采用压扁三角正弦波振荡器的并添加一些逻辑和门控来产生脉冲,以便在触发时,它会产生单个周期,这些周期从基线上升到峰值,然后再次回落,遵循余弦曲线。图 1中的示意图显示了基本原理。
图 1一个简单的振荡器加上一些附加的逻辑,在触发时会产生单脉冲。
振荡器的工作原理
振荡器的与原版几乎完全相同,但重新绘制后看起来有所不同。其基本形式是带施密特的积分器,其中 C1 通过电阻 R2 和 R3 充电,直到其电压达到由 D3 定义的正阈值,这会翻转 A1b 的极性,因此 C1 开始向 D4 的负阈值放电。D1/D2 提供自举以提供线性充电/放电斜坡,同时补偿 D3/D4 的正向电压随温度(和电源电压,尽管我们不必担心)的变化。A2 输出上产生的三角波通过 R7 馈入 D5/D6,将其压缩为合理的(余弦)正弦波(<0.5% THD)。二极管对的正向电压需要匹配以保持对称性,从而限度地减少偶次谐波失真。 A4 通过 D5/6 放大信号,使得脉冲刚好跨越供电轨,热敏电阻 Th1 对温度变化提供足够的补偿。
如果 A2 的输出直接连接到 R1 的输入,电路就会自由振荡(稍后我们会允许它这样做),但现在我们需要它从点开始,完成一个完整的周期,然后停止。
在静止状态下,U2a 清晰,A1b 的输出较高,在 D3 上产生正参考电压。(相对于公共半电源内部轨,该电压为正。)该电压由 A2a 反转并通过 U1a 施加到 R1,这样电路周围就会产生负反馈,从而稳定在负参考电压上。(使用 '4053 作为 U1 可能看起来有点浪费,但它的其他部分将在第 2 部分中派上用场。)
当 U2a 的 D 输入端收到 (正向) 触发时,其输出端会改变状态。这样,U1a 将 R1 连接到 A1b 的 (仍然为高) 输出端,启动循环;反馈现在为正。经过一个完整循环后,A1b 的输出端再次变为高,触发 U2b 并重置 U2a,从而停止循环并将电路恢复到静止状态。相关波形如图2所示。
图2图1中电路的一些波形。
将升余弦与理想的正态分布脉冲进行比较很有启发性,图 3显示了两者。虽然大多数曲线都相当匹配,但底部三分之一左右有些不足,尽管可以通过增加一些复杂性来改进.
图 3理想正态分布曲线与升余弦的比较,包括图 1 的输出。
如前所述,从原理图可以看出,如果通过抑制触发输入并干扰其预设输入低电平以强制其 Q 为高电平和 Q 为低电平来禁用 U2a 的操作,则该电路可用作简单的振荡器。U1a 现在将 A1b 的输出连接到 R1,电路可自由运行。除了作为一项有用的功能外,这还有助于我们进行设置。
调整振荡器
需要在振荡器模式下进行一些微调才能获得效果。
R3 必须设置为在 R2 的和设置下提供相等的三波振幅,否则失真将随频率(或脉冲宽度)而变化。将 R2 设置为值(频率),将 R3 设置为值(在原理图的右侧),然后测量 A1 输出的振幅。现在将 R2 设置为值并调整 R3 以提供与之前相同的振幅。(感谢Steve Woodward提出这个想法。)
R7 定义对压缩二极管 D5/6 的驱动,从而定义失真。使用示波器的 FFT:调整 R7 以化第三和第五谐波。(第七谐波保持相当恒定。)如果做不到这一点,请设置 R7,使二极管两端的电压恰好是三波值的 2/3。作为的手段,30k 固定电阻可能足够接近,就像我构建的一样。
使用 R9 设置输出电平。波形应从轨到轨运行,只需从峰值处削去残余点的(主要负责第七谐波)。不要过度,否则第三和第五谐波将开始增加。这取决于至少对 A1b 和 A2b 使用 RRO 运算放大器,并小心地分割轨道以实现对称性。
一旦调整为振荡器,它就可以用作脉冲发生器,它依赖于完全相同的设置,以便每个脉冲都是余弦波的单个周期,偏移其幅度的一半。
图 1 中的原理图给出了电路的基本结构,将在第 2 部分中详细说明。使用的运算放大器是 Microchip MCP6022,它们是双路、5 V、10 MHz CMOS RRIO 器件,输入偏移小于 500 ?V。电源为 5 V,中央“公共”轨道来自另一个用作轨道分离器的运算放大器:如图4所示,与合适的输出缓冲器一起显示。
图 4一个简单的轨分离器,用于获得 2.5 V 的“公共”轨,以及具有交流和直流耦合输出的输出电平控制和缓冲器。
C1 可以切换以提供多个范围,允许使用从超过 20 kHz(对于 25 ?s 脉冲,在其一半高度处测量)到您想要的值。然后还需要切换 R3;参见图 5了解三范围版本。(范围可能不需要 HF 微调。)虽然三波性能在 1 MHz 左右时良好,但压缩二极管的电容在此之前就开始引入波形失真,至少对于 1N4148 或类似器件而言。
图 5对于多量程使用,定时电容器 C1 是可切换的。为了调整每个量程的 HF 响应,R3 也必须变化。
改善脉冲形状
现在,为了改善脉冲形状,我们增加了额外的复杂性。粗略地说,所需脉冲的上半部分看起来是(余)正弦波,但下半部分则更具指数性,如果我们想要更好的拟合,那部分必须进一步压缩。我们可以通过将 D6 与一对肖特基二极管 D7 和 D8 串联来实现这一点。波形产生的不对称需要抵消,这需要在缓冲级 A2b 中稍微提高增益并进行不同的温度补偿。这些修改如图6所示。
图 6使用一对肖特基二极管桥接 D6 可以更好地拟合所需曲线,但增益和偏移需要调整。
在此模式下,R16 设置偏移,R9A 设置增益。U3 的三个部分将:
将肖特基 D7/8 接入电路
根据模式选择增益和偏移确定组件
短路 R8,将热敏电阻直接置于 R12 上,优化脉冲下半部分的温度补偿
图 7显示了修改后的脉冲形状。不同的二极管或其组合可以很好地改善拟合效果,但这似乎已经足够接近了。
图7由图6得到的改进脉冲形状。
要进行设置,请调整 R16 和 R9A(它们相互作用;对此表示抱歉),使波形底部为 0 V,而峰值略低于 5 V。由于每个脉冲的上半部分和下半部分依赖于不同的二极管,因此它们的温度系数会略有不同。0-V 基线现在稳定,但峰值高度会随着温度略有增加。