基于可编程数据发生器的高精度同步系统的研制

分析了国内高精度同步系统的研制现状,提出了基于数据发生器的高精度同步系统的研制,并详细介绍了产生μs级、ns级同步触发信号的设计方案:数据发生器工作在重复频率状态,输出信号的单次和重复频率状态切换通过一套专用的外围选单电路来实现,同时要求外围选单电路不能降低ns级同步触发信号的时间抖动精度。通过实验验证,最终在触发现场获得了理想的μs级、ns级同步触发信号,ns级同步触发信号的时间抖动小于500ps。该方案对我国新一代高功率固体激光驱动器以及其它需要高精度同步的仪器或者设备的设计具有一定参考价值。     

基于现场可编程门阵列的全固态高压ns脉冲发生器

为研究ns脉冲电场诱导肿瘤细胞的凋亡效应,结合Marx发生器原理和全固态开关技术,研制了一套基于现场可编程门阵列(FPGA)的多参数可调全固态高压ns脉冲发生器。该发生器主要包括高压直流电源、Marx电路、FPGA控制电路和负载4部分。Marx电路采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为控制开关代替传统的火花间隙开关,用二极管代替电阻。FPGA产生多路同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后可作为MOSFET的原始控制信号,同步驱动多个MOSFET。FPGA控制电路控制充电电压和输出脉冲的宽度、频率,并具有保护功能。实验结果表明,该脉冲发生器可产生幅值(0～8kV)连续可调、脉宽(200～1 000ns)灵活可变、频率(1～1 000Hz)独立可控,前沿35ns的高压ns脉冲,为进一步探索ns脉冲电场生物医学效应奠定了基础。     

延时可控高压脉冲发生器的设计

将数字延时及高压脉冲形成电路结合在一起构成高精度的高压脉冲发生器，用于触发Marx发生器及高压脉冲触发装置，也适用于高压雷管起爆装置。以CPU 8031为控制核心，采用VE4137A型高电压、大电流、低抖动、快速氢闸流管构成高压脉冲形成级，MOSFET作为驱动级。延时可控，延时范围为10ns至99μs，连续可调，数显；高压脉冲幅度为5～30kV，前沿小于16ns，脉宽大于300ns，抖动小于10ns。     

基于查表结构的信号发生器

用模拟电路来制作信号发生器已经有很久的历史了,但是模拟电路有很多的缺点,比如连线复杂、调试繁琐并且可靠性比较较差。用verilogHDL编程,在Altera公司的FPGA芯片上实现的可调节信号发生器,不仅提高了系统可靠性,而且很容易实现系统信号实时快速的测量,也为基于FPGA的可调信号发生器在实际领域的广发应用创造很好的条件．     

高精度时间间隔测量系统

在时间同步系统中时间间隔的测量是非常关键的部分,为了满足时间同步系统的需求,介绍了一种脉冲计数法和数字插入法相结合的时间间隔测量系统。该系统基于专用时间-数字转换芯片TDC-GP1、CPLD和单片机,能够实现纳秒级的时间间隔测量。设计中采用了两片专用时间-数字转换芯片,双芯片的设计使其测量精度可达到1ns。经过测试,系统的分辨率为125ps,精度为1ns,最大可测量1ns～999s的时间间隔。该系统具有体积小、精度高、使用灵活等优点,能够广泛的应用到不同的时间同步系统中。     

基于STC89C52RC控制的线切割高频电源设计

传统的电火花线切割机床脉冲电源主控电路利用石英晶体产生控制脉冲信号,其输出脉宽脉间数字调节范围较小且调节不稳定等缺点。针对这些缺点,选用STC89C52RC单片机来设计脉冲发生器,以此对其主控电路进行改进。这样的改进投入极少,并且能够提高机床的工作效率和加工质量。     

基于FPGA的激光雪深测量系统的设计

介绍了以Altera公司RISC结构的NiosII软核处理器作为系统的处理器,以FPGA芯片作为硬件平台,实现了激光雪深测量系统的设计,分别设计完成直接数字频率合成器DDS激光调制信号源、信号处理、人机交互界面等功能模块。DDS采用数字合成技术,其在精度、灵活度以及可靠性方面都大大超过了模拟信号发生器,用FPGA芯片作为DDS的载体,具有性价比高、设计灵活等优点。信号处理模块采用基于FPGA的高频脉冲填充数字鉴相技术,该技术取代了传统的鉴相方式,既简化了硬件电路又提高了鉴相精度。     

高压皮秒脉冲发生器的设计与实现

为研究GIS和电力变压器中局部放电超高频电磁波信号在设备内外的传播特性,结合脉冲功率技术中亚ns及ps脉冲产生的相关原理,通过对Marx发生器产生的ns脉冲进行前沿陡化和尾部削切处理,得到了一种高压ps脉冲信号。实测结果表明:利用该方法研制的高压ps脉冲发生器可产生幅值28.12kV、前沿250ps(10%～90%)以内、脉宽600ps(半高宽)的高压ps脉冲信号,并具有放电稳定、重复性好的特点,可作为一个已知特性的、能够产生特定超高频信号的局部放电信号源,进而为局部放电超高频信号检测奠定了基础。     

适用于探地雷达应用的低过冲平衡脉冲发生器

设计了一种新型的超宽带ns级低过冲平衡脉冲发生器.该脉冲发生器包含驱动电路、雪崩三极管脉冲电路和脉冲整形电路3部分,驱动电路用以锐化触发脉冲;雪崩三极管脉冲电路采用独特的晶体管级联结构产生大幅度的高斯脉冲;脉冲整形电路利用并联端接电阻网络和肖特基二极管减小信号反射,最后使用巴仑产生平衡的高斯脉冲,该电路最高可以在300 KV脉冲重复频率下正常工作.测量结果表明,在100 KV脉冲重频时该脉冲发生器可以输出一对峰峰值为230 V、前沿为1.3 ns的平衡脉冲,并有着极小的振铃和过冲.这些特征说明,该脉冲发生器在探地雷达应用中有着更深探测距离和更快数据处理速度的优势.     

高速数据采集系统中斜波式延时电路的设计

高频信号的采集和提高信号采集的精度是信号处理领域需要着重研究的课题。首先介绍了数据采集系统的结构和功能,然后研究了基于斜波的数字可编程精密延时器电路原理,并设计了基于斜波的精密延时电路,最小延时精度可达8ps,实际结果能采集到高达50GHz高频信号。     

皮秒分辨率数字可编程精密延迟触发技术

为了产生高分辨率和宽动态延迟取样脉冲，引入了粗+细两级延迟框架。由外部0.1～12 GHz时钟信号经锁相环分频后生成大约100～250 MHz的同步时钟驱动计数器计数，当计数器达到预设值时，产生频率为50 kHz的同步进位脉冲信号，同时10 bit、10 ps分辨率的粗延迟芯片和0.1 ps分辨率的细延迟芯片开始工作并输出具有一定的延迟量的取样脉冲，由取样脉冲驱动取样器对同步射频信号进行精密取样。测试结果表明，数字可编程精密延迟触发器的分辨率和动态延迟范围分别可以达到1 ps和10 ns以上。     

重频高压ns脉冲电源关断保护电路的设计及应用

由于重频ns脉冲电介质击穿试验中持续时间过长的大幅值短路电流会对设备造成损害,因此设计了一种用于高压ns脉冲电源的关断保护电路。试验时根据电流的变化来判断击穿的发生并作为触发信号,关断保护电路将示波器的触发反馈信号转换成脉冲控制信号来实现击穿后电源的自动关停。将所设计的电路用于重频ns脉冲PTFE击穿试验中,验证了电路的有效性。利用该关断保护电路和示波器组成的测量系统测量了重频高压ns脉冲条件下PTFE击穿的电压电流波形和重频耐受时间,测得重频耐受时间204ms。结果表明该测量系统误差为22μs,可以满足40kHz重复频率以下的ns脉冲固体击穿试验的要求。     

基于SOPC的高精度时间间隔测量仪设计

针对靶场测试中时间间隔测量仪测量精度低、体积庞大的缺点,在SOPC技术的基础上,采用计数法和内插法设计了一种纳秒级的高分辨率大范围时间间隔测量仪.设计的仪器由触发信号隔离模块、纳秒计时模块、标准计数模块以及相应外围电路组成.在接收到起始触发信号后,由FPGA内部基于SOPC的主单片机和时序电路构成的标准计数模块开始计数.同时,TDC GP2芯片和基于SOPC的从单片机构成的纳秒计时模块测量起始触发脉冲和标准计时脉冲的时间间隔;截止触发信号到来后,标准计数模块停止计数,纳秒计时模块测量截止触发脉冲和标准计时脉冲间的时间间隔,测量结束后,主单片机计算并显示最终时间间隔值.设计的时间间隔测量仪测量范围可以达到1～4＆#215;105μs,测量精度优于3 ns.     

岸空双基地雷达时频同步电路设计

为了实现一款岸空双基地全相参雷达,必须实现收发双端之间的时频同步,双基地全相参雷达的时频同步分为两部分,一部分为时间同步,即确保发射信号与本振信号同时产生并拥有相同时序;另一部分为同步时钟源,即确保生成发射信号与本振信号的DDS具有同频同相的参考时钟。提出了一种使用卫星同步脉冲驯服本地高稳恒温晶振的时钟同步方案,该方案采用可以同时输出两路时间脉冲的授时芯片,一路输出秒脉冲实现双站之间的时间同步,一路输出兆赫兹的方波脉冲驯服本地高稳恒温晶振以实现双站之间的同步时钟源。时间同步使双端信号的时序误差小于系统指标要求的1μs;同步时钟源使驯服后的本地时钟具有小于22 ns的同步精度,接近于GPS芯片20 ns的授时精度,与在FPGA内采用秒脉冲鉴相相比,提高了鉴相器的鉴相频率,因此拥有更短的驯服时间,并且不依赖于FPGA芯片,节约成本的同时使系统模块化。     

ns脉冲电场发生器的研制及应用

为了研究ns脉冲电场诱导肿瘤细胞的凋亡效应,结合开关电源技术和脉冲功率技术,研制了一套多参数大范围独立可调的ns脉冲电场发生器。该发生器由高压直流电源、脉冲形成电路和辅助电路3部分组成,输出的脉冲幅值0～1.2kV内连续可调,重复频率1Hz～10kHz内连续可调,脉冲宽度分100、200、600和1000ns4级可调,脉冲个数可以任意预置,上升时间<30ns,并具有显示和保护功能。实验室调试和医学细胞实验结果表明,该发生器调节方便、性能稳定,能够有效诱导人肝癌细胞凋亡,为ns脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡的机理和阈值参数选择规律的深入研究奠定了基础。     

脉冲电场灭菌用固态高压开关的研制

针对脉冲电场灭菌技术对开关性能的特殊要求,提出了利用IGBT串联构成高压、大容量固态开关的技术。设计并实际制造出了可供高压脉冲电场灭菌用额定电压10 k V的固态高压开关。该开关采用8个1 700 V、400 A的IGBT串联,以栅极动态RCD为基本均压方式,以FPGA为主控单元,产生8路相对独立的基准控制脉冲,其脉宽、周期、延时均可调节,且以25 ns为步进调节。通过调节各路驱动信号的相对延时,使各单元分压均匀,消除过压影响,从而在负载端得到较为理想的方波脉冲。采用光纤隔离,使隔离电压不受限制。实验结果表明,该装置性能良好,可以满足脉冲电场灭菌的实际需求。     

采用FPGA的多路高压IGBT驱动触发器研制

为有效控制固态功率调制设备,提高系统的可调性和稳定性,介绍了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)和微控制器(MCU)的多路高压IGBT驱动触发器的设计方法和实现电路。该触发器可选择内或外触发信号,可遥控或本控,能产生多路频率、宽度和延时独立可调的脉冲信号,信号的输入输出和传输都使用光纤。将该触发器用于高压IGBT(3300V/800A)感应叠加脉冲发生器中进行实验测试,给出了实验波形。结果表明,该多路高压IGBT驱动触发器输出脉冲信号达到了较高的调整精度,频宽’脉宽及延时可分别以步进1Hz、0.1μs、0.1μs进行调整,满足了脉冲发生器的要求,提高了脉冲功率调制系统的性能。     

冷原子干涉可编程时序控制系统设计与实现

时序控制系统是冷原子干涉实验、重力仪研制及应用测试必不可少的组成部分,负责协调、驱动和控制各子系统的运行,是冷原子干涉控制的中枢单元。针对冷原子干涉过程中高精度调节、多路同步及可灵活调控的时序控制需求,设计实现了一套基于ARM+FPGA架构的冷原子干涉可编程时序控制系统,其由时序主控模块和多个从设备模块构成,具有同步触发、模拟调制、射频驱动、信号采集和数据处理等功能。系统测试和冷原子干涉实验结果表明,该系统时序调节精度可达10 ns,控制精度和多路同步精度均优于2 ns,符合冷原子干涉时序控制应用需求,成功用于冷原子干涉重力测量。     

基于FPGA的质谱仪高压脉冲电源设计

传统的高压脉冲电源产生的波形不易控制,脉冲幅值、频率、占空比等难以实时调节,而且脉冲的上升沿时间较长,无法满足飞行时间质谱仪（TOFMS）的苛刻要求。为解决上述问题,本文提出了一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源。该高压脉冲电源采用现场可编程门阵列（FPGA）做为主要芯片,产生PWM信号,经驱动电路和隔离电路后加在高速MOSFET开关管上。同时FPGA通过模拟串口和单片机或上位机通信,实现脉冲幅值、频率、延时、脉宽、脉冲个数等的实时调节。实际应用测试表明,该高压脉冲电源满足设计指标要求。     

基于Marx电路的全固态纳秒脉冲等离子体射流装置的研制

研制一套具有快边沿纳秒脉冲等离子体射流装置。该装置由基于Marx电路的并带有尾切开关的全固态纳秒脉冲发生器和具有针环电极结构的等离子体射流装置组成。其中,纳秒脉冲源主要由直流电源、控制电路和主电路组成,主电路为10级模块化设计的Marx电路,使用MOSFET作为主开关和尾切开关;控制电路产生同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后同步驱动MOSFET工作。输出纳秒脉冲电压参数为:幅值0~8k V可调,脉宽100~1 000ns,重复频率1Hz~1k Hz,上升沿30ns左右,下降沿50ns以内。等离子体射流装置使用氩气作为工作气体,其结构为针-环电极结构。搭建等离子体射流实验平台,并能够产生稳定的等离子体,为进一步探索大气压等离子射流的应用奠定了基础。