3-7.作者单位赣南师范学院物理与电子信息学院光电子材料与技术研究所 江西省赣州市 341000endprint摘 要脉冲技术在电力系统中的高压绝缘监测、激光技术、微波技术和电磁兼容性等试验方面都有很广泛的实际应用。本文采用单稳态电路和或非门（

23、74ls02）组成的积分电路设计了窄脉冲发生电路，并利用multisim软件进行了仿真分析。结果表明，基于或非门组成的积分电路，将rc积分性质和或非门的逻辑功能巧妙结合在一起实现了ns级窄脉冲输出，得到的脉宽可达10ns左右而电压幅值保持为5v。【关键词】窄脉冲 rc积分 或非门1 引言随着科学技术的发展，脉冲技术在电力系统中的高压绝缘监测、激光技术、微波技术和电磁兼容性等试验方面都有很广泛的实际应用，如用于超宽带通信技术、除尘技术、固体绝缘空间电荷分布的测试装置和电火花加工表面粗超度检测等。近年来，随着电子技术的飞速发展，在无线通信用户急增，频谱资源越来越稀缺，通信容量越来越大以及传输速率越

24、来越来高的形势下，人们对超宽带技术的认识也更加清楚，由此逐步转入民用阶段，用于实现高性能、低成本的无线通信系统。1962年，惠普公司开发出取样示波器，纳秒级脉冲的产生方法才得以发展，当时普遍采用雪崩晶体管或隧道二极管产生脉宽为纳秒级的脉冲信号，提供可供分析用的冲激激励信号，这使得人们能够正确地观察和测量微波网络的冲激响应。能产生几百毫伏窄脉冲的高速器件有隧道二极管和ecl集成电路，能产生几十伏到几百伏的高速器件有雪崩晶体三极管、阶越恢复二极管和俘越二极管。但是这些方法设计的窄脉冲发生器脉宽固定，不能调节脉宽，给应用带来不便。为满足不同应用场合对脉宽的需要，本文设计了结构简单且脉宽可调的窄脉冲发

25、生电路，并利用multisim软件进行了仿真分析。2 脉冲发生电路设计及仿真2.1 采用555多谐振荡器产生1khz信号由于555多谐振荡器产生的方波可调性较好，而失真度较小。因此，先采用555多谐振荡器产生所需频率对应的方波，这里选择1khz 作为需要的频率。多谐振荡器产生1khz方波电路如图1所示，将r2调至6.7k时由图中元件参数可得周期t=0.69（r1+2r2）c1×10-3s，频率则为f=1/t=1khz。改变电路中的r2，频率和占空比都将随之变化。利用multisim中的示波器对上述电路进行仿真分析，仿真波形如图2所示。图中可以看出，其输出波形的电压幅值为5v，频率为1

26、khz，占空比略大于50%，获得了所要求的1khz方波信号，可以作为后续电路的输入信号。2.2 与555单稳态触发器组合构成窄脉冲发生电路555单稳态电路有一个稳态和一个暂稳态，是利用电容的充放电形成暂稳态的，因此它的输入端都带有定时电阻和定时电容，常见的555单稳电路有两种：人工启动型和脉冲启动型，在此我们应用的是脉冲启动型。脉冲启动型是将555芯片的6、7脚并接起来接在定时电容ct上，用2脚作输入就成为脉冲启动型单稳电路。如图3所示，555芯片的2脚正常输入为高电平，当输入为低电平或输入负脉冲时才启动电路进入暂稳态。将1khz 的脉冲加入到单稳态电路中555定时器的2脚，为了去掉输入信号中

27、的直流分量，在2脚之前串入一个电容。改变电阻r1和电容c1的值可以改变输出波形的占空比，经过对图3中单稳态可调电阻r1 和电容c1的多次调节得出，在输出波形较理想的前提下，当r1=50，c1=nf时，可以得到最窄的脉宽约为4us，电压幅值保持为5v。仿真波形如图4所示， x轴上面的波形是555多谐振荡产生的1khz方波，即单稳态触发器的输入信号。x轴下面的是单稳态触发器输出的脉冲。输出的波形中可以看到，经过单稳态触发器之后，脉冲宽度变为了4us。用555单稳态触发器实现的脉宽只达到了微秒级，没有得到纳秒级的窄脉冲输出。2.3 或非门构成的窄脉冲发生电路通常由微分或积分电路组成的脉冲电路中都有一

28、个开关如火花开关、igbt等来控制电容的充放电周期，由于开关本身的结构及参数限制，会导致脉冲宽度有限且不易控制。本文中通过将2个或非门和rc积分电路组合起来，而不需要开关器件就实现了窄脉冲输出。电路如图5所示，555定时器产生的1khz方波顺序经过2个或非门后进行输出。由或非门的逻辑关系得出输出端2与a、b端的逻辑关系为 ，输出端2如要得到高电平，则图中的a端需为低电平同时b端为高电平，但a端变为低电平时，b端的c1会通过小电阻r1迅速放电，从而b端由高电平迅速变为了低电平，也就形成了很窄的正脉冲输出。正是由于rc积分电路和或非门的逻辑功能巧妙配合实现了简单、稳定的窄脉冲输出，输出的脉宽则取决

29、于rc积分电路的电阻电容参数。通过电路仿真，得出输出端2的波形如图6所示，r1=10，c1=1nf时窄脉冲的脉宽约为10ns左右，电压幅值为5v，此时脉冲的上升沿和下降沿都很陡，波形比较理想。该电路中可以通过调节 和 的值来改变脉宽，电阻电容的数值越小，脉宽就越小。在实际完成的硬件电路中，由泰克示波器tds2012测得输出脉冲波形如图7所示，脉冲宽度小于10ns，电压幅值约4.2v，但波形上升和下降比较慢。与仿真结果相比，由于或非门的输入输出等效电容效应，减缓了波形上升和下降的速度，导致实际波形有一定失真。3 结论本文在555定时器产生1khz方波基础上，分别采用单稳态电路和或非门（74ls02）组成的积分电路设计了窄脉冲发生电路，并进行了仿真分析和实测。结果表明，两种结构组成的窄脉冲电路都实现了脉宽的大幅减小且幅值不变。基于555单稳态的脉冲电路中，改变电阻r1和电容c1的值可以改变输出波形的占空比，得到最窄的脉宽约为4us，电压幅值为5v，用单稳态触发器实现的脉宽只达到了微秒级，没有得到纳秒级的窄脉冲输出。基于或非门组成的积分电路，则将rc积分性质和或非门的逻辑功能巧妙结合在一起实现了ns级窄脉冲输出，输出的脉宽可由r