CN201918970U - 一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器，包括：脉冲发生器，第一隔离、第二隔离、第三隔离驱动电路，第一隔离脉冲变压器，第二隔离脉冲变压器，第一脉冲恢复电路、第二脉冲恢复电路，MOSFET开关开启管，MOSFET开关截尾管。脉冲发生器采用可编程逻辑器件实现。脉冲发生器将输入初级脉冲前后沿分离，形成开启脉冲、关断脉冲、截尾脉冲三路脉冲信号，三路脉冲信号经驱动电路，隔离脉冲变压器、恢复电路后，控制MOSFET开关开启管和MOSFET开关截尾管获得调制脉冲输出。本实用新型在使用脉冲变压器传输信号的前提下，实现了初级任意控制脉冲信号宽度和任意频率输入情况下，在次级可实时响应并输出相同脉冲信号，提高了脉冲调制器的适应范围和适应领域。

Description

一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器

技术领域

本实用新型属于雷达发射机技术领域，具体涉及一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器。

背景技术

脉冲调制器，需要解决的主要问题是能够将初级控制脉冲信号实时传递到次级高压端，并实现脉冲调制的一种装置。能够隔离传输控制信号的器件主要有：光耦或光纤、脉冲变压器、射频（RF）变压器等。根据所选隔离、耦合器件的不同，通常人们习惯性地把相应的调制器分别叫做：光耦合式调制器、脉冲变压器耦合式调制器、RF变压器耦合式调制器。然而，这些传统发方法都具有自身的缺陷。

光耦或光纤虽然可将初级任意波形传送到次级，但缺点是成本相对较高，而且在高压端由光信号转化为电信号时需要一个隔离的辅助电源，在次级开关管工作电压较低时，开关管可用单管实现，这种缺点还可忍受，如果电压较高，需用多个管子串联工作时，需要多组互相隔离的辅助电源，这将严重限制这种方式的推广使用。

脉冲变压器的输出脉冲幅度和极性可根据需要进行设计，比较方便灵活；且其元器件的数量较少有利于提高可靠性。其缺点是：开关管的工作电流大，损耗较大，而且所传输的脉宽受到限制，其宽度约为所传输控制脉冲前沿的200～300倍。

由此，在很多应用中，次级采用电压控制型开关，控制信号的传输采用初级脉冲形成的脉冲前后沿的尖脉冲的脉冲调制器和脉冲调制方法已经开始使用。脉冲调制器次级的电压型控制开关采用场控器件的电路，驱动信号不需要大的电流，只需传输一个控制电压就可控制开启管和截尾管的通/断，但是这类场控器件的栅源极间却存在着极间电容，驱动信号的前沿必须首先对这个电容充电到开启管导通所需的电场，方可维持开关的导通。脉冲前沿过后，极间电容已充满电，无需控制脉冲再提供能量，故控制脉冲的脉宽已毫无意义，只需一个脉冲前沿即可；同样在脉冲结束时，如果让极间电容反相充上电荷，产生反相电场，则开启管就会立即截止。这样，脉冲变压器只需传输一个前沿脉冲和一个后沿脉冲，就可使控制次级开关管以一定的脉宽工作，脉宽受前沿脉冲的前沿到后沿脉冲的前沿之间的延迟时间决定，而不是控制信号（前沿脉冲和后沿脉冲）的脉冲宽度决定，调制器的最大脉宽受限于极间电容的电荷泄漏能力，而不是脉冲变压器的最大传输脉宽能力。此时不仅保持了脉冲变压器隔离传输控制信号的优点，而且克服了脉冲变压器的最大脉宽受限的不足。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器，以克服现有脉冲调制器的缺陷。

本实用新型所采取的技术解决方案如下：

一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器包括：脉冲发生器，第一隔离驱动电路、第二隔离驱动电路、第三隔离驱动电路，第一隔离脉冲变压器T1，第二隔离脉冲变压器T2，第一脉冲恢复电路，第二脉冲恢复电路，MOSFET开关开启管，MOSFET开关截尾管；

脉冲发生器包括:反相器，延迟器，第一上升沿触发器，第二上升沿触发器，第三上升沿触发器，第一脉冲计数器，第二脉冲计数器，第三脉冲计数器；

输入脉冲A连接到第一上升沿触发器的输入端，其输出信号连接到第一脉冲计数器，经第一脉冲计数器处理后输出开启脉冲D；

输入脉冲A经反相器处理后输出反相脉冲B；反相脉冲B连接到第二上升沿触发器输入端，其输出信号连接到第二脉冲计数器，经第二脉冲计数器处理后输出关断脉冲E;

反相脉冲B经延迟器延迟后输出延迟反相脉冲C,延迟反相脉冲C连接到第三上升沿触发器输入端，其输出信号连接到第三脉冲计数器，经第三脉冲计数器处理后输出截尾脉冲F;

开启脉冲D、关断脉冲E、截尾脉冲F分别和第一隔离驱动电路、第二隔离驱动电路、第三隔离驱动电路的信号输入端连接；第一隔离脉冲变压器T1初级两端分别和第一隔离驱动电路信号输出端，第二隔离驱动电路信号输出端连接；第二隔离脉冲变压器T2初级一端接地，另一端和第三隔离驱动电路信号输出端连接；

MOSFET开关开启管漏极和正偏电压连接，MOSFET开关截尾管源极和负偏电压连接，MOSFET开关开启管源极和MOSFET开关截尾管漏极连接，该连接点为调制脉冲输出端；

MOSFET开关开启管的栅极和第一脉冲恢复电路信号输出端连接，MOSFET开关截尾管栅极和第二脉冲恢复电路信号输出端连接；

脉冲信号发生器采用可编程逻辑器件实现；

第一隔离驱动电路由光电耦合器V1，前级驱动芯片U1A，功率驱动芯片U2，电阻R1、R2，电容C1、C2、C3、C4构成；开启脉冲D通过R1输入，放大后的开启脉冲D通过电容C4输出；

第二隔离驱动电路由光电耦合器V2，前级驱动芯片U1B，功率驱动芯片U3，电阻R3、R4，电容C5、C6、C7、C8构成；关断脉冲E通过电阻R3输入，放大后的关断脉冲E通过电容C8输出；

第三隔离驱动电路由光电耦合器V3，前级驱动芯片U1C，功率驱动芯片U4，电阻R5、R6，电容C9、C10、C11、C12构成；截尾脉冲F通过R5输入，放大后的截尾脉冲F通过C12输出；

第一脉冲恢复电路由二极管6V1、6V2、6V3，瞬态抑制二极管6V6，NPN三极管6V4，场效应管6V5，电阻6R1、6R2、6R3、6R4、6R5构成；其输入端分别和第一隔离脉冲变压器T1次级两端连接;其信号输出端和MOSFET开关开启管6V7栅极连接；

第二脉冲恢复电路由二极管6V8、6V9，瞬态抑制二极管6V11，PNP三极管6V10,电阻6R6、6R7、6R8构成；其两个信号输入端分别和第二隔离脉冲变压器T2次级两端连接；其信号输出端和MOSFET开关截尾管6V12栅极连接。

本实用新型所具有的积极效果是：

1、在使用脉冲变压器传输信号前提下，实现了在初级任意控制脉冲信号宽度（几百纳秒到连续波）和任意频率输入情况下，在次级可实时响应并输出相同脉冲信号，提高了脉冲调制器的适应范围。

2、次级使用无源电路，开关采用MOSFET管实现，不仅电路简单，实现成本低，可靠性高，而且调制脉冲输出波形前后沿小，波形不失真。

3、在初级无输入脉冲的情况下，通过定时补充关断脉冲的技术，使补充的关断窄脉冲实现MOSFET开关栅源极间电容能够可靠放电，保证MOSFET开关的可靠截止，能够有效防止在出现打火或者其他干扰的情况下，脉冲调制器不会误动作，可安全的使用在各种环境条件下。

附图说明

图1为本实用新型初级控制脉冲前后沿形成示意图。

图2 为本实用新型初级脉冲形成时序图。

图3 为本实用新型脉冲信号隔离输出驱动图。

图4 为本实用新型驱动隔离变压器图。

图5 为本实用新型隔离脉冲变压器次级波形图。

图6 为本实用新型次级波形恢复电路图。

图7 为本实用新型脉冲调制器输出波形图。

图8 为本实用新型电路结构方框图。

具体实施方式

如图1—图8所示：

一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器包括：脉冲发生器，第一隔离驱动电路、第二隔离驱动电路、第三隔离驱动电路，第一隔离脉冲变压器T1，第二隔离脉冲变压器T2，第一脉冲恢复电路，第二脉冲恢复电路，MOSFET开关开启管，MOSFET开关截尾管；

脉冲发生器包括:反相器，延迟器，第一上升沿触发器，第二上升沿触发器，第三上升沿触发器，第一脉冲计数器，第二脉冲计数器，第三脉冲计数器；

输入脉冲A连接到第一上升沿触发器的输入端，其输出信号连接到第一脉冲计数器，经第一脉冲计数器处理后输出开启脉冲D；

输入脉冲A经反相器处理后输出反相脉冲B；反相脉冲B连接到第二上升沿触发器输入端，其输出信号连接到第二脉冲计数器，经第二脉冲计数器处理后输出关断脉冲E;

反相脉冲B经延迟器延迟后输出延迟反相脉冲C,延迟反相脉冲C连接到第三上升沿触发器输入端，其输出信号连接到第三脉冲计数器，经第三脉冲计数器处理后输出截尾脉冲F;

开启脉冲D、关断脉冲E、截尾脉冲F分别和第一隔离驱动电路、第二隔离驱动电路、第三隔离驱动电路的信号输入端连接；第一隔离脉冲变压器T1初级两端分别和第一隔离驱动电路信号输出端，第二隔离驱动电路信号输出端连接；第二隔离脉冲变压器T2初级一端接地，另一端和第三隔离驱动电路信号输出端连接；

MOSFET开关开启管漏极和正偏电压连接，MOSFET开关截尾管源极和负偏电压连接，MOSFET开关开启管源极和MOSFET开关截尾管漏极连接，该连接点为调制脉冲输出端；

MOSFET开关开启管的栅极和第一脉冲恢复电路信号输出端连接，MOSFET开关截尾管栅极和第二脉冲恢复电路信号输出端连接；

脉冲信号发生器采用可编程逻辑器件实现；

第一隔离驱动电路由光电耦合器V1，前级驱动芯片U1A，功率驱动芯片U2，电阻R1、R2，电容C1、C2、C3、C4构成；开启脉冲D通过R1输入，放大后的开启脉冲D通过电容C4输出；

第二隔离驱动电路由光电耦合器V2，前级驱动芯片U1B，功率驱动芯片U3，电阻R3、R4，电容C5、C6、C7、C8构成；关断脉冲E通过电阻R3输入，放大后的关断脉冲E通过电容C8输出；

第三隔离驱动电路由光电耦合器V3，前级驱动芯片U1C，功率驱动芯片U4，电阻R5、R6，电容C9、C10、C11、C12构成；截尾脉冲F通过R5输入，放大后的截尾脉冲F通过C12输出；

第一脉冲恢复电路由二极管6V1、6V2、6V3，稳压二极管6V6，NPN三极管6V4，场效应管6V5，电阻6R1、6R2、6R3、6R4、6R5构成；其输入端分别和第一隔离脉冲变压器T1次级两端连接;其信号输出端和MOSFET开关开启管6V7栅极连接；

第二脉冲恢复电路由二极管6V8、6V9，稳压二极管6V11，PNP三极管6V10,电阻6R6、6R7、6R8构成；其两个信号输入端分别和第二隔离脉冲变压器T2次级两端连接；其信号输出端和MOSFET开关截尾管6V12栅极连接。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，整个初级脉冲发生器采用CPLD/FPGA等可编程逻辑器件实现，包括了反相器模块、延迟器模块、上升沿触发器模块和脉冲计数器模块等，多个模块组合成的电路的主要功能是实现输入脉冲的前后沿分离、定时补充开启/关断脉冲并根据输入脉冲的后沿产生截尾脉冲。初级输入控制脉冲波形如图2 A所示，是一个周期性的脉冲信号，当脉冲信号到来时，经过图1的第一上升沿触发器后，自动将脉冲前沿取出，之后送到图1的第一脉冲计数器后，进行计数，确定输出前沿脉冲的宽度，为适应窄脉冲情况下（例如几百纳秒）能够在次级恢复出相同的脉冲，前沿脉冲的宽度可定为200-300ns左右。由于次级开关（图6  6V7）采用的是MOSFET开关，其栅源极间电容的大小是一定的，在初级宽脉冲输入情况下（例如连续波时），如果仅靠一个前沿脉冲给MOSFET开关栅源极间电容充电，由于栅源极间电容存在电荷的缓慢泄漏，在一定时间后，电容上的电荷将会越来越少，最后其所剩的电荷的电场将无法维持开关的导通，因而单纯依靠传递一个前沿脉冲将无法适应脉宽很宽的情况，故而在初级脉冲发生器的第一脉冲计数器中，还自动设定了定时补充开启脉冲功能，即输入脉宽超过200μS时，自动补充一个开启脉冲，因此最终在图1的第一脉冲计数器后输出的脉冲波形为图2的D所示。

图1的初级输入控制脉冲经过一个反相器模块后，变成图2 B点所示的波形，之后通过第二上升沿触发器和第二脉冲计数器后，取出输出脉冲的后沿，其工作原理和上述的开启脉冲产生方式相同。在正常情况下，只需传递一个关断脉冲就可以将次级MOSFET开关上的栅源极间电容上的电荷释放完，但是由于调制器工作电压高，工作环境比较恶劣，当出现一些打火或者干扰等异常情况时，会出现图6中的6V7 MOSFET开关的不正常开通，此时如果没有关断脉冲，就会造成MOSFET持续导通而损坏，严重的可能会损坏整个***，因此为了确保***可靠工作，在图1的第二脉冲计数器中也自动设定了定时补充关断脉冲功能，每隔200μS补充一个关断脉冲，其最终在图1的第二脉冲计数器后输出的脉冲波形为图2的E所示。

为保证次级开启MOSEFT管（图6  6V7）能够快速截止，保证调制器脉冲后沿小，还需要一个截尾脉冲，将截尾MOSFET管（图6  6V12）快速开通，图1中经过反相器后的脉冲（图2 B），在经过一个延迟模块后（图2 C），送入第三上升沿触发器和第三脉冲计数器后，产生截尾脉冲。延迟模块的作用是将信号延迟一定时间，保证关断脉冲（图2 D）和截尾脉冲（图2 E）之间有一个死区时间，避免次级（图6中6V7和6V12）两个开关出现周期性的连通而损坏。图1中的截尾脉冲最终的波形如图2 F所示。

如图3所示，图1中产生的三路脉冲信号（开启、关断和截尾脉冲），分别通过R1、R3和R5送至图3中的三路光耦V1、V2和V3的输入端，经光耦隔离后，到达光耦次级，为保证一定的驱动能力，到达光耦次级的三路信号经过CMOS驱动电路U1驱动，之后送给具有大输出峰值电流的驱动芯片U2、U3和U4，并经过电容C4、C8和C12隔直后分别驱动后级的隔离变压器。

图3中的驱动芯片U2、U3和U4采用N沟道和P沟道MOSFET开关组成的互补对称结构形式的芯片，其结构如图4所示。当开启脉冲到来时，图4中的4V1和4V4导通，在变压器T1的次级产生一个正向的脉冲；当关断脉冲到来时，图4中的4V3和4V2导通，在变压器T1次级产生一个反相的脉冲，因此，最终变压器T1次级的波形如图5的G-H所示。图1中的截尾脉冲经过驱动电路后，在图4变压器T2两端产生一个正向的脉冲，其波形如图5的M-N所示。

如图6所示，图4驱动变压器T1和T2次级两端分别连接至图6的G、H和M、N端点。当开启脉冲到来后，即G点相对H点为高时，6V5导通，电流从G点流经6V1、6R5、6C0、6V5，回到H点，此时开启管6V7导通，6V7栅源极间电容6C0被充电，当开启脉冲结束后，由于6V7栅源极间电容6C0上一直有电压，因此6V7的栅源极保持导通状态，6V7的D、S开通，此时正偏电压通过6V7输出，当初级控制脉冲宽度变宽时，通过补充的开启脉冲，仍能够保证开启管6V7 栅源极间电容6C0导通所需的电场，继续保持6V7导通；当关断脉冲到来后，即H点相对G点为高时，6V4导通，电流从H点流经6V0、6C0、6R5、6V4，回到G点，6V7栅源极间电容6C0被放电，此时开启管6V7因栅源极间反偏而截止，正偏电压无法通过6V7输出。当截尾脉冲到来后，即M点相对N点为高时，电流从M点流经6V8、6V9、6R7、6C1，回到N点，此时截尾管6V12导通，负偏电压通过6V12迅速给6V7反偏并输出，保证了调制器的脉冲后沿不拖尾，调制脉冲后沿小，波形不失真。当M、N间的脉冲消失后，截尾管6V12栅源极间电容6C1两端的电荷可通过6R7、6V10放电，使6V12能够快速截止，负偏电压通6R8输出，最终的脉冲调制器输出波形如图7所示。

本调制器的一个突出的优点是可有效防止干扰，防止误触发情况出现。为防止在出现干扰时，图6中6V7出现误触发而导通，本调制器采取了消除干扰技术，即在初级无控制脉冲期间，定时补充发送关断脉冲至次级H、G间，使6V7栅源极间电容6C0一直处于反相充电状态，在脉冲调制器工作中，即使有干扰脉冲到来，也不会造成6V7的误触发而开启。

Claims (4)

1.一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器，其特征是：所述一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器包括：脉冲发生器，第一隔离驱动电路、第二隔离驱动电路、第三隔离驱动电路，第一隔离脉冲变压器T1，第二隔离脉冲变压器T2，第一脉冲恢复电路，第二脉冲恢复电路，MOSFET开关开启管，MOSFET开关截尾管；

脉冲发生器包括:反相器，延迟器，第一上升沿触发器，第二上升沿触发器，第三上升沿触发器，第一脉冲计数器，第二脉冲计数器，第三脉冲计数器；

输入脉冲A连接到第一上升沿触发器的输入端，其输出信号连接到第一脉冲计数器，经第一脉冲计数器处理后输出开启脉冲D；

输入脉冲A经反相器处理后输出反相脉冲B；反相脉冲B连接到第二上升沿触发器输入端，其输出信号连接到第二脉冲计数器，经第二脉冲计数器处理后输出关断脉冲E;

反相脉冲B经延迟器延迟后输出延迟反相脉冲C，延迟反相脉冲C连接到第三上升沿触发器输入端，其输出信号连接到第三脉冲计数器，经第三脉冲计数器处理后输出截尾脉冲F;

开启脉冲D、关断脉冲E、截尾脉冲F分别和第一隔离驱动电路、第二隔离驱动电路、第三隔离驱动电路的信号输入端连接；第一隔离脉冲变压器T1初级两端分别和第一隔离驱动电路信号输出端，第二隔离驱动电路信号输出端连接；第二隔离脉冲变压器T2初级一端接地，另一端和第三隔离驱动电路信号输出端连接；

MOSFET开关开启管漏极和正偏电压连接，MOSFET开关截尾管源极和负偏电压连接，MOSFET开关开启管源极和MOSFET开关截尾管漏极连接，该连接点为调制脉冲输出端；

MOSFET开关开启管的栅极和第一脉冲恢复电路信号输出端连接，MOSFET开关截尾管栅极和第二脉冲恢复电路信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器，其特征是：脉冲信号发生器采用可编程逻辑器件实现。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器，其特征是：第一隔离驱动电路由光电耦合器V1，前级驱动芯片U1A，功率驱动芯片U2，电阻R1、R2，电容C1、C2、C3、C4构成；开启脉冲D通过R1输入，放大后的开启脉冲D通过电容C4输出；

第二隔离驱动电路由光电耦合器V2，前级驱动芯片U1B，功率驱动芯片U3，电阻R3、R4，电容C5、C6、C7、C8构成；关断脉冲E通过电阻R3输入，放大后的关断脉冲E通过电容C8输出；

第三隔离驱动电路由光电耦合器V3，前级驱动芯片U1C，功率驱动芯片U4，电阻R5、R6，电容C9、C10、C11、C12构成；截尾脉冲F通过R5输入，放大后的截尾脉冲F通过C12输出。

4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲前后沿分离传输技术的脉冲调制器，其特征是：第一脉冲恢复电路由二极管6V1、6V2、6V3，稳压二极管6V6，NPN三极管6V4，场效应管6V5，电阻6R1、6R2、6R3、6R4、6R5构成；其输入端分别和第一隔离脉冲变压器T1次级两端连接;其信号输出端和MOSFET开关开启管6V7栅极连接；

第二脉冲恢复电路由二极管6V8、6V9，稳压二极管6V11，PNP三极管6V10,电阻6R6、6R7、6R8构成；其两个信号输入端分别和第二隔离脉冲变压器T2次级两端连接；其信号输出端和MOSFET开关截尾管6V12栅极连接。

Images