一种超快斜坡扫描脉冲产生电路及产生方法与流程

1.本发明涉及超快斜坡电脉冲产生技术领域，更具体的涉及一种新型超快斜坡扫描脉冲电路、及超快斜坡扫描脉冲产生方法和斜率调整控制方法。


背景技术：

2.超快现象(持续时间小于1μs)广泛地出现在自然或科学技术研究中。例如，植物的光合作用过程、超大规模集成电路所产生的电脉冲、半导体材料载流子寿命、激光材料中的超快光激发态驰豫过程、化学反应的分子动力学过程、生物材料荧光发射、激光器产生的超短激光脉冲其持续时间、强光与物质相互作用物理过程等多在皮秒至飞秒量级，甚至于阿秒量级范围内。因此超快现象研究对自然科学、能源、材料、生物、光物理、光化学、激光技术、强光物理、高能物理等研究及技术领域具有重要意义。
3.条纹相机能够同时提供超快过程的一维空间(或光谱)、一维强度和一维时间共三维超快信息。条纹相机作为目前唯一的高时空分辨率的超快现象线性诊断工具，在时间分辨的超快现象研究中发挥着难以替代的作用，是实现微观和超快过程探测的必要手段。条纹相机主要由输入光学系统、条纹变像管、工控及电源模块、扫描模块、像增强器及耦合系统、图像采集及分析等组成。
4.条纹相机系统的工作原理如图1所示。待测光信号脉冲通过光学狭缝及输入光学系统成像至条纹管光电阴极处。到达光电阴极的光脉冲分别包含不同的时间、空间和强度信息，光脉冲信息经光电转换被转为与光脉冲序列具有同等特征信息的电子束序列后，通过电子光学系统加速、调制以及偏转后轰击荧光屏显示具有不同时间及空间信息的图像。不同时刻光脉冲产生的电子束经过条纹变像管偏转系统的偏转电极时，偏转电极施加与入射光信号同步触发的斜波高压电脉冲，对不同时刻到达的电子束实现高速扫描，使其在垂直方向以距离中心线不同位置入射到荧光屏上，荧光质又将电子脉冲信号转换为光信号图像。因此，在荧光屏上，先到达的待测光脉冲图像会成像在荧光屏上方某一位置，其他的待测脉冲信号则依次从上到下排列，换言之，垂直方向就相当于一个时间轴。荧光屏上图像不同的亮度信息与待测光脉冲信号的强度相对应，荧光屏图像水平方向则与待测光脉冲空间位置信息相对应。因此，条纹相机是可同时探测时间、空间、强度等信息的成像仪器。条纹相机工作实质是利用施加于偏转电极上的超快斜坡脉冲对电子的扫描偏转，完成光电子时空信息的转换，从而实现了超快的时间分辨；条纹变像管成像单元的尺寸及偏转灵敏度决定了扫描脉冲的幅值，因此，超快斜坡脉冲的斜率决定相机的扫描时间档位，进而决定了相机的极限时间分辨率，超快斜坡脉冲的线性度也直接影响最终条纹相机的时间分辨率精度。因此，扫描模块中超快斜坡电脉冲的产生作为条纹相机的关键核心技术，超快斜坡电脉冲的斜率、非线性、晃动、延迟等对条纹相机整体性能起决定作用。
5.传统的扫描脉冲产生电路及调速原理如图2所示。其主要利用晶体管的雪崩效应和利用阻容元件构成的积分电路来产生高压斜坡脉冲。利用雪崩晶体管虽然可以获得快速边沿的脉冲，但是在大电流的频繁冲击下，元器件的使用寿命大大下降，另外，受制于雪崩
晶体管所允许的耗散功耗，在高重复频率下，由于雪崩晶体管的脉冲产生电路的开关损耗也随之升高，因而其重复频率一般都不高。上述高压脉冲经由阻容元件构成的脉冲整形电路后转换为所需的斜坡脉冲，但是该脉冲整形电路的线性度受电路中电阻和电容的影响较大，电阻和电容元件的分散性会导致线性度和斜率的变化，进而导致扫描速度的变化，因而对脉冲整形电路的匹配较为繁琐。特别当回路中有寄生电感时，会发生rlc振荡，会导致匹配更加复杂。
6.传统晶体管雪崩和阻容放电原理产生的超快斜坡高压脉冲，如图3示例，在触发放电起始阶段及后期，斜坡高压脉冲线性度不佳，为获得较好的时间分辨精度，必须选择线性度较好的区域作为扫描工作区，因此大大增加了该电路的延时。另外，为了获得一定的线性区间而不得不提高输入电压来选择线性工作区，脉冲幅值甚至高达所需线性工作区幅值的3
‑
5倍，导致所需元器件耐压值增大，最终导致级联的开关器件增多，严重限制其重复频率，多使用为单次脉冲，脉冲重复频率工作难度大。还有，超快斜坡脉冲斜率(对应于相机的档位)调整提前根据要求设计确定，每个档位对应一个扫描盒，扫描模块的体积则限制了扫描档位的数量。


技术实现要素：

7.本发明实施例提供一种超快斜坡扫描脉冲产生电路及产生方法，用以解决上述背景技术中提出的问题。
8.本发明实施例提供一种超快斜坡扫描脉冲产生电路，包括：所述超快斜坡扫描脉冲产生电路包括于条纹相机的扫描模块中；
9.所述超快斜坡扫描脉冲产生电路，包括：充电电路和放电电路；
10.所述充电电路包括：第一mosfet开关管q1与压控电流源vccs串联接地，第一mosfet开关管q1与压控电流源vccs组成的串联电路分别与第二mosfet开关管q2并联接地，与依次串联的电阻r1、电感l1、偏转板的等效电容c1组成的串联电路并联接地；
11.所述放电电路包括：第三mosfet开关管q3与恒流源串联接地，第三mosfet开关管q3与恒流源组成的串联电路分别与第二mosfet开关管q2并联接地，与依次串联的电阻r1、电感l1、偏转板的等效电容c1组成的串联电路并联接地；
12.当第一mosfet开关管q1导通时，压控电流源vccs对偏转板的等效电容c1进行充、放电，获得具有快速前、后沿的斜坡扫描脉冲。
13.进一步地，所述超快斜坡扫描脉冲产生电路，还包括：
14.通过调节恒流源的充电电流大小，对具有快速前、后沿的斜坡扫描脉冲斜率进行调节。
15.进一步地，调节恒流源的充电电流大小的方式，包括以下方式中的任一种：
16.通过改变压控电流源vccs的电压，调节恒流源的充电电流大小；
17.通过改变压控电流源vccs的频率，调节恒流源的充电电流大小；
18.通过改变压控电流源vccs的占空比，调节恒流源的充电电流大小。
19.本发明实施例还提供一种条纹相机的超快斜坡扫描脉冲产生方法，基于超快斜坡扫描脉冲产生电路，其包括于条纹相机的扫描模块中；
20.当第一mosfet开关管q1导通时，压控电流源vccs对偏转板的等效电容c1进行充、
放电，获得具有快速前、后沿的斜坡扫描脉冲；
21.其中，所述超快斜坡扫描脉冲产生电路，包括：充电电路和放电电路；
22.所述充电电路包括：第一mosfet开关管q1与压控电流源vccs串联接地，第一mosfet开关管q1与压控电流源vccs组成的串联电路分别与第二mosfet开关管q2并联接地，与依次串联的电阻r1、电感l1、偏转板的等效电容c1组成的串联电路并联接地；
23.所述放电电路包括：第三mosfet开关管q3与恒流源串联接地，第三mosfet开关管q3与恒流源组成的串联电路分别与第二mosfet开关管q2并联接地，与依次串联的电阻r1、电感l1、偏转板的等效电容c1组成的串联电路并联接地。
24.进一步地，本发明实施例提供的一种条纹相机的超快斜坡扫描脉冲产生方法，还包括：
25.通过调节恒流源的充电电流大小，对具有快速前、后沿的斜坡扫描脉冲斜率进行调节。
26.进一步地，调节恒流源的充电电流大小的方式，包括以下方式中的任一种：
27.通过改变压控电流源vccs的电压，调节恒流源的充电电流大小；
28.通过改变压控电流源vccs的频率，调节恒流源的充电电流大小；
29.通过改变压控电流源vccs的占空比，调节恒流源的充电电流大小。
30.本发明实施例提供一种超快斜坡扫描脉冲产生电路及产生方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
31.本发明利用可控恒流源在开关管导通期间对偏转板的等效电容进行充、放电而得到具有快速前、后沿的斜坡脉冲，通过控制压控电流源的电压实现对恒流充电电流大小的控制，从而实现对斜坡脉冲斜率的实时调节。即本发明采用了一种基于mosfet全新设计，利用本发明产生的超快斜坡脉冲具有很高的线性度(线性区间可高达96％)，从而解决了传统电路脉冲延时大，电路及元器件耐压幅值要求高，且脉冲重复工作频率受限的问题，其结构紧凑，档位(斜坡脉冲斜率)可根据需求调整，从而不受体积限制等问题。
附图说明
32.图1为本发明实施例提供的普通扫描条纹相机成像原理示意图；
33.图2为本发明实施例提供的传统扫描高压脉冲发生及积分电路原理图；
34.图3为本发明实施例提供的传统斜坡电脉冲典型测试结果示意图；
35.图4a为本发明实施例提供的基于mosfet的超快斜坡扫描脉冲产生电路的充电电路原理图；
36.图4b为本发明实施例提供的基于mosfet的超快斜坡扫描脉冲产生电路的放电电路原理图；
37.图5为本发明实施例提供的超快斜坡扫描脉冲电路斜率调节原理图；
38.图6为本发明实施例提供的超快斜坡脉冲工作实施方案示意图；
39.图7a为本发明实施例提供的新型单次扫秒脉冲测试结果；
40.图7b为本发明实施例提供的新型扫秒脉冲宽度斜坡可调实验验证测试结果；
41.图7c为本发明实施例提供的新型可重复频率测试结果。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.针对目前条纹相机采用传统晶体管雪崩和阻容放电产生超快斜坡脉冲存在延时大，电路及元器件所需电压幅值高，斜坡脉冲重复频率工作难度大，档位模块受限的问题，本发明实施例提供一种超快斜坡扫描脉冲产生电路，包括：充电电路和放电电路。
44.充电电路包括：第一mosfet开关管q1与压控电流源vccs串联接地，第一mosfet开关管q1与压控电流源vccs组成的串联电路分别与第二mosfet开关管q2并联接地，与依次串联的电阻r1、电感l1、偏转板的等效电容c1组成的串联电路并联接地；
45.放电电路包括：第三mosfet开关管q3与恒流源串联接地，第三mosfet开关管q3与恒流源组成的串联电路分别与第二mosfet开关管q2并联接地，与依次串联的电阻r1、电感l1、偏转板的等效电容c1组成的串联电路并联接地。
46.电路结构简图如图4a所示。当开关管q1导通时，高压压控电流源对偏转板的等效电容c1进行充电，由电容特性i＝c
×
dv/dt可知，在恒流源作用下，电容两端电压线性上升。同理，如图4b所示，采用压控恒流源对负载电容进行放电，便可得到线性下降的脉冲波形。通过改变压控恒流源的电压便能实现对恒流源电流大小的调节，从而实现对斜坡脉冲斜率的控制。
47.需要说明的是，本发明并不对恒流源随压控电压的变化趋势进行限定，任何熟悉电子线路的人员都能通过改变压控端的电压从而实现对恒流源大小的改变，从而实现对扫描脉冲斜率的控制。特别地，通过改变频率、占空比、电压从而间接实现对恒流源充电电流大小的变化，也在本发明的保护范围内。
48.参见图5，通道1压控电流源端的输入电压波形，通道4为斜坡脉冲产生电路的输出脉冲。从图中可以看出，当压控电流源端电压线性增加(ch1)时，恒流源的电流大小也随之增大，所产生斜坡脉冲的斜率也增大，因而通过控制压控电流源的电压便可实现对斜坡脉冲斜率的控制，实现扫描速度的任意调节。基于同样的原理，通过控制压控电流源端电压的大小，亦可对偏转板的等效电容进行放电，从而可以实现对斜坡脉冲下降沿的调节。
49.具体实施方法：
50.本发明超快斜坡扫描脉冲作为扫描模块的核心，斜坡扫描脉冲工作实施方案如图6所示，本发明的超快斜坡扫描工作主要过程如下：
51.触发信号首先输入到预触发单元，相机延时时间通过外部同步机完成。
52.从预触发单元输出的信号在触发器中整形放大。此外，相机其它需要选通触发脉冲的电路，也可从此触发器上取信号。
53.经过整形的触发脉冲输入到脉冲展宽电路，作为高压脉冲发生器的输入信号。脉冲展宽电路的作用主要对输入的窄脉冲进行适当展宽，对脉冲宽度大于一定脉冲的脉冲，则无需脉冲展宽电路。
54.触发信号经过整形放大和展宽后送至扫描高压脉冲发生器中，扫描高压脉冲发生器采用mosfet作为开关，构成单边双极性输出的高压脉冲。
55.通过外部设定的扫速控制信号可以实现对斜坡脉冲斜率的实时调节。
56.本发明的电路动作过程如下：程序上电时，主控完成自检，确认无故障后，读取存储在内部存储器中的扫描速度信号并发送至扫描脉冲产生单元，扫描脉冲产生单元根据主控发送过来的电压、电流、频率或者占空比信号来调节恒流源充电电流的大小，从而完成对斜率的设置。在程序的运行过程中，也可以通过实施修改预设值来实现对斜率的调节。
57.图7a～7c为本发明的实例分析，从图中可以看出相对于传统marx电路，本发明提出的斜坡脉冲产生电路可以实现对斜率的任意调节，且线性度和重复频率远高于传统扫描脉冲产生电路。
58.同传统的marx电路相比，本发明由于采用恒流源对电容充电，在恒流源的作用下，寄生电感并不会积累能量，因而不会发生振荡，不需要复杂的阻抗匹配过程；另一方面，由于采用恒流源对电容充电的原理，斜坡脉冲的线性度得到大幅度提高，因而斜坡脉冲的电压幅值和触发延迟大为降低；同时采用功率mosfet作为开关器件，其重复频率较传统marx电路高。
59.综上所述：本发明的目的是提出一种新型条纹相机超快扫描斜坡脉冲的产生方法，该方法采用了一种基于mosfet全新设计，利用本发明方法产生的超快斜坡脉冲具有很高的线性度(线性区间可高达96％)；斜坡脉冲电压幅值降至工作电压幅值1.5倍以内，整个电路所需元器件耐压幅值大大降低；级联器件少，使得该斜坡脉冲可兼容单次及低重复频率工作的模式；通过调节压控电流源的电压便可实现对斜坡脉冲的斜率(档位)进行调节，从而实现扫描速度的任意调节，突破了传统相机扫描档位数量受限，且须预先设计确定的工程传统。由于该发明方法的优势，使得采用该发明斜坡脉冲扫描电路的条纹相机，在原基础上可兼容单次和低重复频率的工作模式，档位用户可自行设定，实现无级变速，且扫描模块具有更好的互换性，大大提高了整机的可靠性及适用性，使得条纹相机产品具有更好的市场竞争力。
60.需要说明的是，本发明技术可用于各种类型扫描相机，包括有x射线条纹相机、紫外线条纹相机、可见光条纹相机、红外条纹相机等任意扫描条纹相机的一种，因而具有很好的经济效益及社会意义。
61.以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。