项目1秒脉冲发生器的制作

纳秒脉冲发生电路设计
学院审查中
工程设计
结合科研
张流强
2012
1
测控技术与仪器
电子科学与技术
单光子探测需要有单光子光源进行实验，获得单光子光源可以采用脉冲驱动的发光二极管，脉冲幅度、宽度和周期可调的纳秒级脉冲产生电路是实现单光子光源的关键。

本项目将对纳秒脉冲发生电路进行设计。

目前实验室对该课题已有前期研究，有研究生协助指导毕业设计。

实验室有电路板焊接和测试的相关设备，有开展光电探测实验的条件。

实验设备包括计算机、光学平台、显微镜、示波器、信号发射器和直流电源等。

实验经费有自然科学基金经费支持。

课题的主要研究内容有：
一、电路设计
（1）对基于发光二极管的单光子光源和纳秒脉冲发生电路进行调研，明确单脉冲发生电路的原理和要求；（2）对纳秒脉冲的形成方法进行分析，重点研究传输线脉冲成形方法和数字脉冲成形方法。

（3）提出纳秒脉冲发生放大电路设计，完成模拟仿真，实际制作电路进行实验测试。

二、电路测试
（1）根据设计电路绘制PCB版图，完成电路板的加工。

（2）焊接电路板；
（3）搭建实验平台，对制作完成的电路板进行测试。

本项目主要训练学生的电路设计、制作和调试能力。

题目难度适中，工作量适中。

（1）对项目有强烈兴趣；
（2）有电路设计基础（包括数电和模电）；
（3）有较强的创新意识或动手能力。

系主任审查通过。

可编程单脉冲发生器设计可编程单脉冲发生器是一种脉冲宽度可编程的信号发生器，其输出为TTL 电平。

在输入按键的控制下，产生单次的脉冲，脉冲的宽度由8位的输入数据控制（以下称之为脉宽参数）。

由于是8位的脉宽参数，故可以产生255种宽度的单次脉冲。

在目标板上，I0～I7用作脉宽参数输入，PULSE_OUT用做可编程单脉冲输出，而KEY和/RB作为启动键和复位键。

图3示出了可编程单脉冲发生器的电路图。

图3 可编程单脉冲发生器的电路图8.3.1 由系统功能描述时序关系可编程单脉冲发生器的操作过程是：(1) 预置脉宽参数。

(2) 按下复位键，初始化系统。

(3) 按下启动键，发出单脉冲。

以上三步可用三个按键来完成。

但是，由于目标板已确定，故考虑在复位键按下后，经过延时自动产生预置脉宽参数的动作。

这一过程可用图4的时序来描述。

图4 可编程单脉冲发生器的时序图图中的/RB为系统复位脉冲，在其之后自动产生LOAD脉冲，装载脉宽参数N。

之后，等待按下/KEY键。

/KEY键按下后，单脉冲P_PULSE便输出。

在此，应注意到：/KEY的按下是与系统时钟CLK不同步的，不加处理将会影响单脉冲P_PULSE的精度。

为此，在/KEY按下期间，产生脉冲P1，它的上跳沿与时钟取得同步。

之后，在脉宽参数的控制下，使计数单元开始计数。

当达到预定时间后，再产生一个与时钟同步的脉冲P2。

由P1和P2就可以算出单脉冲的宽度Tw。

8.3.2 流程图的设计根据时序关系，可以做出图5所示的流程图。

在系统复位后，经一定的延时产生一个预置脉冲LOAD，用来预置脉宽参数。

应该注意：复位脉冲不能用来同时预置，要在其之后再次产生一个脉冲来预置脉宽参数。

为了产生单次的脉冲，必须考虑到在按键KEY有效后，可能会保持较长的时间，也可能会产生多个尖脉冲。

因此，需要设计一种功能，使得当检测到KE Y有效后就封锁KEY的再次输入，直到系统复位。

这是本设计的一个关键所在。

基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器高频高压微纳秒脉冲发生器是一种用于产生微纳秒脉冲电压的设备，它在科研和工业领域具有广泛的应用。

本文将介绍一种基于Marx脉冲电路和脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器，以及其原理、结构和应用。

一、高频高压微纳秒脉冲发生器的原理高频高压微纳秒脉冲发生器的原理是利用脉冲电路产生高压脉冲，然后通过脉冲变压器将其升压至需要的电压水平，最终输出微纳秒脉冲信号。

Marx脉冲电路是一种常用的脉冲产生电路，它由多个串联的脉冲发生单元组成，通过依次充电和放电，可以实现高压脉冲的输出。

脉冲变压器则是一种特殊的变压器，它能够将输入的脉冲信号升压至较高的电压水平，并且具有快速升压和降压的能力，非常适合用于产生微纳秒脉冲信号。

基于Marx脉冲电路和脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器主要由脉冲发生单元、脉冲变压器、控制电路和输出电路等部分组成。

脉冲发生单元是脉冲电路的核心部分，其数量和结构根据需要的脉冲电压和输出波形来确定。

脉冲变压器则是用于升压的关键部件，它通常采用特殊的材料和结构设计，以确保高频高压微纳秒脉冲的输出。

控制电路主要用于控制脉冲发生单元的充放电过程，以确保脉冲的稳定性和准确性。

输出电路则用于接收和输出高频高压微纳秒脉冲信号，通常会配合相应的传感器和测量系统使用。

高频高压微纳秒脉冲发生器在科研和工业领域具有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 超声探测技术：高频高压微纳秒脉冲发生器可用于超声探测技术中的脉冲发射和接收，能够实现更高的分辨率和探测深度。

2. 电子束加速器：在电子束加速器中，需要精确控制的高频高压微纳秒脉冲信号来实现电子束的加速和聚束，高频高压微纳秒脉冲发生器是其关键部件之一。

3. 电磁脉冲模拟：在电磁脉冲干扰分析和抗干扰设计中，常常需要模拟高频高压微纳秒脉冲信号，以评估和改进电子设备的抗干扰性能。

4. 其他科学研究：在物理、化学和生物等领域的实验研究中，也常常需要使用高频高压微纳秒脉冲信号来进行实验和测量，高频高压微纳秒脉冲发生器为这些实验提供了关键的技术支持。

产生脉冲的程序的PLC程序梯形图（1）周期可调的脉冲信号发生器如图5-6所示采用定时器T0产生一个周期可调节的连续脉冲。

当X0常开触点闭合后，第一次扫描到T0常闭触点时，它是闭合的，于是T0线圈得电，经过1s的延时，T0常闭触点断开。

T0常闭触点断开后的下一个扫描周期中，当扫描到T0常闭触点时，因它已断开，使T0线圈失电，T0常闭触点又随之恢复闭合。

这样，在下一个扫描周期扫描到T0常闭触点时，又使T0线圈得电，重复以上动作，T0的常开触点连续闭合、断开，就产生了脉宽为一个扫描周期、脉冲周期为1s的连续脉冲。

改变T0的设定值，就可改变脉冲周期。

图5-6 周期可调的脉冲信号发生器a）梯形图b）时序图（2）占空比可调的脉冲信号发生器如图5-7所示为采用两个定时器产生连续脉冲信号，脉冲周期为5秒，占空比为3：2（接通时间：断开时间）。

接通时间3s，由定时器T1设定，断开时间为2s，由定时器T0设定，用Y0作为连续脉冲输出端。

图5-7 占空比可调的脉冲信号发生器（3）顺序脉冲发生器如图5-8a所示为用三个定时器产生一组顺序脉冲的梯形图程序，顺序脉冲波形如图5-8b所示。

当X4接通，T40开始延时，同时Y31通电，定时l0s时间到，T40常闭触点断开，Y31断电。

T40常开触点闭合，T41开始延时，同时Y32通电，当T41定时15s时间到，Y32断电。

T41常开触点闭合，T42开始延时．同时Y33通电，T42定时20s时间到，Y33断电。

如果X4仍接通，重新开始产生顺序脉冲，直至X4断开。

当X4断开时，所有的定时器全部断电，定时器触点复位，输出Y31、Y32及Y33全部断电。

图5-8 顺序脉冲发生器断电延时动作的PLC程序梯形图大多数PLC的定时器均为接通延时定时器，即定时器线圈通电后开始延时，待定时时间到，定时器的常开触点闭合、常闭触点断开。

在定时器线圈断电时，定时器的触点立刻复位。

如图5-9所示为断开延时程序的梯形图和动作时序图。

由石英钟表集成电路构成的
秒基准信号发生器
5G5544是国产石英钟表集成电路，国外型号为SM5544H。

它是由低压CMOS工艺制成的，功耗极微。

输出端能直接驱动永磁式步进电机，再配以齿轮传动机构和表针，制成石英钟。

5G5544的电源电压范围是＋1.2～2V，典型值为＋1.5V，工作电流仅2μA。

使用一节5号电池可连续工作一年以上。

频率稳定度可达5×10－7，年计时误差约为几十秒。

5G5544的时序波形如图2-3-5所示。

5G5544构成的秒信号发生器电路如图2-3-6所示。

采用32768Hz石英晶体，C是频率微调电容，用来校准时间。

5G5544的驱动信号输出级采用漏极开路的N沟道MOS管，需外接PNP晶体管进行功率放大。

VD1、VD2和3CG21就等效于二输入端或非门。

S为闹时开关，用来“定闹”。

当钟表时间与定闹时间一致时S闭合，从ALO端输出的闹铃脉冲经过VT2（3DG6）驱动压电陶瓷蜂鸣器BZ发声。

若为提高闹铃声，还可将BZ换成微型扬声器，VT2改用JE9014型晶体管。

基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器高频高压微纳秒脉冲发生器是一种用于产生微纳秒级脉冲的设备，可以应用于多种领域，如医疗、科研等。

本文将介绍一种基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的制作方法及其应用。

一、高频高压脉冲发生器的基本原理高频高压微纳秒脉冲发生器是通过将直流电源转换为高压微纳秒脉冲来实现的。

通常，高频高压脉冲发生器包括三个基本部分：充电系统、脉冲产生部分和输出负载部分。

充电系统用于将直流电源充电到特定电压；脉冲产生部分是通过某种方式将储存的能量转换成脉冲能量并输出；输出负载部分将所产生的脉冲能量输出到负载上。

Marx发生器是一种常用的高压脉冲发生器，其原理是通过多个串联的电容器和开关来存储和释放电能，从而产生高压脉冲。

而脉冲变压器则是用来将低电压高频脉冲转换为高电压微纳秒脉冲的装置。

1. 设计Marx发生器部分：首先确定所需的电压和脉冲宽度等参数，然后设计合适的电容器串联数目和开关数目，并选择合适的开关。

接下来进行电路板的设计和制作，安装电容器和开关等元器件。

2. 设计脉冲变压器部分：根据Marx发生器输出的脉冲电压和电容器充放电时间等参数，设计脉冲变压器的参数，包括线圈匝数、线圈结构等。

然后进行线圈的绕制和绝缘处理。

3. 脉冲发生器的组装：将Marx发生器和脉冲变压器部分连接在一起，并进行调试和测试，以确保脉冲发生器的正常工作。

三、高频高压微纳秒脉冲发生器在科研和医疗领域的应用1. 科研领域：高频高压微纳秒脉冲发生器可以用于一些需要高压脉冲能量的实验，如等离子体物理实验、激光物理实验等。

其微纳秒脉冲特性使其能够用来进行一些超快过程的研究。

2. 医疗领域：高频高压微纳秒脉冲发生器可以用于一些医疗设备，比如微生物杀菌设备、癌细胞破坏设备等。

脉冲的高压和微纳秒的宽度能够有效地杀灭微生物和癌细胞，而对周围组织的损伤相对较小。

最简易脉冲电路
最简易脉冲电路是一种基础电路，它可以产生尖锐但短暂的信号脉冲。

这种电路通常由一个电容和一个电阻构成。

电容储存电荷，而电阻控
制电荷的流动速度。

当电容充电时，电荷开始积累在电容器的板上，
直到电压达到一个特定的电压阈值。

然后，电容开始放电，电流通过
电阻流回电源，形成一个脉冲信号。

要构建最简易脉冲电路，可以以下列步骤操作：
第一步，选择电容和电阻的值。

为了产生短暂的脉冲信号，应该选择
较小的电容和较大的电阻。

例如，如果选用100nF的电容和1MΩ的
电阻，电路就可以生成一个持续时间约为0.1秒的脉冲信号。

第二步，将电容和电阻连接在一起。

将电容的正极连接到电源的正极，将电容的负极连接到电阻的一端，将电阻的另一端连接回电源的负极。

这样就形成了一个简易脉冲电路。

第三步，测试电路。

将电路连接到示波器或LED灯等设备上，以便观
察脉冲信号的形状和持续时间。

在测试过程中，应该小心操作，以免
触电或损坏电路元件。

最简易脉冲电路的应用十分广泛。

例如，它可以用于在数字电路中生成同步脉冲信号，使各个部分的计算和通信保持同步。

它还可以用于制作电子钟、电子计数器等等。

此外，最简易脉冲电路还可以用于科学实验中的信号处理和测量。

总的来说，最简易脉冲电路是一种常见的基础电路，可以轻松生成短暂的脉冲信号，应用也十分广泛。

在构建电路时，要小心操作，选择适当的电容和电阻值，并测试电路以确保其性能。

产生脉冲的程序的PLC程序梯形图 （1）周期可调的脉冲信号发生器

如图5—6所示采用定时器T0产生一个周期可调节的连续脉冲。当X0常开触点闭合后,第一次扫描到T0常闭触点时，它是闭合的,于是T0线圈得电，经过1s的延时，T0常闭触点断开.T0常闭触点断开后的下一个扫描周期中,当扫描到T0常闭触点时,因它已断开，使T0线圈失电,T0常闭触点又随之恢复闭合.这样,在下一个扫描周期扫描到T0常闭触点时，又使T0线圈得电，重复以上动作，T0的常开触点连续闭合、断开，就产生了脉宽为一个扫描周期、脉冲周期为1s的连续脉冲。改变T0的设定值，就可改变脉冲周期。

图5—6 周期可调的脉冲信号发生器 a）梯形图 b)时序图 (2)占空比可调的脉冲信号发生器 如图5—7所示为采用两个定时器产生连续脉冲信号，脉冲周期为5秒，占空比为3:2（接通时间：断开时间)。接通时间3s,由定时器T1设定,断开时间为2s，由定时器T0设定，用Y0作为连续脉冲输出端. 图5-7 占空比可调的脉冲信号发生器 a）梯形图 b)时序图 (3)顺序脉冲发生器 如图5-8a所示为用三个定时器产生一组顺序脉冲的梯形图程序，顺序脉冲波形如图5—8b所示.当X4接通，T40开始延时,同时Y31通电，定时l0s时间到，T40常闭触点断开，Y31断电。T40常开触点闭合，T41开始延时，同时Y32通电，当T41定时15s时间到，Y32断电。T41常开触点闭合，T42开始延时．同时Y33通电，T42定时20s时间到，Y33断电.如果X4仍接通,重新开始产生顺序脉冲,直至X4断开。当X4断开时,所有的定时器全部断电，定时器触点复位，输出Y31、Y32及Y33全部断电. 图5—8 顺序脉冲发生器 a）梯形图 b)时序图

摘要：本实验是采用fpga方式基于Alter Cyclone2 EP2C5T144C8的简易脉冲信号发生器，可以实现输出一路周期1us到10ms，脉冲宽度：0.1us到周期-0.1us,时间分辨率为0.1us的脉冲信号，并且还能输出一路正弦信号（与脉冲信号同时输出）。

输出模式可分为连续触发和单次手动可预置数（0~9）触发，具有周期、脉宽、触发数等显示功能。

采用fpga计数实现的电路简化了电路结构并提高了射击精度，降低了电路功耗和资源成本。

关键词：FPGA；脉冲信号发生器；矩形脉冲；正弦信号；引言(一)方案设计与比较脉冲信号产生方案：方案一、采用专用DDS芯片的技术方案：目前已有多种专用DDS集成芯片可用，采用专用芯片可大大简化系统硬件制作难度，内部数字信号抖动小，输出信号指标高；但专用芯片控制方式比较固定，最大的缺点是进行脉宽控制，测量困难，无法进行外同步，不满足设计要求。

方案二、单片机法：利用单片机实现矩形脉冲，可以较方案以更简化外围硬件，节约成本，并且也可以实现灵活控制、能产生任意波形的信号发生器。

但是单片机的内部时钟一般是小于25Mhz，速度上无法满足设计要求，通过单片机产生脉冲至少需要三条指令，所需时间大于所要求的精度要求，故不可取。

方案二：FPGA法：利用了可编程逻辑器件的灵活性且资源丰富的特点，通过Quartus软件的设计编写，实现脉冲信号的产生及数控，并下载到试验箱中，这种方案电路简单、响应速度快、精度高、稳定性好故采用此种方案。

(二)理论分析与计算脉冲信号产生原理：输入量周期和脉宽，结合时钟频率，转换成两个计数器的容量，用来对周期和高电平的计时，输出即可产生脉冲信号。

脉冲信号的精度保证：时间分辨率0.1us，周期精度：+0.1%+0.05us，宽度精度：+0.1%+0.05us，为满足精度要求，所以所选时钟频率至少1/0.05us=20MHZ,由于试验箱上大于10MHZ只有50MHZ，故选时钟信号50MHZ，此时精度1/50MHZ=0.02us<0.05us，满足精度要求。

目录一、设计任务及要求1.1设计任务 (2)1.2设计要求 (2)二、摘要 (3)三、系统设计2.1系统要求 (4)2.2方案设计 (4)2.3系统工作原理 (5)四、单元电路设计3.1 555定时器组成的多谐振荡器 (6)3.1.1 电路结构及工作原理 (6)3.1.2电路仿真 (7)3.2 74LS161 计数器降频电路 (8)3.2.1 电路结构及工作原理 (8)3.2.2 电路仿真 (9)3.2.3 元器件的选择及参数确定 (9)五、实验仿真 (10)六、参考文献 (11)七、心得体会 (12)一、设计任务及要求1.1 设计任务：输入1kHZ正弦波，输出100HZ和10kHZ脉冲信号。

1.2 设计基本要求：1）输入正弦波，设计脉冲信号；2）拟定设计步骤和仿真方案；3）根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元器件和参数；4）要求画出原理图，并用仿真元件仿真。

5）撰写设计报告。

二、摘要信号发生电路是一种不需要外加激励就能将直流能源转化成具有一定频率和一定幅度一定波形的交流能量输出电路,又成为振荡器或波形发生器.通过与波形变换电路相结合,它能产生各种波形,能满足现代通信,自动控制,热加工.音视频系统和数字系统等对各种信号的要求.本次课程设计的任务是设计一个脉冲信号发生器,输入一个1KHZ正弦波信号,通过由555定时器连接成的施密特触发器,变换成同频率的方波,再经一个由同步二进制计数器74LS161接成的十进制计数器将1KHZ脉冲转换成100HZ输出,进行第一次频率变换.在此过程中,我们对组合逻辑电路、时序逻辑电路数、数字集成电路、小规模的门电路的功能及其使用方法有了进一步的了解和掌握 ,达到了更加熟练的应用这些器件的目的。

通过本次训练基本掌握数字电路的设计的基本方法,学会器件的选择和应用.并且通过对电路的设计、仿真,提高自己的发现问题、分析问题、解决问题的能力。

三、系统设计2.1 系统要求运用所学到的数电模电知识查找到的资料结合实际，设计原理图，焊接元器件，要求满足课设课题要求。