0 引言

    脈沖信號是一種離散信號，在電力電子技術運用中，可編程器件和一些硬件電路可產(chǎn)生脈沖信號^[1]。其中可編程器件一般產(chǎn)生的脈沖信號是正向脈沖，電平相對固定，如DSP和單片機只能處理幅值最大為3.3 V和5 V的正脈沖信號，脈沖寬度和傳輸延時可通過軟件調(diào)整但存在局限性，脈沖上下沿時間由產(chǎn)生器件自身特性決定。產(chǎn)生脈沖信號的硬件電路有V/F變換電路、比較放大電路和振蕩電路等，這些電路產(chǎn)生的脈沖信號是正負向脈沖不定，電平為非標準電平，脈沖寬度和傳輸延時固定，脈沖上下沿時間較長且無法控制。脈沖信號質(zhì)量的好壞在電力電子的運用中是至關重要的因素，脈沖電平、脈沖寬度和脈沖傳輸延時都影響其實用范圍，脈沖上下沿時間長短更是影響效率的重要指標?？删幊唐骷鸵话阌布娐樊a(chǎn)生的脈沖信號直接用于驅動電路控制功率管工作時，往往會給驅動電路和主電路帶來許多干擾與損耗，特別是高頻脈沖信號^[2-5]。因此本文針對可編程器件與普通脈沖信號硬件電路無法同時優(yōu)化脈沖信號多個重要指標的問題，提出一種高性能脈沖處理電路模塊，該模塊旨在同時控制脈沖的方向、電平、寬度、上下沿時間和傳輸延時^[6]，將接收的脈沖信號與驅動電路匹配。

    國內(nèi)研究目前并沒有同時處理高速脈沖信號多個指標的電路，具體分析關鍵指標上下沿時間^[7]，普通的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生1 MHz脈沖信號的上下沿時間約80 ns，其他常規(guī)信號處理電路產(chǎn)生的1 MHz脈沖信號上下沿時間約60 ns。通過理論分析和開發(fā)經(jīng)驗顯示，此類高性能脈沖信號處理電路設計和制作難度大，從電路原理設計到元件選擇、元件布局和走線工藝的設計，均需采用線性高頻電子電路的設計方法和制作工藝，否則成功的可能性很小。計劃通過EDA仿真與實驗測試，結合電源完整性和電磁兼容性實現(xiàn)高性能脈沖信號處理電路模塊^[8-9]，處理頻率高達1 MHz的高速脈沖信號非標準電平轉化為標準電平，實現(xiàn)脈寬40%至60%可調(diào)，上下沿時間控制在30 ns以內(nèi)，延時最高達80 ns，提高抗干擾能力^[10]。電路達到上述指標，可拓展脈沖信號實用范圍，提高靈活性，高質(zhì)量的脈沖信號提高了驅動電路的可靠性和時效性，從而提高了功率管的開關效率，大大提升主電路的高效性^[11]。

1 高性能脈沖處理電路設計

    電路總體結構框圖如圖1所示，該電路由電平轉換及脈寬調(diào)整電路、脈沖正向整流及上下沿時間控制電路、脈沖信號傳輸延時調(diào)整及抗干擾電路、加固電源電路共四個單元電路組成。高性能脈沖電路原理圖如圖2所示。

    如圖2(a)所示待處理脈沖信號為u_in，電位器R_W1和電阻R₁構成了簡單分壓電路^[12]，通過調(diào)節(jié)R_W1阻值實現(xiàn)脈沖信號電壓的初步調(diào)節(jié)。

    R₂與R_W2串聯(lián)連接，通過調(diào)節(jié)R_W2改變運算放大器反相輸入端電壓值，再與運算放大器同相端產(chǎn)生的微分信號比較^[13]，從而實現(xiàn)脈沖信號脈寬大小的調(diào)整，同時可通過調(diào)節(jié)運算放大器U1電源電壓實現(xiàn)脈沖信號電壓的進一步調(diào)節(jié)。為滿足1 MHz及以上脈沖信號的處理要求，運算放大器U1的增益帶寬積是關鍵參數(shù)。

    其中電容C₁，電位器R_W2，電阻R₂、R₃，運算放大器U1構成高速可調(diào)比較微分電路，電容C₂、C₃起退耦濾波作用，保證運算放大器U1電源完整性，在處理高頻信號時穩(wěn)定可靠。

    脈沖正向整流及上下沿時間控制電路工作原理如圖3所示。當運算放大器U1輸出負向脈沖，二極管D1正向導通，二極管D1陰極電壓接近0 V，二極管D2和D3不導通，由于電阻R₅接模擬地，在電阻R₅和二極管D2、D3的陰極輸出為0 V；當運算放大器U1輸出正向脈沖，二極管D1不導通，二極管D1陰極電壓接近脈沖正向幅值，二極管D2和D3導通，在電阻R₅和二極管D2、D3的陰極輸出接近脈沖正向幅值電壓；控制D1的開關速度小于D2和D3，避免其同時開通時增加輸出脈沖由低電平向高電平變換所需時間，通過提高D2和D3的開關速度能有效減小脈沖信號上升沿時間；因此二極管D1、D2和D3的開關速度選擇尤為重要，選擇恰當時能保證輸出脈沖信號上下沿延時時間控制在30 ns以內(nèi)。

    脈沖信號傳輸延時調(diào)整及抗干擾電路如圖2(b)所示。施密特觸發(fā)器A具有鑒幅功能，既可以把脈沖信號中的小幅值干擾阻隔，又可以對脈沖信號進行整形，進一步縮短脈沖信號下降沿時間。電容具有濾波功能，可以把信號中的高頻雜波濾除，提高脈沖信號的抗干擾性能，同時利用電容C₈、C₉、C₁₀和C₁₁的充電延時特性結合施密特觸發(fā)器延時特性實現(xiàn)對脈沖信號的微小延時，調(diào)整傳輸時間，提高與其他信號共同使用時的協(xié)調(diào)能力。

    加固電源電路S如圖2(c)所示。通過磁珠把模擬地和數(shù)字地橋接，利用磁珠高頻阻抗高的特點有效阻隔模擬地和數(shù)字地之間的干擾，同時減小電源端干擾，使電路在高頻狀態(tài)下工作時穩(wěn)定可靠。

2 電路仿真與實驗測試

2.1 LTspice電路仿真

    LTspice是一個性價比較高的開源EDA軟件，本文采用其對整個電路進行原理性實驗^[14-15]。仿真電路與高性能脈沖處理電路原理圖一致，輸入脈沖信號u_in，頻率1 MHz，峰峰值24 V，上下沿時間100 ns，正占空比約50%。輸入脈沖信號如圖4所示。

    電路輸入脈沖信號u_in通過分壓電路之后進入高速可調(diào)比較微分電路。高速可調(diào)比較微分電路輸入端信號如圖5所示，其中u+為運算放大器同相端輸入信號，u-為運算放大器反相端輸入信號。同相端信號u+由電容C₁和電阻R₃控制。反相端信號u-為電壓比較點，由電阻R₂和電位器R_W2控制，通過調(diào)節(jié)R_W2實時改變電壓比較點，進而改變運算放大器輸出脈沖的脈寬。高速可調(diào)比較微分電路輸出信號如圖6中u₁所示，與輸入脈沖信號u_in對比脈沖信號u₁正占空比明顯減少。

    脈沖正向整流及上下沿時間控制輸出信號如圖6中u_o1所示，由于仿真電路中器件為理想器件，因此D1、D2、D3開關速度對脈沖信號上下沿延時的控制作用無法從仿真波形中呈現(xiàn)，仿真主要體現(xiàn)了對輸入脈沖信號的整流作用。

    脈沖信號傳輸延時調(diào)整及抗干擾電路仿真波形圖如圖6中u_o2所示，通過與u_o1對比可明顯看出u_o2相位后移，兩者延時約100 ns，波形干凈利落，抗干擾能力提高，實現(xiàn)信號的傳輸延時調(diào)整及抑制干擾。

2.2 電路實物與測試結果

    高性能脈沖處理電路模塊如圖7所示，設計制作的PCB按頻率0.6 GHz的高頻線性電路設計方法進行高性能脈沖處理電路印制電路板的布局和走線^[16]；印制電路板按高速信號完整性和電源完整性的布局和布線方法進行布局和走線，有效進行模擬地和數(shù)字地的分割與橋接，4層印刷電路板有效減少印制電路板上的分布電感和分布電容，減小其形成的傳輸延時、脈沖上下沿時間，同時解決高幅值衰減振蕩和高頻輻射干擾問題，模塊中元器件排列緊湊，模塊尺寸僅50 mm×50 mm。

    對設計制作的電路進行性能測試，使用的儀器包括：YB1731A直流穩(wěn)壓電源，DF1641A函數(shù)發(fā)生器，UTD7102B示波器，MT-1280數(shù)字萬用表。

    使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號u_in，頻率1 MHz，峰峰值24 V，上下沿延時約80 ns，正占空比約50%。輸入脈沖信號首先通過電平轉換及脈寬調(diào)整電路，再通過脈沖正向整流電路，其測試結果如圖8所示。圖8中示波器CH1通道為電平轉換后的脈沖信號，頻率1 MHz，峰峰值10 V，上下沿延時間約80 ns，正占空比50.5%。圖8中示波器CH2通道為脈寬調(diào)整及整流后的脈沖信號，通過調(diào)節(jié)電位器R_W2改變比較微分電路的比較點實現(xiàn)了脈沖信號脈寬實時可調(diào)，圖8中(a)、(b)、(c)CH2通道測量顯示占空比為28.6%、50%、53.1%；運算放大器電源電壓為正負5 V，通過正向整流后將脈沖信號電壓控制在0至5 V之間，頻率保持1 MHz不變。在實際運用中可根據(jù)需要改變電容C₁，電阻R₂、R₃以及電位器R_w2從而控制脈沖信號脈寬的可調(diào)范圍，選取合適的運算放大器及其電源電壓控制輸出脈沖電壓最大值。

    通過上下沿延時控制電路，實現(xiàn)上下沿延時的控制，測試結果如圖9所示。輸入脈沖信號CH1上下沿延時間84 ns，輸出脈沖信號CH2上升時間23 ns、下降時間56 ns，頻率1 MHz。由測量波形可直觀看出脈沖信號上下沿陡度明顯提高，上下沿時間縮短。與仿真相比，客觀地反應了D1、D2、D3開關速度對電路上下沿時間的影響。

    通過脈沖信號傳輸延時調(diào)整及抗干擾電路，實現(xiàn)輸入信號與輸出信號傳輸延時可調(diào)，進一步縮短下降沿延時，測試結果如圖10所示。下降沿時間進一步下降為13 ns，輸入脈沖信號與輸出脈沖信號延時測量ΔT為110 ns，通過施密特觸發(fā)器自身延時與調(diào)節(jié)電容C₄、C₅、C₆、C₇的容值改變充電時間，實現(xiàn)控制傳輸延時時間，同時電容的存在還可抑制高頻干擾。

    輸入脈沖信號與輸出脈沖信號主要性能指標對比如表1所示。輸入的脈沖信號頻率為1 MHz，峰峰值24 V，上下沿時間80 ns，正占空比恒定50%，通過上述電路之后輸出的脈沖信號保持高速，頻率1 MHz不變，電壓轉換為標準電平峰峰值4.5 V，脈寬20%至60%可調(diào)，上下沿時間大幅減小，上升沿時間23 ns，下降沿時間13 ns，調(diào)節(jié)傳輸延時實現(xiàn)與輸入信號相差110 ns。

3 結論

    本文設計一種高性能脈沖信號處理電路，集成脈沖信號的方向控制、電平轉化、脈寬調(diào)節(jié)、傳輸延時調(diào)整和上下沿時間控制多個功能于一體。通過EDA仿真軟件驗證了電路原理的正確性，通過實際制作與測量驗證電路模塊的可靠性。相比預期設計指標，實測指標均有大幅提升，針對1 MHz的高速脈沖信號脈寬調(diào)節(jié)范圍達到20%至60%，上下沿時間控制在25 ns以內(nèi)，其中下降沿時間低至13 ns，傳輸延時為20 ns至110 ns。在電力電子運用中，上述指標的脈沖信號是相當高質(zhì)量的脈沖信號，該脈沖信號提高了抗干擾能力，有效匹配各類功率管驅動電路，提高驅動電路與主電路的可靠性和高效性，同時模塊支持高頻率的脈沖信號，大大優(yōu)化驅動電路與主電路的電路結構。該電路脈寬調(diào)節(jié)范圍有待進一步提高，施密特觸發(fā)器的自身延時使信號存在20 ns的延時。電路在針對2 MHz信號時性能指標雖不及1 MHz但仍有大幅提升，由于篇幅限制未做詳細展示。該電路模塊脈沖信號處理能力還有很大的提升空間，提高充電電流和選取極間電容更大的二極管能進一步縮短上升沿時間，提高電路效率；鏡像正向整流電路可將脈沖信號整流為負脈沖；采用更加精密的運算放大器和精細的電路制作工藝可將脈沖信號頻率提高到5 MHz，優(yōu)化電路整體設計思路；試用范圍并不局限于電力電子脈沖信號的處理，還可拓展到傳感器脈沖信號處理的范疇。

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作者信息:

謝鶴齡，金建輝，謝佳明，萬  舟

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明650504)