技術(shù)論文發(fā)表激光傳感器窄脈沖峰值保持電路的設(shè)計
各種激光傳感器采用激光窄脈沖信號工作，具有波長穩(wěn)定，高單色性，激光頻率寬度比普通光小10倍以上，不受光線干擾和其他氣體干擾，靈敏度較紅外高等優(yōu)點，被廣泛的使用于各種工礦現(xiàn)場。激光脈沖寬度一般只有10ns左右，激光窄脈沖信號重頻率低，有時候數(shù)秒鐘才發(fā)射一個。由于脈沖寬度很小，難以滿足后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換時間的要求，需要對窄脈沖信號進行一定時間的保持。
【摘要】脈沖峰值保持電路是實現(xiàn)對激光窄脈沖信號探測的關(guān)鍵電路，本文介紹了峰值保持電路的工作原理，設(shè)計了具有自動放電功能、脈沖保持時間可調(diào)的窄脈沖峰值保持電路。利用二極管的單向?qū)щ娦院碗妷焊S器的高輸入阻抗實現(xiàn)了信號峰值的保持，通過雙單穩(wěn)態(tài)電路控制模擬開關(guān)實現(xiàn)脈沖保持時間設(shè)置和保持電容的泄放功能，并對電路進行了改進。
【關(guān)鍵詞】技術(shù)論文發(fā)表,窄激光脈沖,峰值保持器,單穩(wěn)態(tài)電路
引言
由于受激光器、驅(qū)動電路分布參數(shù)和工藝技術(shù)的影響，當(dāng)激光脈沖寬度窄到一定程度時，激光脈沖峰值功率明顯下降，要實現(xiàn)小體積的高功率、窄脈沖激光發(fā)射將面臨許多實際問題。針對這一現(xiàn)象，從理論上對電路進行了分析，設(shè)計出高性能的激光窄脈沖峰值保持電路對提高激光傳感器動態(tài)檢測精度和抗云霧干擾能力具有重要意義，峰值保持電路也可以應(yīng)用于微電子、遙感等領(lǐng)域。
1電路設(shè)計
峰值保持電路是一種能跟隨輸入信號變化并能將最大值記憶下來的電路，其原理如圖1所示。
圖1峰值保持電路原理圖
圖1為峰值保持電路的基本工作原理，運算放大器A工作于比較器狀態(tài)，在輸入信號為正信號時，運算放大器A輸出正供電電源，通過二極管D對電容C充電，運算放大器B為高輸入阻抗放大器（目的：防止電容電量泄漏）組成的一級電壓跟隨器，可以隔離前后級電路也能提高電路的帶負載能力。利用二極管的單向?qū)щ娦阅芎瓦\放B的高輸入阻抗特性，電容C上的電壓被保持住。二極管選用肖特基二極管，它是一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件。最顯著的特點為反向恢復(fù)時間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右。電壓被保持后供后續(xù)電路處理需要，處理完成后需對電容放電，以便進行下一次測量。在該設(shè)計中，合理使用數(shù)字和模擬電子器件實現(xiàn)峰值保持電路的自動放電功能，而且保持時間可以調(diào)整。設(shè)計電路的方框圖如圖2所示：
圖2峰值保持電路設(shè)計原理圖
其中，比較器、雙穩(wěn)態(tài)電路和模擬開關(guān)組成自動放電電路。該電路主要產(chǎn)生門控復(fù)位信號，用該信號控制模擬開關(guān)，泄放積分電容上的電荷，使電路及時復(fù)位以便進行下次峰值保持。比較器用來產(chǎn)生單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)脈沖，單穩(wěn)態(tài)電路選擇不可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)，防止峰值保持期間單穩(wěn)態(tài)被誤觸發(fā)，單穩(wěn)態(tài)分別產(chǎn)生兩個脈沖信號，其脈沖寬度可以根據(jù)要求來調(diào)節(jié)，且第二個脈沖信號作為模擬開關(guān)的控制信號。兩個脈沖的信號時序關(guān)系如圖3所示：
圖3脈沖時序圖
T1時刻比較器的脈沖前沿觸發(fā)前一個單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個脈沖，其脈寬即為峰值保持時間。T2時刻對應(yīng)脈沖的下降沿，它可觸發(fā)后一個單穩(wěn)態(tài)電路再產(chǎn)生一個脈沖信號，該信號的脈寬為泄放開關(guān)的閉合時間，即為電路的復(fù)位時間。模擬開關(guān)可以用三極管實現(xiàn)，由第二個單穩(wěn)態(tài)脈沖控制它的開、關(guān)。
2電路分析
設(shè)計反饋通道（B到A）的作用是由于實際的二極管和理想的二極管有較大的差距，其正向?qū)ㄐ源嬖谝粋�死區(qū)電壓，只有輸入電壓大于死區(qū)電壓時二極管菜道通，不利于小信號的處理，加上反饋，提高了電路的靈敏度。
信號從輸入到反饋回來需一定的時間，稱回路時間t1，所以在電容上電壓Vcc達到Vi的峰值時，要經(jīng)過t1時間才能反饋回來，使二極管D截止，這樣就會產(chǎn)生過沖。
滑動變阻器做電位器，提供閾值電壓。
圖4脈沖峰值保持電路
設(shè)計電路如圖4所示，要實現(xiàn)快速脈沖的測量對運算放大器的性能要求較高，要求運算放大器具有高的轉(zhuǎn)換速率，同時需要大的驅(qū)動電流驅(qū)動后續(xù)電容性負載。轉(zhuǎn)換速率就是輸出電壓的最大變化率，以V/us表示，若某放大器的轉(zhuǎn)換速率為0.5V/us，表示輸出電壓以0.5V/us落后的比率上升或下降。在設(shè)計中運算放大器A用作比較器，輸出電壓為V+，V-（V+，V-為供電電壓），假設(shè)運算放大器的額定轉(zhuǎn)換速率為S，則輸出電壓從V-到V+的時間為：
�。�1）
可見如果輸出全振幅的話，輸入信號的零電位時間要大于這個時間，也就是說運算放大器的轉(zhuǎn)換速率決定了輸入信號的頻率，要想有高的頻率響應(yīng)，就需要大轉(zhuǎn)換速率的運算放大器。電路中，充放電電路的時間常數(shù)為τ=R’C，其中R’為二極管內(nèi)阻Rd與電阻R之和，C為電容值，設(shè)輸入信號的寬度為tp。在RC電路的充放電過程中，輸入電壓的寬度tp與時間常數(shù)τ的比值，對電路響應(yīng)影響很大。當(dāng)τ≤tp時，RC電路的響應(yīng)速度相對的較快，在輸入電壓產(chǎn)生階躍后的較短時間內(nèi)，電路進入穩(wěn)態(tài)，電容電壓可跟隨輸入信號。當(dāng)τ≥tp時，RC電路的響應(yīng)時間相對的較緩慢，由于電路的時間常數(shù)較大，在0≤t≤tp時，電容電壓上升緩慢，在輸入信號的有效期內(nèi)輸出達不到輸入的最大值�？梢钥闯�，如果信號變化的頻率，超過了RC電路的頻率，則峰值檢波電路不能將信號的最大值記錄下來。所以在設(shè)計電路時要根據(jù)信號的變化頻率來調(diào)整參數(shù)R和C的值，以便準確記錄信號峰值。它們之間的關(guān)系如圖5所示：
ab
圖5RC與峰值關(guān)閉（a：τ≤tpb：τ≥tp）
電路中利用不可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)峰值保持時間和電容泄放時間的控制，單穩(wěn)態(tài)脈沖寬度為：
TW=0.7RC（2）
R、C為外接電阻、電容的值
只要改變外接電阻或電容的值就可以實現(xiàn)脈沖保持時間的調(diào)整，方便易行。
3電路的改進
圖6改進后的峰值保持電路
在要保持快速脈沖時，為了及時保持跟蹤輸入信號，要求充電常數(shù)RC盡量的小。當(dāng)然選取了較小值的電容，可以跟隨輸入信號，但是保持的時間卻很短，主要原因在于由于電容的電容值較小，此時電容的漏電流就不能不被考慮，保持電容上的電荷比較少，由于漏電流的存在，在較短時間內(nèi)，電荷被泄放。設(shè)計了一種保持電量的方法，首先就是盡量減小儲能電容的泄漏電流，就要選用漏電阻很大的電容；同時利用高輸入阻抗的場效應(yīng)管構(gòu)成電壓跟隨器，接入到另一個電容，這個電容的容量要比前一個大得多，它的電量儲存量大大提高。這樣因微弱泄漏電流引起的的衰減速度將會大大減慢，起到保持脈沖電壓的作用。改進后的電路圖如6所示：：
4結(jié)論
在設(shè)計的電路中，利用二極管的單向?qū)щ娦院碗妷焊S器的高輸入阻抗特性實現(xiàn)脈沖峰值的保持，通過兩個單穩(wěn)態(tài)器件的合理使用，可以對保持電容進行自動放電，并且保持時間和放電時間可調(diào)，針對快速脈沖保持中，漏電流導(dǎo)致保持時間短的問題，提出了改進電路。整個設(shè)計費用低，實用性強。
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