摘 要： 一種用于功率MOSFET器件觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生的多" title="的多">的多通道可調(diào)脈寬" title="脈寬">脈寬脈沖發(fā)生器。該裝置具有控制簡(jiǎn)單，多個(gè)通道時(shí)間抖動(dòng)小的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 信號(hào)發(fā)生器? 多通道" title="多通道">多通道? 脈寬可調(diào)
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高重復(fù)頻率的固體開(kāi)關(guān)技術(shù)是脈沖功率領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。在兆赫茲重復(fù)頻率下，適合構(gòu)成固體開(kāi)關(guān)的功率電子器件有金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、砷化鎵光導(dǎo)開(kāi)關(guān)(GaAs-PCSS)等。對(duì)于將功率MOSFET器件作為固體開(kāi)關(guān)的脈沖功率源" title="功率源">功率源，由于單個(gè)功率MOSFET器件的耐壓和輸出電流能力有限，為了得到更高的電壓和更大的電流，需要對(duì)大量的功率MOSFET器件進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)。美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)用于產(chǎn)生20kV、400A的脈沖功率源，一共使用了720個(gè)功率MOSFET器件[1]。這些功率MOSFET器件在產(chǎn)生輸出脈沖時(shí)是同步觸發(fā)的，這樣就需要有多通道的同步觸發(fā)信號(hào)。
功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度非?？?，一般為十幾納秒。因此，對(duì)同步輸出的觸發(fā)信號(hào)需要的時(shí)間抖動(dòng)要小于MOSFET器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間，否則將會(huì)引起并聯(lián)的MOSFET器件的電流不均勻，導(dǎo)致器件損壞。MOSFET器件的開(kāi)關(guān)完全是由輸入柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)決定的，為了能使功率MOSFET器件能在MHz的重復(fù)頻率下工作，要求觸發(fā)信號(hào)源有很小脈寬的輸出能力。本文介紹了一種可用于兆赫茲重復(fù)頻率的脈沖功率源上作為觸發(fā)信號(hào)的多通道可調(diào)脈寬、頻率的脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)。
1 系統(tǒng)的組成和工作原理
脈沖發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，整個(gè)系統(tǒng)由控制部分和光纖發(fā)射電路部分組成。在控制部分中，單片機(jī)89S52和可編程邏輯器件(CPLD)ispLSI1032E組成了脈沖產(chǎn)生的邏輯硬件核心。單片機(jī)負(fù)責(zé)接收并解析上位機(jī)（PC機(jī)）的設(shè)置信息，如輸出脈沖的寬度，頻率和個(gè)數(shù)，通過(guò)運(yùn)算得到CPLD所需的分頻數(shù)，并通過(guò)8位總線傳輸給CPLD，由CPLD產(chǎn)生多個(gè)通道同步輸出的脈沖信號(hào)。單片機(jī)還可以讀取CPLD中關(guān)于輸出脈沖的設(shè)置，處理后返回到上位機(jī)作為診斷信息。CPLD的優(yōu)點(diǎn)是可用I/O口多，可以實(shí)現(xiàn)多通道的同步輸出。光纖發(fā)射電路將每一路控制產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)電路之后，分成12路的同步脈沖，用光纖發(fā)射器件以光信號(hào)" title="光信號(hào)">光信號(hào)的方式輸出。
2 硬件設(shè)計(jì)
控制部分的核心是單片機(jī)和CPLD器件，它們之間的接口方式一般有獨(dú)立方式和總線方式兩種。獨(dú)立方式最大的優(yōu)點(diǎn)是接口邏輯無(wú)須遵循單片機(jī)內(nèi)固定的總線方式的讀寫(xiě)時(shí)序。總線方式具有編程簡(jiǎn)單、速度快的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用8位總線方式，圖2為硬件連接原理圖。設(shè)計(jì)中選用的CPLD是Lattice公司的ispLSI1032E-125LJ，CPLD的時(shí)鐘采用80MHz的有源晶振，產(chǎn)生的脈沖的最小脈寬為12.5ns，最大的脈沖寬度 為12.5×256=3187.5ns。在脈沖串輸出模式下最多可以輸出255個(gè)脈沖；在連續(xù)輸出模式下，輸出脈沖個(gè)數(shù)不受限制。這樣的設(shè)計(jì)可以滿足脈沖功率源的應(yīng)用范圍。
單路光纖發(fā)射電路原理圖見(jiàn)圖3。為了使光纖發(fā)射器件有足夠的驅(qū)動(dòng)電流，電路中用了3個(gè)與非門(mén)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。每一個(gè)CPLD的輸出端口都由光纖發(fā)射電路分成12路同步光信號(hào)輸出，因此，最后能得到的觸發(fā)信號(hào)的路數(shù)可以是非常多的，足以滿足現(xiàn)階段開(kāi)展的脈沖功率源的研究需要。
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3 軟件設(shè)計(jì)
信號(hào)發(fā)生器需要編寫(xiě)上位機(jī)(PC機(jī))、單片機(jī)和CPLD的程序。在PC機(jī)上，用Microsoft Visual Studio 2005作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以VB作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用System.IO.Ports.SerialPort作為串口通信的控件，編寫(xiě)了上位機(jī)的控制程序。SerialPort控件很好地封裝了串口通信的操作，編寫(xiě)程序僅僅需要調(diào)用Write和ReadByte這兩個(gè)函數(shù)[2]。PC的功能模塊包括設(shè)置和獲取信號(hào)發(fā)生器輸出脈沖的寬度、數(shù)量、頻率、復(fù)位單片機(jī)等。 開(kāi)發(fā)的脈沖信號(hào)發(fā)生器控制程序的用戶界面如圖4所示。
單片機(jī)89S52程序的各個(gè)函數(shù)模塊之間的關(guān)系和程序流程如圖5和圖6所示。整個(gè)程序以串口中斷處理函數(shù)作為程序的主流程。同時(shí)，由于把CPLD作為單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，單片機(jī)對(duì)CPLD的控制程序就簡(jiǎn)化為對(duì)CPLD映射的幾個(gè)端口的讀寫(xiě)。
CPLD以Lattice公司的ispLevel3做為開(kāi)發(fā)工具，用VHDL作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，包括端口映射模塊和脈沖生成模塊。端口映射模塊模擬單片機(jī)的讀寫(xiě)時(shí)序，將CPLD映射為單片機(jī)的0x80～0x82這幾個(gè)地址。其VHDL語(yǔ)言關(guān)鍵代碼如下：
process(ALE，RD)
begin
if((ALE and RD)=′1′)then
read<=′1′；
end if；
if((ALE and RD)=′0′)then
read<=′0′；
end if；
end process；
--從總線上讀數(shù)據(jù)
process(read)
begin
if(read′EVENT and read =′0′) then
case ALE_Address is
when ″10000000″=>P0<=
baseSettingPeriod；
when ″10000001″=>P0<=
baseSettingWidth；
when ″10000010″=>P0<=
baseSettingPulsenumber；
when others =>P0<=″ZZZZZZZZ″；
end case；
end if；
end process；
--寫(xiě)數(shù)據(jù)到總線上
process(WR)
begin
if (WR′event and WR=′0′)then
case ALE_Address is
when ″10000000″=>baseSettingPeriod<=P0；
when ″10000001″=>baseSettingWidth<=P0；
when ″10000010″=>baseSettingPulsenumber<=P0；
when others=>null；
end case；
end if；
end process；
端口映射部分的仿真結(jié)果如圖7所示。
脈沖生成部分由兩個(gè)主要process組成，一個(gè)process用來(lái)產(chǎn)生單個(gè)的脈沖，另一個(gè)則用來(lái)產(chǎn)生設(shè)定數(shù)量的脈沖。仿真的波形如圖8所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖9是在周期為125ns、脈寬為12.5ns時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。對(duì)波形的測(cè)量結(jié)果如表1。
由測(cè)量結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)波形的脈沖寬度以及周期的測(cè)量值與相應(yīng)的設(shè)置值之間的誤差非常小。對(duì)二路光信號(hào)進(jìn)行接收、放大和調(diào)理之后的波形的測(cè)量顯示方法得到的多路功率MOSFET器件的觸發(fā)信號(hào)，時(shí)間抖動(dòng)可以小于1ns，相對(duì)于功率MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)間(十幾個(gè)ns)，其時(shí)間抖動(dòng)帶來(lái)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作不同步效應(yīng)可以忽略。因此，采用這種方式設(shè)計(jì)的多通道觸發(fā)電路可以適應(yīng)脈沖功率源的應(yīng)用要求。
本文介紹的使用51內(nèi)核的單片機(jī)和CPLD器件為硬件核心搭建的多通道可調(diào)脈寬的脈沖信號(hào)發(fā)生器，可以產(chǎn)生足夠數(shù)量的同步光信號(hào)，滿足兆赫茲重復(fù)頻率的脈沖功率源的大量同步觸發(fā)信號(hào)的應(yīng)用要求。
參考文獻(xiàn)
[1] COOK E G，ALLEN F V，Anaya E M，et al.Solid-
??? State modulator R&D at LLNL.International Workshop
???? on Recent Progress of Induction Accelerators Tsukuba，
???? Japan，2002.
[2] Microsoft Corporation.Microsoft MSDN Library.http：//
???? msdn2.microsoft.com/zh-cn/library/system.io.ports.
???? serialport.aspx