一種高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，包括通用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列、數(shù)字頻率合成器、變壓器、第一低通濾波器、偏置電壓發(fā)生器、信號放大模塊、偏置電源、高壓電源、高壓放大模塊、鉗位電路、第二低通濾波器；采用兩級信號放大模塊、高壓放大模塊級聯(lián)方式將數(shù)字頻率合成器輸出的幅度可控正弦波信號放大后通過底部鉗位電路進(jìn)行鉗位得到高壓正弦波信號，并在直接數(shù)字頻率合成器后通過第一低通濾波器和在信號鉗位后通過第二低通濾波器去除噪聲。本發(fā)明簡化正弦波的產(chǎn)生方法，使電子倍增電荷耦合器件CCD60的幀頻達(dá)到1000Hz以上，相比國外同類相機(jī)頻率提高1倍，用于電荷耦合器件的高頻、高壓增益驅(qū)動產(chǎn)生電子增益。
【專利說明】一種高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微光成像領(lǐng)域，涉及一種高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，主要用于驅(qū)動EMCCD特有的電子增益寄存器產(chǎn)生電子增益。
【背景技術(shù)】
[0002]電子倍增電荷I禹合器件(Electron Multiplying Charge Couple Device,EMCCD)在硅片上單獨(dú)集成了數(shù)百級電子倍增寄存器，可在電子域?qū)⑿盘栯娮臃糯?000倍以上，獲得非常高的靈敏度，特別適合于在微弱光照條件下成像。但電荷耦合器件需要一種特有的低電壓為4.0V高電壓為20V-50V可調(diào)的正弦波或方波驅(qū)動信號來產(chǎn)生電子增益，該要求在電路具體實(shí)現(xiàn)時非常困難。另外，某些電子倍增CCD的讀出放大器通過特殊設(shè)計(jì)后可達(dá)到18MHz以上的像素時鐘頻率，比如E2V公司面陣大小為128X 128的(XD60，在18MHz像素時鐘頻率下可達(dá)到1000幀/秒的理論幀頻。這進(jìn)一步要求高壓增益驅(qū)動信號的驅(qū)動頻率達(dá)到20MHz，對產(chǎn)生高壓驅(qū)動信號的電路帶寬要求十分苛刻。
[0003]目前，國外市場上已經(jīng)可以購買到電荷耦合器件成品相機(jī)，比如Andor公司的DV860相機(jī)，其讀出噪聲可達(dá)到65e-，最高增益倍數(shù)可達(dá)到1000倍，但其設(shè)計(jì)保守，最高幀頻只能達(dá)到500幀/秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到(XD60的理論最高幀頻1000幀/秒，具有非常大的改進(jìn)空間。而要達(dá)到最大理論幀頻，必須要攻克兩個難題:達(dá)到20MHz的高壓增益驅(qū)動技術(shù)和電荷包高速轉(zhuǎn)移下的低噪聲處理技術(shù)。
[0004]電荷耦合器件相機(jī)外圍驅(qū)動技術(shù)是當(dāng)前國內(nèi)外微光成像領(lǐng)域?qū)＜业难芯繜狳c(diǎn)，但都集中在像素時鐘約為IOMHz的低頻研究領(lǐng)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足像素時鐘達(dá)到20MHz以上的高幀頻電荷耦合器件相機(jī)驅(qū)動需求。其采用的將數(shù)字頻率合成離散數(shù)字正弦波信號的技術(shù)在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)并在后續(xù)采用DA轉(zhuǎn)換為模擬正弦波信號的方法實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，同時由于電路關(guān)鍵模塊帶寬不足的問題不能達(dá)到20MHz的驅(qū)動頻率。因此，如何實(shí)現(xiàn)驅(qū)動頻率可達(dá)到20MHz以上、電壓幅度達(dá)到45V以上的電荷耦合器件高壓增益驅(qū)動信號是研制高幀頻電荷耦合器件相機(jī)首先要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )解決的技術(shù)問題
[0006]為解決現(xiàn)有電荷耦合器件高壓增益正弦波驅(qū)動裝置不能達(dá)到20MHz驅(qū)動頻率而導(dǎo)致電荷耦合器件60無法達(dá)到1000Hz最高幀頻的問題，發(fā)明了一種信號頻率可達(dá)到20MHz、信號幅度可達(dá)到45V的電荷耦合器件正弦波驅(qū)動裝置。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]本發(fā)明提供的一種高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，主要包括通用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列、數(shù)字頻率合成器、變壓器、第一低通濾波器、偏置電壓發(fā)生器、信號放大模塊、偏置電源、高壓電源、高壓放大模塊、鉗位電路、第二低通濾波器，其中:單片機(jī)與通用計(jì)算機(jī)連接，單片機(jī)根據(jù)通用計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制命令字生成并輸出數(shù)字頻率合成器內(nèi)部參數(shù)寄存器的配置參數(shù)；數(shù)字頻率合成器與現(xiàn)場可編程邏輯門陣列、單片機(jī)連接，接收現(xiàn)場可編程邏輯門陣列提供的同步時鐘作為主時鐘信號，同時接收單片機(jī)輸出的數(shù)字頻率合成器內(nèi)部參數(shù)寄存器的配置參數(shù)，根據(jù)配置參數(shù)信息輸出差分正弦波信號；變壓器與數(shù)字頻率合成器連接，用于將差分正弦波信號轉(zhuǎn)化為單端正弦波信號；第一低通濾波器與變壓器連接，用于濾除數(shù)字頻率合成器輸出正弦波信號中的階梯狀噪聲，輸出平滑的正弦波信號；信號放大模塊與低通濾波器、偏置電壓發(fā)生器連接，接收偏置電壓發(fā)生器輸出的偏置電壓以及第一低通濾波器輸出的平滑的正弦波信號，生成并輸出一路交流分量放大5倍且具有一定直流偏置量的一級正弦波信號；高壓放大模塊與信號放大模塊、高壓電源連接，高壓放大模塊接收高壓電源輸出的電壓作為供電電源，高壓放大模塊將信號放大模塊輸出的一級正弦波信號放大9倍并輸出二級正弦波信號；鉗位電路與高壓放大模塊、偏置電源連接，偏置電源為鉗位電路提供偏置電壓，鉗位電路將高壓放大模塊輸出的二級正弦波信號的底部鉗位到4.0V電壓上，并輸出帶有4.0V直流偏置的二級正弦波信號；第二低通濾波器與鉗位電路連接，濾除鉗位電路輸出的帶有4.0V直流偏置的二級正弦波信號的噪聲，得到并為電子倍增電荷耦合器件提供最大頻率20MHz的高壓正弦波單頻信號。
[0009](三)有益效果
[0010]本發(fā)明將電荷耦合器高壓正弦波驅(qū)動信號頻率從原來的IOMHz提高到20MHz，相比現(xiàn)有裝置驅(qū)動頻率提聞了 100%,可將60型號的電荷稱合器的拍攝巾貞頻從500巾貞/秒提高到最高理論幀頻1000幀/秒，相比國外同類相機(jī)提升了 I倍，并大大簡化正弦波的產(chǎn)生方法，可滿足目前E2V公司所有EMCCD產(chǎn)品對高壓增益信號的驅(qū)動要求，具有非常好的通用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明可達(dá)20MHz的電子倍增電荷耦合器件高壓正弦波驅(qū)動信號產(chǎn)生裝置的實(shí)施例框圖；
[0012]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中三階無源低通濾波器；
[0013]圖3是本發(fā)明中信號放大模塊為第一級放大電路的實(shí)施例；
[0014]圖4是本發(fā)明中鉗位電路為二極管底部鉗位電路實(shí)施例；
[0015]圖5是本發(fā)明中低通濾波電路為RC低通濾波電路的實(shí)施例；
[0016]圖6是本發(fā)明裝置實(shí)施例產(chǎn)生的正弦波驅(qū)動信號。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018]本發(fā)明是針對電荷耦合器件(CCD)的實(shí)施例，所述電荷耦合器件為面陣電荷耦合器件，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過本發(fā)明下面的實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)涉及驅(qū)動任一面陣電荷耦合器件的高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，下面僅以驅(qū)動CCD相機(jī)中電子倍增電荷耦合器件的高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置為例介紹實(shí)施例:
[0019]如圖1示出可達(dá)20MHz的電子倍增電荷耦合器件高壓正弦波驅(qū)動信號產(chǎn)生裝置，包括通用計(jì)算機(jī)PC、單片機(jī)MCU、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA、數(shù)字頻率合成器DDS、變壓器、第一低通濾波器、偏置電壓發(fā)生器、信號放大模塊、偏置電源、高壓電源、高壓放大模塊、鉗位電路、第二低通濾波器；所述第一低通濾波器使用三級無源低通濾波器。所述鉗位電路使用二極管鉗位電路。數(shù)字頻率合成器使用單片集成式直接數(shù)字頻率合成器。第二低通濾波器使用RC低通濾波電路。高壓電源為50V高壓電源。其中:單片機(jī)與通用計(jì)算機(jī)連接，單片機(jī)根據(jù)通用計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制命令字生成并輸出數(shù)字頻率合成器內(nèi)部參數(shù)寄存器的配置參數(shù)；數(shù)字頻率合成器與現(xiàn)場可編程邏輯門陣列、單片機(jī)連接，接收現(xiàn)場可編程邏輯門陣列提供的同步時鐘作為主時鐘信號，同時接收單片機(jī)輸出的數(shù)字頻率合成器內(nèi)部參數(shù)寄存器的配置參數(shù)，根據(jù)配置參數(shù)信息輸出差分正弦波信號；變壓器與數(shù)字頻率合成器連接，用于將差分正弦波信號轉(zhuǎn)化為單端正弦波信號；第一低通濾波器與變壓器連接，用于濾除數(shù)字頻率合成器輸出正弦波信號中的階梯狀噪聲，輸出平滑的正弦波信號；信號放大模塊與低通濾波器、偏置電壓發(fā)生器連接，接收偏置電壓發(fā)生器輸出的偏置電壓以及第一低通濾波器輸出的平滑的正弦波信號，生成并輸出一路交流分量放大5倍且具有一定直流偏置量的一級正弦波信號；高壓放大模塊與信號放大模塊、高壓電源連接，高壓放大模塊接收高壓電源輸出的電壓作為供電電源，高壓放大模塊將信號放大模塊輸出的一級正弦波信號放大9倍并輸出二級正弦波信號；鉗位電路與高壓放大模塊、偏置電源連接，偏置電源為鉗位電路提供偏置電壓，鉗位電路將高壓放大模塊輸出的二級正弦波信號的底部鉗位到4.0V電壓上，并輸出帶有4.0V直流偏置的二級正弦波信號；第二低通濾波器與鉗位電路連接，濾除鉗位電路輸出的帶有4.0V直流偏置的二級正弦波信號的噪聲，得到并為電子倍增電荷耦合器件提供最大頻率20MHz的高壓正弦波單頻信號。
[0020]通用計(jì)算機(jī)發(fā)送命令字控制單片機(jī)內(nèi)部程序，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字頻率合成器內(nèi)部寄存器的控制，輸出相位、幅度、頻率可控制的正弦波信號。所述數(shù)字頻率合成器輸出幅度大小為IV的差分正弦波信號，并由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列提供數(shù)字頻率合成器的同步時鐘，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場可編程邏輯門陣列內(nèi)部的驅(qū)動信號與高壓正弦波驅(qū)動信號同步，用于簡化正弦波信號的產(chǎn)生過程。所述第一低通濾波器的截止頻率為40MHZ的三階無源低通濾波器，用于濾除數(shù)字頻率合成器輸出正弦波信號中的階梯狀噪聲，平滑正弦波信號。所述信號放大模塊采用IGHz高帶寬、1350V / μ s大壓擺率運(yùn)算放大器，結(jié)合偏置電壓發(fā)生器輸出的偏置電壓，將第一低通濾波器去噪后輸出的正弦波信號放大5倍到5V峰峰值，并帶有1.5V的直流信號，為高壓放大模塊提供一個必須的直流電壓。所述高壓放大模塊采用200MHz高帶寬、
[0021]15000V / μ s特大壓擺率的高壓放大器，利用50V高壓電源為高壓放大器供電，將信號放大模塊輸出的5V峰峰值正弦波信號放大9倍變?yōu)?5V峰峰值的正弦波信號。為滿足電荷耦合器件高壓增益驅(qū)動信號低電壓為4.0V的特殊要求，采用鉗位電路將高壓放大器輸出的高壓正弦波信號底部鉗位到4.0V直流電壓上，從而實(shí)現(xiàn)電荷耦合器件要求的底部電平為4.0V，最高電壓為49V，小于安全電壓最高不超過50V的基本要求。為保證該裝通用計(jì)算機(jī)發(fā)送命令字控制單片機(jī)內(nèi)部程序，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字頻率合成器內(nèi)部寄存器的控制，輸出相位、幅度、頻率可控制的正弦波信號。為保證本發(fā)明裝置輸出的高壓正弦波信號最大頻率可達(dá)到20MHz，主要采取了以下保障措施:數(shù)字頻率合成器能輸出20MHz以上的正弦波信號頻率，并通過單片機(jī)設(shè)置數(shù)字頻率合成器內(nèi)部的時鐘鎖相環(huán)寄存器提高其內(nèi)部工作頻率到[0022]400MHz,能使數(shù)字頻率合成器內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器對輸出的正弦波信號的每一個周期實(shí)現(xiàn)至少20等分，用于有效降低正弦波輸出信號的階梯噪聲；變壓器的帶寬選擇為300MHz，大于所需要輸出20MHz以上的正弦波信號頻率，用于確保信號通過變壓器時不會受到損失；低通濾波器截止頻率為40MHz，大于最大信號頻率20MHz，最大限度消除高頻噪聲，而保留20MHz的正弦波信號；信號放大模塊電路采用的運(yùn)輸運(yùn)算放大器帶寬為1GHz，放大5倍后的有效帶寬為200MHz，大于20MHz信號帶寬，同時壓擺率為1350V / μ s，大于信號放大模塊內(nèi)部運(yùn)算放大器最低壓擺率要求的628V / μ s ;高壓放大模塊運(yùn)放帶寬為200MHz，放大9倍后的帶寬為22MHz大于最大信號頻率20MHz，同時壓擺率為15000V / μ s,大于該級放大器最低壓擺率要求5652V / μ S。
[0023]單片機(jī)在系統(tǒng)上電時，首先完成對直接數(shù)字頻率合成器內(nèi)部相位寄存器、幅度寄存器、頻率寄存器以及時鐘鎖相環(huán)寄存器進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，完成設(shè)置后等待通用計(jì)算機(jī)軟件的8字節(jié)控制命令，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整直接數(shù)字頻率合成器輸出信號的幅度。初始化將數(shù)字頻率合成器輸出的信號頻率設(shè)置為所需值，比如18MHz，相位設(shè)置為0，時鐘鎖相環(huán)輸出頻率為400MHz，與現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA內(nèi)部的電子倍增電荷耦合器件驅(qū)動信號保持同步，信號幅度設(shè)置為0.36V峰峰值，整個裝置對應(yīng)的輸出信號幅度為0.36X45 =16.2V，加上后續(xù)的4V直流電平底部鉗位，約為電子倍增電荷耦合器件高壓增益電壓最低幅度值20V。
[0024]為保證該裝置輸出的高壓正弦波信號與現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA產(chǎn)生的電子倍增電荷耦合器件驅(qū)動時序信號保持嚴(yán)格的時序相位關(guān)系，從現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA中輸出一路與FPGA內(nèi)部驅(qū)動信號同源的單端時鐘輸入到數(shù)字頻率合成器DDS作為主時鐘，并在設(shè)置好數(shù)字頻率合成器DDS的寄存器以后由單片機(jī)發(fā)出一有效信號去激活現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA內(nèi)部的電子倍增電荷耦合器件驅(qū)動時序模塊以及數(shù)字頻率合成器DDS內(nèi)部寄存器，使該兩個模塊在同一時刻開始工作，從而可控制在現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA內(nèi)部產(chǎn)生的電子倍增電荷耦合器件驅(qū)動信號與數(shù)字頻率合成器DDS產(chǎn)生的高壓驅(qū)動信號在每一次上電都保持固定的時序關(guān)系，通過調(diào)整數(shù)字頻率合成器DDS內(nèi)部的相位寄存器，可使電子倍增電荷耦合器件的第一水平驅(qū)動?xùn)艠ORl驅(qū)動信號與高壓正弦波驅(qū)動信號保持所要求的時序關(guān)系。
[0025]數(shù)字頻率合成器DDS輸出的正弦波信號由于其采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC方式將內(nèi)部離散的正弦波序列值轉(zhuǎn)換為模擬信號，不可避免的會出現(xiàn)臺階狀高頻噪聲，需在后續(xù)增加濾波器濾除，只保留有用的正弦波信號。考慮到有效信號的單頻特性、系統(tǒng)功耗及印制電路板PCB面積等因素，如圖2中所示第一低通濾波器采用過渡帶窄的三階無源低通濾波器，截止頻率設(shè)置為40MHz，三階無源低通濾波器實(shí)現(xiàn)方式包括:電容C32、C34、C35、C36、C42、C43、C44、C46、C47、C48 和 C51,電感 L1、L2、L3、L4。其中:電容 C32、C34、C35、C36 并聯(lián)，電容C46、C47、C48、C51并聯(lián)，電容C32的輸入端連接到變壓器的輸出端，電容C34的輸入端連接到電感LI的輸出端，電容C35的輸入端連接到電感L2的輸出端，電容C36的輸入端連接到電感L3的輸出端，電容C32、C34、C35、C36的輸出端連接到地，電感LI的輸入端IN連接到變壓器的輸出端，電感L2的輸入端連接到電感LI的輸出端，電感L3的輸入端連接到電感L2的輸出端，電感L4的輸入端連接到電感L3的輸出端，電容C42的輸入端連接到變壓器的輸出端，電容C43的輸入端連接到電容C42的輸出端，電容C44的輸入端連接到電容C43的輸出端，電容C46的輸入端連接到變壓器的輸出端，電容C47的輸入端連接到電容C42的輸出端，電容C51的輸入端連接到電容C43的輸出端，電容C48的輸入端連接到電容C44的輸出端，電容C46、C47、C51、C48的輸出端連接到地。變壓器輸出的單端正弦波信號進(jìn)入到第一低通濾波器進(jìn)行低通濾波，將高于截止頻率40MHz以上的噪聲全部濾除，只保留有效的正弦波信號并由電感L4的輸出端OUT輸出到信號放大模塊。
[0026]如圖3示出信號放大模塊為第一級放大電路的實(shí)施例，包括:直流電源V1、V2、V3，電位器R1，放大器U2，輸入電阻R2、R3、R4，反饋電阻R5，直流電源V2的濾波電容Cl、C2,直流電源V3的濾波電容C3，C4。電位器Rl為一個三端式分壓電阻，電位器Rl的輸入端連接到直流電源VI，電位器Rl的一個輸出端連接到地，電位器Rl的另一個輸出端連接到輸入電阻R2和R3的輸入端，輸入電阻R3的輸出端連接到地，輸入電阻R4的輸入端INPUT連接到第一濾波器的輸出端，放大器U2的正相輸入端連接到輸入電阻R2的輸出端，反相輸入端連接到輸入電阻R4的輸出端，反饋電阻R5的輸入端連接到放大器U2的輸出端0UT，反饋電阻R5的輸出端連接到放大器U2反相輸入端，直流電源V2的輸出端連接到放大器U2的正電源供電輸入端，直流電源V2的接地端連接到地，濾波電容Cl、C2并聯(lián)，濾波電容Cl、C2的輸入端連接到直流電源V2的輸出端，濾波電容Cl、C2的輸出端連接到地，直流電源V3的輸出端連接到放大器U2的負(fù)電源供電輸入端，直流電源V3的接地端連接到地，濾波電容C3、C4并聯(lián)，濾波電容C3、C4的輸入端連接到直流電源V3輸出端，濾波電容C3、C4的輸出端連接到地。信號放大模塊是第一級放大電路，主要將濾波器輸出的正弦波信號放大到第二級放大電路高壓放大模塊的有效輸出范圍以內(nèi)。其放大倍數(shù)為5倍，對應(yīng)的最小信號增益帶寬積要求為5Χ20ΜΗζ=100ΜΗζ，最小壓擺率為2ΧΡΙΧ信號頻率X信號幅度=2X 3.14X 20MHz X 5V=628V / μ s，其中PI為圓周率=3.1415927，同時要求低噪聲運(yùn)算放大器。選用的運(yùn)算放大器U2，其典型指標(biāo)為帶寬為1GHz，壓擺率為1350V / μ S，噪聲電壓為3nV / Hz1720同時為達(dá)到調(diào)節(jié)第一級放大電路輸出信號直流電平的目的，采用一個電位器對一個直流電壓進(jìn)行分壓，可為第一級放大電路提供一個可調(diào)直流偏置電壓。
[0027]高壓放大模塊是第二級放大電路，負(fù)責(zé)將前級輸出的5V峰峰值電壓放大9倍變?yōu)?5V峰峰值電壓。第二級放大電路所要求的最小信號增益帶寬積為20X9=180MHz，最小壓擺率為2 XPI X信號頻率X信號幅度=2X3.14X 20MHz X 45V=5652V / μ s，其中PI為圓周率=3.1415927，所選擇的高壓放大器是一個變種放大器，其增益帶寬積為200MHz，壓擺率為15000V / μ S，能夠滿足應(yīng)用要求。另外，該放大器為單電源供電，通過一個直流-直流轉(zhuǎn)換模塊將系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換為52V電壓，在進(jìn)入放大器之前經(jīng)過一級高壓線性穩(wěn)壓器LDO進(jìn)行穩(wěn)壓達(dá)到50V輸出，滿足該放大器的應(yīng)用要求。
[0028]高壓放大電路輸出的45V峰峰值高壓正弦波信號帶有一定的直流電平，并不能滿足電子倍增電荷耦合器件高壓增益驅(qū)動信號低4.0V，高電壓最高50V的應(yīng)用需求，因此在高壓放大電路的后端增加一級二極管鉗位電路，鉗位電路的輸入端INPUT將高壓放大電路輸出信號的底部鉗位到直流電壓4.0V上，并由鉗位電路的輸出端OUT輸出帶有4.0V直流偏置的二級正弦波信號，以滿足電子倍增電荷耦合器件高壓增益驅(qū)動要求。該鉗位電路具體實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示包括:隔直電容C5、電阻R6、二極管D1、濾波電容C6、C7，供電電源V4。其中，隔直電容C5的輸入端INPUT連接到高壓放大模塊輸出端，電阻R6與二極管Dl并聯(lián)，電阻R6與二極管Dl的輸入端連接到供電電源V4的輸出端，濾波電容C6與濾波電容C7并聯(lián)，濾波電容C6與濾波電容C7的輸入端連接到供電電源V4輸出端，濾波電容C6與濾波電容C7的輸出端連接到地，隔直電容C5的輸出端OUT輸出帶有4.0V直流偏置的二級正弦波信號。
[0029]為濾除在信號產(chǎn)生過程中引入的干擾噪聲，在高壓正弦波信號鉗位以后進(jìn)行了一級RC低通濾波，考慮到高壓放大器功耗、散熱以及電子倍增電荷耦合器件自身對驅(qū)動信號驅(qū)動能力的需求，將RC低通濾波器的截止頻率設(shè)置為5倍于電荷耦合器件驅(qū)動頻率IOOMHz，具體實(shí)現(xiàn)方法如圖5所示，包括電阻R7和電容C8，其中電阻R7的輸入端INPUT連接到鉗位電路輸出端，電容C8的輸入端連接到電阻R7的輸出端0UT，電容C8的輸出端連接到地，從電阻R7輸出端OUT輸出到電子倍增電荷耦合器件的電子增益控制柵極產(chǎn)生電子增
Mo
[0030]圖6該裝置產(chǎn)生的頻率為20MHz，幅度為45V的正弦波驅(qū)動信號，其中方波為電子倍增電荷耦合器件的第一水平驅(qū)動?xùn)艠ORl的驅(qū)動信號。
[0031]以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，其特征在于:主要包括通用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列、數(shù)字頻率合成器、變壓器、第一低通濾波器、偏置電壓發(fā)生器、信號放大模塊、偏置電源、高壓電源、高壓放大模塊、鉗位電路、第二低通濾波器，其中: 單片機(jī)與通用計(jì)算機(jī)連接，單片機(jī)根據(jù)通用計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制命令字生成并輸出數(shù)字頻率合成器內(nèi)部參數(shù)寄存器的配置參數(shù)； 數(shù)字頻率合成器與現(xiàn)場可編程邏輯門陣列、單片機(jī)連接，接收現(xiàn)場可編程邏輯門陣列提供的同步時鐘作為主時鐘信號，同時接收單片機(jī)輸出的數(shù)字頻率合成器內(nèi)部參數(shù)寄存器的配置參數(shù)，根據(jù)配置參數(shù)信息輸出差分正弦波信號； 變壓器與數(shù)字頻率合成器連接，用于將差分正弦波信號轉(zhuǎn)化為單端正弦波信號； 第一低通濾波器與變壓器連接，用于濾除數(shù)字頻率合成器輸出正弦波信號中的階梯狀噪聲，輸出平滑的正弦波信號； 信號放大模塊與低通濾波器、偏置電壓發(fā)生器連接，接收偏置電壓發(fā)生器輸出的偏置電壓以及第一低通濾波器輸出的平滑的正弦波信號，生成并輸出一路交流分量放大5倍且具有一定直流偏置量的一級正弦波信號； 高壓放大模塊與信號放大模塊、高壓電源連接，高壓放大模塊接收高壓電源輸出的電壓作為供電電源，高壓放大模塊將信號放大模塊輸出的一級正弦波信號放大9倍并輸出二級正弦波信號； 鉗位電路與高壓放大模塊、偏置電源連接，偏置電源為鉗位電路提供偏置電壓，鉗位電路將高壓放大模塊輸出的二級正弦波信號的底部鉗位到4.0V電壓上，并輸出帶有4.0V直流偏置的二級正弦波信號； 第二低通濾波器與鉗位電路連接，濾除鉗位電路輸出的帶有4.0V直流偏置的二級正弦波信號的噪聲，得到并`為電子倍增電荷耦合器件提供最大頻率20MHz的高壓正弦波單頻信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，其特征在于:通用計(jì)算機(jī)發(fā)送命令字控制單片機(jī)內(nèi)部程序，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字頻率合成器內(nèi)部寄存器的控制，輸出相位、幅度、頻率可控制的正弦波信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，其特征在于:所述數(shù)字頻率合成器輸出幅度大小為IV的差分正弦波信號，并由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列提供數(shù)字頻率合成器的同步時鐘，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場可編程邏輯門陣列內(nèi)部的驅(qū)動信號與高壓正弦波驅(qū)動信號同步，用于簡化正弦波信號的產(chǎn)生過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，其特征在于:所述第一低通濾波器的截止頻率為40MHz的三階無源低通濾波器，用于濾除數(shù)字頻率合成器輸出正弦波信號中的階梯狀噪聲，平滑正弦波信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，其特征在于:所述信號放大模塊采用IGHz高帶寬、1350V / μ s大壓擺率運(yùn)算放大器，結(jié)合偏置電壓發(fā)生器輸出的偏置電壓，將第一低通濾波器去噪后輸出的正弦波信號放大5倍到5V峰峰值，并帶有1.5V的直流信號，為高壓放大模塊提供一個必須的直流電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，其特征在于:所述高壓放大模塊采用200MHz高帶寬、15000V / μ s特大壓擺率的高壓放大器，利用50V高壓電源為高壓放大器供電，將信號放大模塊輸出的5V峰峰值正弦波信號放大9倍變?yōu)?5V峰峰值的正弦波信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，其特征在于:為滿足電荷耦合器件高壓增益驅(qū)動信號低電壓為4.0V的特殊要求，采用鉗位電路將高壓放大器輸出的高壓正弦波信號底部鉗位到4.0V直流電壓上，從而實(shí)現(xiàn)電荷耦合器件要求的底部電平為4.0V，最高電壓為49V，小于安全電壓最高不超過50V的基本要求。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓正弦波驅(qū)動信號發(fā)生裝置，其特征在于:為保證該裝置輸出的高壓正弦波信號最大頻率能達(dá)到20MHz，主要采取了以下保障措施: 數(shù)字頻率合成器能輸出20MHz以上的正弦波信號頻率，并通過單片機(jī)設(shè)置數(shù)字頻率合成器內(nèi)部的時鐘鎖相環(huán)寄存器提高其內(nèi)部工作頻率到400MHz，能使數(shù)字頻率合成器內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器對輸出的正弦波信號的每一個周期實(shí)現(xiàn)至少20等分，用于有效降低正弦波輸出信號的階梯噪聲； 變壓器的帶寬選擇為300MHz，大于所需要輸出20MHz以上的正弦波信號頻率，用于確保信號通過變壓器時不會受到損失； 低通濾波器截止頻率為40MHz，大于最大信號頻率20MHz，最大限度消除高頻噪聲，而保留20MHz的正弦波信號； 信號放大模塊電路采用的運(yùn)輸運(yùn)算放大器帶寬為1GHz，放大5倍后的有效帶寬為200MHz，大于20MHz信號帶寬，同時壓擺率為1350V / μ s，大于信號放大模塊內(nèi)部運(yùn)算放大器最低壓擺率要求的628V / μ s ; 高壓放大模塊運(yùn)放帶寬為200MHz，放大9倍后的帶寬為22MHz大于最大信號頻率20MHz,同時圧擺率為15000V / μ s，大于該級放大器最低壓擺率要求5652V / μ S。
【文檔編號】H03B5/20GK103872985SQ201410124087
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】王明富, 劉非, 周向東, 劉光林, 馬文禮 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所