测控技术与仪器毕业论文 .doc

深 圳 大 学本 科 毕 业 论 文（设计）题目: 频率可调的快速方波电脉冲发生器 姓名: 专业: 测控技术与仪器 学院: 光电工程学院 学号: 2008170085 指导教师: 职称： 研究员 2012年 4 月 15 日 深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目X射线复合折射镜的制作 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。 毕业论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日目录摘要4一、前言4二、设计应用与指标5三、总体结构6四、各模块电路分析6（一）内触发振荡电路7（二）手动按键触发9（三）触发方式选择电路9（四）单稳态多谐振荡器10 (五)快速触发信号产生电路12 （六）可调延迟线 （七）方波成形电路 （八）低压稳压电源电路 （九）高压稳压电源电路五、全文总结和建议16（一）总结16（二）给实际研究方案的建议16致谢16参考文献17Abstract17摘要本文对基于绝缘薄膜开关的方波脉冲发生器的设计及整体结构作了较详细的介绍, 并分析了方波发生器放电回路杂散参数对方波前沿的影响。整机可产生幅值115 8kV、前沿小于115ns、脉宽40ns 的方波脉冲。关键词: 薄膜开关; 高电压; 方波发生器一、前言 脉冲信号是一种离散信号，形状多种多样，与普通模拟信号（如正弦波）相比，波形之间在时间轴不连续（波形与波形之间有明显的间隔）但具有一定的周期性是它的特点。最常见的脉冲波是矩形波（也就是方波）。脉冲信号可以用来表示信息，也可以用来作为载波，比如脉冲调制中的脉冲编码调制（PCM），脉冲宽度调制（PWM）等等，还可以作为各种数字电路、高性能芯片的时钟信号。 所谓脉冲信号表现在平面坐标上就是一条有无数断点的曲线,也就是说在周期性的一些地方点的极限不存在,比如锯齿波,也有电脑里用到的数字电路的信号,0,1。脉冲信号,也就是像脉搏跳动这样的信号，相对于直流，断续的信号，如果用水流形容，直流就是把龙头一直开着淌水，脉冲就是不停的开关龙头形成水脉冲。 你把手电打开灯亮，这是直流，你不停的开关灯亮、熄，就形成了脉冲，开关速度的快慢就是脉冲频率的高低。二、设计应用与指标随着科学技术的发展, 在许多科学研究领域和军事技术中, 脉冲前沿在纳秒一级的脉冲技术得到广泛应用, 如核物理和电子导弹的研究及电磁脉冲的测量等, 这就需要对脉冲进行准确测量。在高电压技术中, 快速变化的电压和电流波形的测量特别困难, 一般采用分压器和分流器等。但要准确测量, 就要求测量系统必须具有良好的方波响应, 否则会因响应特性不好造成误差和波形失真等。方波响应的测定一般利用方波发生器。目前大多采用汞润开关作为方波发生器的开关元件工。这种方波易于产生, 但由于汞润开关耐压较低, 方波电压幅值只有一。如果用这样的方波作为方波响应的信号源, 测量系统的输出信号很微弱, 且易受外界干扰, 测量系统的响应时间就难以准确测量。而高压方波响应实验中, 测量系统的输出电压较高, 高压方波又比较接近实际情况, 提高了方波响应的可信度。因此, 采用高压方波要优于低压方波。方波响应测定时, 要求方波的上升时间应小于测量系统所要求的响应时间的五分之一。因此, 对于上升前沿为几纳秒、几十纳秒的高压陡波的测量系统来说, 就需要一种新型的高压亚纳秒前沿的方波来测定其响应特性。 本文研究的频率可调快速方波电脉冲发生器是根据传输线原理, 通过高压放电管对欧姆负载放电而制作的。它生成的方波电脉冲频率可调分别为10HZ、100HZ、1kHZ、10kHZ和100kHZ五档， 幅度50v，前后沿小于300ps。由它产生的矩形脉冲不仅幅值较高, 而且方波脉冲宽度可调并上升前沿要优于一些高压方波。它经常用于高速设备中的“开门”脉冲和其他要求快速触发的设备，如高速示波器，还可以用于高压脉冲测量系统的方波响应, 还可通过变换充放电回路参数和脉冲放电管, 得到不同脉宽和幅值的矩形脉冲, 可用于雷达、电磁干扰等方面的研究。三 系统整体结1. 内触发振荡电路该电路由一片集成运放电路芯片和一些外围的电阻电容原件构成多谐振荡器，振荡频率可调，分为10HZ、100HZ、1kHZ、10kHZ和100kHZ五档可调，且每一档可微调；输出信号幅度为5v，用来提供内触发方式时的内触发信号。2. 手动按键 由常开按钮按键和一些电容电阻组成。按键每按下一次输出一个正向脉冲，用作手动单次触发时的手动触发信号。3. 外部触发信号接口 本系统提供一路外触发信号输入接口，该接口为SMA接头，并通过同轴电缆输入系统内部。4. 触发方式选择电路 该电路由单刀多掷开关实现；功能是从内触发方式，手动单次触发方式和外部信号触发方式中选择一种为系统提供触发信号。输出的触发信号的频率和幅度与所选择的触发方式提供的信号一致。5. 单稳态多谐振荡电路该电路由74HC123和一些电容电阻组成单稳态多谐振荡器。功能是接受触发信号后输出脉宽和幅度不变的脉冲信号，其宽度由电容和电容的参数值决定。触发信号由触发方式选择电路输出。6. 快速触发信号产生电路该电路由二极管、快速三极管和一些电容电感电阻原件构成。其功能为产生两路快前沿脉冲信号：一路为10V的负脉冲信号经过可调延迟线后去触发系统的方波成形电路；另一路为正脉冲经SMA接头输出给外部设备使用。7. 可调延迟线由八个双刀双掷开关和同轴线串联而成，共分0.1ns、0.2ns、0.4ns、0.8ns、1.6ns、3.2ns、6.4ns、12.8ns八个延迟档可供累加调节。用于将快速触发信号产生电路产生的负脉冲进行一定的延时后输出给方波成形电路。8. 方波成形电路该电路由耦合电感电容电阻三极管元件及充电线组成。耦合电感可以耦合信号过滤低频选择高频信号，再配合充电线产生脉宽可调的快速方波。快速方波的幅度为50V，前后沿小于300PS，脉冲宽度由充电线的长度决定。9. 低压稳压电源电路本电路主要由一些三极管二极管以及若干电容电阻元件组成。其功能是为内触发震荡电路提供低压，使当选择内触发方式时生成内触发信号。同时也给单稳态多谐振荡器提供低压，生成脉宽和幅度不变的脉冲信号。10. 高压稳压电源电路本电路主要由LM7815、LM7812、LM7805、LM7915、LM912和一些二极管及电容电阻元件组成。功能是为快速触发信号电路提供高压，使从单稳态多路振荡生成的脉冲信号经快速触发信号产生电路产生两路快前沿脉冲信号；以及为方波成形电路提供高压，使从可调延迟线生成的负脉冲经过方波成形电路产生最终需要的方波。 四、各模块电路分析本章分别对本设计“频率可调的快速方波脉冲发生器”主要的九个模块电路进行具体分析。主要展示它们的电路图和阐述它们的内部工作原理，以及关键元件的介绍和特性。（一） 内触发振荡电路首先我们来分析一下内触发振荡电路的工作原理，首先来看一下电路整体架构，电路整体是由一片集成运放和另外的一些阻容元件构成的。因为电路工作在振荡状态，所以说集成运放也就工作在了非线性状态，也就是它的输出脚7脚输出的电平要么为电源电压，要么为0V，就这两个状态。所以咱们可以通过这两个状态分别来考察一下整体电路的工作原理。首先来分析一下，如果输出脚为高电平时电路的状态，因为7脚这时为高电平5V，那么电阻R5的右端就相当于接到了电源电压上，也就是5V。而R4也是连接到5V上的，所以R4和R5就相当于并联在了一起，然后它们又和R6串联，进行分压，把分压的电压也就是R6右端输出的电压加到了集成运放的正输出脚2脚。这个电压值是多少呢？从通过分压的电路结构可以计算出来，R4与R5并联，两个15K并联也就是7.5K，而R6是15K（相当于7.5K的两倍），所以说2脚的电压值就是2/3的电源电压，即10/3 V。而这个时候集成运放3脚的电压是多少呢？因为这是3脚连接到了接地的电容上，那么集成运放的输出脚7脚就会通过100K的可变电阻和8.2K的R2向连接到3脚的电容进行充电。只要这个电容的电压被充到了比正向输入脚的2脚的电压值略高一点时候，那么集成运放7脚的输出电压就会跳转，由正电压跳转到0V，即由5V跳转到0V。这个时候电路的结构又发生变化了，此时7脚输出的是0V，那么电阻R5的右端就相当于连接到了地，这时再看电路结构，即相当于R5和R6同时接地，并联。R4是接电源电压5V的，所以说R4（15K）和R5、R6的并联电阻（7.5K）是串联在一起进行分压的。这个时候集成用放的输入脚2脚的电压值是1/3的电源电压，即5/3 V。这时再考察集成用放的反向输入脚3脚，因为之前3脚电压已经被充到2/3的电源电压，这时比正向输入端2脚的电压高，所以它会经过R2和100K的可变电阻对集成运放的输出脚7脚进行放电。放电过程中它的电压会下降，只要此电压下降到略小于正向输出端2脚的电压时，7脚的电压状态又发生一次跳转，变成5V（约等于电源电压）。此时电路结构又回到了第一种状态（输出为高电平）。如此反复电路就进入到了一种反复振荡的过程，7脚不断地输出高低高低的电平，这就是整个电路的工作原理。其中R3我们是需要注意的，因为我们要考察到集成运放311的具体的电路结构了，打开它的数据手册，我们可以看到因为它的输出端7脚是内部电路输出晶体管的集电极，所以它是一个集电极开路输出端，它要驱动外部电路就必须加上上拉电阻，则R3就是此上拉电阻，提供一个电源通路。既然此电路是振荡电路，那就是频率可调的，那么就讲讲它的原理。集成运放的反向输入脚3脚连接到了一个对立的电容上，而此电容我们可以选择5种不同容值的电容（102P,103P,104P,105P,106P）来代替。同时100K的可变电阻的阻值是可以变化的，这样当电路在振荡过程中，电容和电阻在充放电的速度就会因为阻值和电容值的不同而发生变化，因为充电电路中的电阻值和被充电电容的容值是可以改变的，导致了整个电路的振荡频率是可变的，这就是它的调频原理。（二）手动按键触发接下来我们说一下手动按键触发的电路结构和工作原理。首先它是由一个连接到5V的10M的电阻R9、一个对地的0.001的电容C9和一个对地的390欧的电阻R10，再加上一个常开的按钮按键构成的。在平时状态下，按键两端常开是不连接的，那么电容C9就会经电阻R9被充电。那么一旦按钮按键按下去时，电容就会与电阻R10接通，对它放电产生一个脉冲，作为一路触发信号来触发单稳态多谐振荡电路。（三）触发方式选择电路触发方式选择电路的实现是通过联动的三个单刀多掷开关来实现的。如图中所示，当多掷开关打到最左边的时候它选择的触发方式是手动单次触发方式；而打到EXT档的时候，它是外部触发信号触发；而打到10HZ、100HZ、1kHZ、10kHZ和100kHZ五档的时候，它是由内部振荡电路的信号进行触发的。这里特别说名外触发方式（EXT）的时候，它的触发幅度不宜太高，以免烧坏内部电容，同时它触发的信号频率也不能太高，也应该满足从10HZ到100kHZ范围以内。（四）单稳态多谐振荡器该电路由74HC123集成电路外加一些电阻和电容元件构成的。要知道整个电路的功能，就需要先考察一下集成芯片74HC123内部的电路结构以及功能。如图所示为74HC123的功能表，我们可以清晰地看到要想利用该集成电路来产生单稳态的脉冲，它只有3种情况可以选择，即真值表中列出的三种情况。对照我们这个电路，可以看到由于它的第一脚已经接到了地，也就是LOW状态。而它的RDC脚接到了高电平5V，所以我们只能用可用状态中的第一种状态，也就是由输入脚B脚的上升沿来触发电路来产生单稳态的脉冲，对应芯片引脚上的2脚。再看电路的结构，首先2脚是触发信号的输入脚，输出脉冲是经集成电路的13脚输出，而连接到芯片14脚和15脚上的电阻R8和电容C8这两个模拟元件，它们共同决定了该单稳态振荡电路的脉冲宽度，其脉冲宽度值在数据手册中给出了计算公式。还有需要注意的是，因为单稳态触发电路是由外部的触发信号经输入脚2脚来触发这个电路的，那么它对触发信号就有一些要求了。这些要求我们可以从数据手册查得：如图所示，TW的三项中AC=LOW，B=HIGH，RDC=LOW分别对应着单稳态触发电路可工作的三种状态，对于我们选择的第二种工作状态B=HIGH，它对应的触发信号的宽度从参数中我们可以看到它对应的最低的触发信号的宽度为20nS。所以说当我们对对该单稳态触发电路进行触发的时候，它的输入信号就必须得满足触发信号的宽度，不得小于20nS否则无法触发。(五)快速触发信号产生电路首先看一下电路的结构，该电路有两个触发信号输入脚，CLOCK TRIGINPUT 和EXT TRIG INPUT。前一个输入脚是供内部触发信号输入的，而下一个输入脚是供外部触发信号输入的。接下来我们以外部触发信号触发该电路为例说一下电路的工作原理。假设此时有外部触发信号，从EXT TRIG INPUT脚输入进来，首先经过电容C15、电阻R27,R28构成的胚型滤波器。使得触发信号当中的高频成分通过，低频成分被滤出，这样触发信号的上升沿会变得更快。该触发信号被滤波之后会经过电阻R29和二极管D9电阻R13到达三极管Q1的基极。在此基极接有电感L1和电阻R14，它们会对输入的触发信号进一步地滤波。我们知道电感元件对低频信号是成“低阻”状态的，而对高频信号是成“高阻”状态的。所以电感L1它会把触发信号当中的低频成分对地短路掉；而高频成分会感应出非常高的电压即快速上升沿的电压加到三极管的基极。于是三极管的基极到发射极之间就会有瞬间的电流流过。而三极管Q1本来的状态是没有导通的，也就是集电极和发射极之间是成高阻状态的，所以初始状态是集电极输出为150V，它的发射极TRIG OUTPUT输出端为0V，但是因为触发信号进入使得三极管瞬间导通，这个时候它的集电极电位会迅速地被拉低，发射极的电位会迅速地被抬高，所以在集电极处会经过电容C13输出一个快速的负脉冲。而在发射极端 TRIG OUTPUT输入快速的正脉冲。输出的负脉冲经过延迟电路后够内部的方波成形电路使用。输出的正脉冲输出到系统外部供外部设备使用。同理如果触发信号从内部触发信号端CLOCK TRIGINPUT输入触发信号，它的电路整个动作过程是一样的。下面说一下该电路中需要注意的几个元件，和它们的功能。如图所示，首先看一下二极管D9和D2，如果没有二极管D2，那么从外部触发信号输入脚输入进来的信号就会受到上面内触发输入信号电路的干扰。即电阻R10和R11会对外部触发信号影响其触发效果。如果加上二极管D2，那么它就会把从外部触发输入的触发信号截止掉，无法输入到R10和R11这样就无法影响触发效果。(六)可调延迟线延迟线的功能是对输入的信号进行延迟，然后将其输出，这个延时的长短是可以控制的。电路的整体结构是由八个双刀双掷开关还有连接它们的同轴电缆线构成的。当所有开关都没有按下的时候，有信号进入，它们走过的路径如图中ABCDE过程所示。而如果有某一个开关按下，那么信号所走的路径就会经过同轴电缆，延迟后输出。这些开关是单独可以累加的，该电路设计延迟时间为八个档，分别是0.1ns、0.2ns、0.4ns、0.8ns、1.6ns、3.2ns、6.4ns、12.8ns。(七)方波成形电路如电路图中所示，该电路主要由三极管Q101、Q102以及变压器T101、T102外加外围的电阻电感和电容元件构成。该电路的作用是接收触发脉冲产生电路发出的负脉冲，然后产生我们需要的方波脉冲。该电路主要是由滤波电路和波形产生电路两部分构成。首先我们来看滤波电路：滤波电路主要是由三极管Q101、变压器T101、T102和外围的电阻R101、R102等元件组成。该电路的作用是把输入进来的快速负脉冲进行滤波，使得负脉冲的前沿更快（下降沿变化更快），下面来分析一下该电路的工作原理。首先快速负脉冲经SMA接头输入到变压器T101的次级线圈，同时次级线圈的上端对地接电阻R101。该电阻的作用是充当负脉冲的假象负载，然后由于变压器T101的次级线圈和副线圈是同名端相反的，所以在变压器的次级线圈会感应出正向的脉冲，该脉冲加到了三极管Q101的基极，快速地使得三极管Q101导通。而在这一瞬间三极管的集电极经电容C101对外输出一个快速的负脉冲。该负脉冲又经电阻R105、R106分压后加到了变压器T102，在T102上再一次进行一次滤波，然后在T102的次级线圈输出正向的触发脉冲。这里我们谈到了一个变压器，该变压器之所以能够用到这里进行滤波是因为它使用的磁导介质（磁环）有一个高频响应的特性。它对低频的电磁波信号响应不好，却对高频信号响应得很好，这导致了当信号输入到变压器初级线圈的时候，在它的副线圈能够感应到它的高频成分，滤掉了低频成分，使得信号的前沿更快。另外介绍一下高频磁介磁环：接下来说一下方波脉冲产生电路的另一大部分，波形产生电路：该电路主要由三极管Q102以及外围的电阻电感和电容元件组成的。变压器T102的次级线圈产生的快速正脉冲经过电阻电阻R110以及电阻R111加到了电感L101的两端。经过电感L101的滤波后加到了三极管Q102的基极，使得三极管Q102瞬间导通，于是三极管集电极的电位瞬间下降，而发射集电位瞬间升高。于是集电极所产生的快速的下降电位产生一个负脉冲进入到充电线里面，在充电线内传输，当传到充电线末端返回再次传输到集电极，在此同时就会在三极管集电极产生一个震荡的方波脉冲，该方波脉冲经SMA接头J6输出。它之所以能够产生方波脉冲，目前的理论是：集电极产生的快速负脉冲进入到充电线内，在充电线的传输过程就形成了方波脉冲的平顶部分（高电平部分）。只要我们改变充电线的长度就可以改变输出的方波脉冲的宽度，实现方波脉冲宽度可调的目的。下面说一下电路中一些元件的作用，首先看一下电阻R107、R108、R109。它们组成了震荡输出电路，因为当快速正脉冲使得三极管Q102瞬间导通的同时它还有反射脉冲信号（震荡脉冲信号）再次加到了三极管Q102上，这样就会在三极管发射极输出的方波脉冲上叠加上一个震荡波形，使得输出的波形变长。所以加上了这三个电阻的吸收网络后，就很好地滤除了震荡的信号，使得输出的方波脉冲质量提高。另外要说的是电感L103和L102，它们在三极管Q102瞬间导通的时候由于集电极所产生的是速度非常快的负脉冲，所以这两个电感对快速的信号呈现很高的阻抗，使得该负脉冲沿着充电线传输，而不是经这两个电感传输到其他支路上，这样也就保证了方波脉冲的产生。而其他的一些电阻如R121、R117、R116、R114等是为了匹配电路的负载（三极管Q102集电极的负载）而加上去的。而电感L201、L202、L204和电阻R205、R210因为该支路已经断开，所以它们都没有接上可以去掉。还有一点要说明的是电阻在输出端J6接有电阻100欧姆和两个51欧姆，它们三个电阻的作用是为了匹配输出阻抗，而电阻R201和电感L202，它们再次组成了低通滤波电路，使得输出信号中的低频成分被吸收掉，输出的方波脉冲前后沿更宽。(八)低压稳压电源电路低压供电电路，该电路比较简单，主要包括整形电路还有稳压电路两部分构成。首先我们来说一下整形电路，它是经典的全波整形电路，由二极管CR403、CR404、CR405和CR406构成。这四个二极管对变压器的次级线圈所输出的35V交流电进行全波整流，同时在次级线圈中心粗头连接到地，于是在二极管CR404、CR403的负段输出正向电压，在二极管CR405、CR406的正端输出负电压。这两个电压输入到后面的稳压电路进行稳压。接下来说一下稳压电路，本设计所使用到的稳压电路主要由集成三端稳压器件构成，主要包括正向稳压集成电路和负向集成稳压电路。正向的三端稳压器件有7815、7812和7805；而负向的三端稳压器件有7915和7912。另外说明除了这些三端稳压，剩下的三端稳压块和它们连接的外围的电阻电容本设计中不使用全部去掉，我们只讨论上述5个三端稳压器件。先看看三端稳压器件7815，它的输入端连接了电容C403和C404，它们的作用是进行滤波。大容值电容C403主要是滤除输入波形中的低频成分；而小容值电容C404是用来滤除输入信号中的高频成分，这样使得7815输出的稳压电压更加稳定。然后7815输出的15V电压又加到了三端稳压器件7812的输入端，经7812稳压后输出12V电压，再次12V电压又输入到了三端稳压器件7805的输入端，于是在三端稳压器件7805的输出端输出稳定的5V电压。这三个三端稳压器件输出的15V、12V以及5V电压在本设计中的其他电路中广泛地使用，所以保证这三个三端稳压器件的正常工作是非常重要的。接下来说说负端稳压器件7915。负向电压从它的1脚输入，同时经电容C408和C409进行滤波。同样是一个大容值电容并上一个小容值电容，其作用和上述所说的功能是一样的。7915稳压后输出的-15V又加到了三端稳压器件7912的输入端，经7912稳压后又输出稳定-12V电压，这两个稳压器件输入的-15V和-12V电压在本设计中的其他电路也是广泛地使用，所以也必须保证它们能够稳定正常地工作。(九)高压稳压电源电路五、全文总结和建议（一）总结 （二）给实际研究方案的建议致谢一晃四年的大学生涯就要结束了，随着这篇论文的完成，我的求学道路又达到了一个新的里程碑。本文是在尊敬的刘进元教授的悉心指导下完成的。恩师学识渊博、宽以待人、严格指导，给我提供了一个良好的学生环境和宽松的学习氛围，是我得到了很好的能力培养和严格的基本科学训练。恩师严谨的治学态度时时刻刻鞭策着我，是我学习的楷模。恩师在生活上也对我无微不至的照顾，在生活和精神上给予了我莫大的支持。在论文完成之际，谨以此文像彭文达教授表达我最真诚的谢意！周军老师、见强师兄和黄锦龙师弟以及合作伙伴彭兆强同学在论文方面给我提供了巨大的帮助，在此表达我深深的谢意！感谢所有帮助过我的同学朋友们！参考文献【1】Ray-tracing simulation of parabolic compound refractive lenses Spectrochimica Acta Part B 62 (2007) 【2】Compound x-ray refractive lenses made of polyimide Proceedings of SPIE Vol. 4144 (2000)【3】A compound refractive lens for focusing high-energy X-rays Nature,Vol.384,November 7,(1996)【4】铜材料X射线聚焦组合透镜的设计与制作 叶坚、乐孜纯、梁静秋光学技术Vol.30，No.1，p20（2004）【5】高能X射线聚焦组合透镜的理论研究 乐孜纯、梁静秋光学学报Vol.24，No.4，p572（2004）【6】 C.K.Gary, H.Park, R.H.Pantell, Y.I.Dudchik,L.W.Lombardo, and J.T.Cremer “Radiography and tomography system using refractive lenses” Proc of SPIE Vol. 6707 (2007)【7】Bruno Lengeler, Christian G.Schroer, Boris Benner, Til Florian G.unzler,Marion Kuhlmann, Johannes T.ummler, Alexandre S.Simionovici, 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In this thesis，we reviewed the history of compound refractive leuses(CRL)，expound the basic theoretical formula of CRL，and introduce the choice of lens materialsAccording to the theoretical formula, change the different parameters, obtained compound refractive lenses of different focal lengths, and with the actual situation, to find good material.We selected pure aluminum and Carbon for analysis.Key words：X-ray；Planar parabolic refractive lenses；Low atomic number materials