尖峰信號檢測裝置設計報告

1. 試述光柵測量裝置的組成及工作原理

1．光柵測量裝置的組成：
德國HEIDENHAIN公司生產的長光柵測量裝置基本結構主要包括三大部分：光柵尺（定尺）、掃描頭、滑動頭入EXE＊＊＊（＊＊＊表示型號代碼）。
光柵尺：一般固定在數控機床的導軌旁邊或床身上，光柵尺里的主光柵一般每隔5cm、5cm、10cm都有一個零標記，定尺上面安裝了兩個密封塑料條，以防止掃描頭滑動時臟污物進人。
掃描頭：一般固定在工作台或活動部件上，跟隨一起移動。其組成包括指示光柵、光源、透鏡、光電元件。放大電路，其中光源一般選用燈絲燈泡或發光二極體，光電元件選用硅光電池，一般為三組，六個硅光電池。
EXE＊＊＊：主要是把掃描頭輸出的信號通過放大、脈沖整形、倍頻等處理，輸出脈沖序列信號。
2．光柵測量裝置工作原理：
光柵尺與掃描頭之間的相對運動，也就是把數控機床的位置變化，通過光柵測量裝置內的兩組光電池變成相位差900的電信號，其中每組由兩個相差1800的光電池接成推挽形式。另外一組光電池也接成推挽形式直接感測零標志信號，它們輸出的電信號分別為人；人人。
掃描頭（滑動頭）輸出的信號經 EXE＊＊＊處理後變成脈沖方波Ual、UaZ、Uao，另外還有一個由自身產生的報警信號Us，此信號在光柵污染、輸人電纜線斷或燈泡損壞等原因造成通道放大器輸出信號為零，驅動電路由低電平變成高電平輸出時產生。最後這7個信號輸到測量板或位置控制板進行處理，其中Ual、UaZ相位差900。

2. 一個尖峰脈沖信號給電容充電怎麼用示波器測量一下電容的充電時間

最好使用雙蹤示波器，這也是目前用的比較多的主流示波器，將示波器的一個檢測探頭搭接在電容器的正極，探頭的接地接在電容器的負極，估計尖峰脈沖的峰值選擇輸入衰減開關的值；而另一個探頭搭接尖峰脈沖的發生器輸出，調整輸入衰減開關及時基掃描開關，觸發顯示穩定；將尖峰脈沖接通電容器，即可在屏幕上觀察到尖峰脈沖對電容器的充放電過程。用方波、正弦波、三角波及其他一些波形的信號對電容器的充放電都可示波器上觀察到，作為實驗教學，脈沖信號的頻率可以降低，充放電的時間可以適當延長，這樣觀察到的結果就會效果更好。

3. 在fpga頻率計設計的過程中一般會出現的問題及解決方法

摘要 清除和置位信號

4. 求半導體激光特性試驗報告

為了推動微波功率合成技術的發展，需要開展多路同步輸出的脈沖功率源開關關鍵技術研究，以實現電子束精確同步(同步抖動≤10 ns)，源輸出波形一致性好，滿足負載工作要求。在氣體開關的各種觸發方式中，激光觸發開關是減少開關延遲時間和時間抖動的一種比較理想的開關。氣體介質的激光開關，時延可達到1 ns～2 ns，其時間抖動可達到亞納秒量級[1]。因此，單路脈沖功率源主開關採用吹氣式激光觸發氣體火花開關，要求其開關抖動≤5 ns，重復頻率為50 Hz。
在兩路脈沖功率源的同步輸出實驗中，觸發控制系統是保證源正確有效合成的關鍵。控制系統一方面產生兩台源正常運行的工作時序，同時通過同步考慮的設計，控制激光觸發開關產生觸發信號，達到一定的功率合成效率。由於功率MOSFET具有單極型、電壓驅動、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好及所需驅動功率小而且驅動電路簡單的特點，所以採用MOSFET來設計激光觸發器的外觸發控制系統。
1 系統結構及工作原理
圖1為激光觸發脈沖功率源同步控制系統結構框圖，單台源均採用德國InnoLas公司的SpitLight 1200激光器，將觸發信號分成多路，分別控制單元開關導通。激光觸發系統工作原理為：兩路脈沖功率源的儲能單元充電到設定值，控制系統根據目標位置設定兩台源的觸發時間間隔，分別發指令到兩台源的激光觸發系統，觸發系統產生激光注入主開關，控制兩組主開關各自擊穿，初級能源系統儲存的電能通過開關向負載饋送。

激光器對外觸發系統的設計參數要求如下：
(1)產生閃燈觸發信號。脈沖幅值5 V～15 V，脈寬
≥100 μs，工作頻率50 Hz，負載50 Ω；
(2)產生普克爾盒觸發信號。脈沖幅值5 V～15 V，脈寬≥100 ?滋s，脈沖上升沿≤5 ns，負載50 Ω，工作頻率50/N(N=1，2，…，50)。該信號與閃燈信號之間延時可調；
(3)外觸發電路、激光器和脈沖功率源之間採取隔離和屏蔽等抗干擾保護措施，確保觸發系統在功率源高壓大電流強輻射的惡劣環境中正常工作。
2 理論設計與分析
激光器外觸發系統由控制信號產生和控制信號觸發2部分組成，二者之間通過普通多模光纖(工作波長為820 nm)進行連接。其中，控制系統工作參數設置(如工作頻率和工作次數等)、控制信號產生、輸出信號隔離及轉換(電/光)等功能在控制信號產生單元內實現，它位於操作者所在的工作區；放置於脈沖功率源激光器側的是控制信號觸發單元，完成通過光纖傳輸而來的輸入信號轉換(光/電)、放大、快上升沿信號形成以及隔離觸發輸出等功能。
2.1 控制信號產生單元設計
控制信號產生單元分為2部分：
(1)脈沖觸發信號發生器。用於產生控制功率MOSFET器件、功率晶體管工作的脈沖觸發信號，具有輸出脈沖的個數、脈寬及頻率可調的能力，輸出為TTL電平。採用工業PC，內置NI定時/計數卡PCI-6602，利用LabVIEW開發系統編制計算機人機界面，設置工作參數，編程產生激光器外觸發工作所需的控制信號。其中PCI-6602提供8路32 bit源頻率80 MHz的定時/計數通道，輸出脈沖信號上升沿實驗測試在10 ns左右；
(2)光纖隔離電路。用於隔離TTL電平的觸發信號和功率MOSFET的輸出電壓，具有響應快、不失真的特點。光纖發送器件選用HFBR-1414，其帶寬可達5 MHz，滿足脈寬為數百?滋s的觸發脈沖信號傳輸要求。
2.2 控制信號觸發單元設計
控制信號產生單元分為4部分：
(1)光/電轉換電路。採用HFBR-2412光纖接收器件，將通過多模光纖傳輸至控制信號觸發單元的光信號轉換為TTL電信號。
(2)功率MOSFET驅動/功率晶體管驅動電路，前者用於將低電平的TTL信號提升到可以用來驅動功率MOSFET器件的電平，以產生脈沖上升沿≤5 ns的激光器普克爾盒觸發信號。後者用來產生閃燈觸發信號。
(3)功率MOSFET器件。MOSFET（金屬氧化物半導體場效應管)是一種電壓控制型的器件，由於MOSFET是正溫度系數，所以可避免溫度持續上升而使器件損壞。同時由於它的導通電阻在理論上沒有上限值，因此導通時的能量損失可以非常小。其優點是：具有非常快的導通和關斷能力(ns量級)；非常低的觸發能量；能工作在高重復頻率下(MHz量級)；使用壽命長(平均109次)；高效率、脈寬可以調節(輸出由輸入觸發信號決定)。經選擇採用IR公司的功率MOSFET器件——IRLML2803，它的漏源極擊穿電壓VDSS為30 V，直流電流ID為1.2 A，脈沖下最大輸出電流為7.3 A，導通延時時間Td(on)為3.9 ns，關斷時間Toff為9 ns。
(4)電源部分。採用鋰電池組提供給光纖隔離電路和功率MOSFET驅動電路所使用的低壓電源。它配裝有專用保護板，具有過充、過放、過壓、欠壓、過流短路及反接保護功能，進一步保證電池組控制部分的安全工作。這樣有效地消除了觸發單元與前級控制信號產生單元及後級功率源高壓工作迴路因電源共地而可能產生的高壓擊穿等危險因素。
如圖2所示，變換後的TTL電平經整形、功率MOSFET/功率晶體管驅動、脈沖變壓器隔離輸出至激光器。為了保證觸發單元的正常工作，在其輸出至激光器之前需加入高耐壓(5 kV)脈沖變壓器進行電氣隔離。

2.3 功率MOSFET器件及其驅動電路選擇
圖3為功率MOSFET器件的工作原理電路示意圖。圖3(a)中，RG和CGS是影響MOSFET導通延時的主要參數；漏柵極電容CGD是造成開關動作過程中柵極電壓受干擾的主要參數；漏源極電容CDS是影響關斷時間的主要參數。MOSFET器件轉換過程有2個：導通轉換和關斷轉換。導通轉換過程的漏源電壓VDS、漏極電流iD、柵源電壓VGS和與柵極電流iG隨時間t的變化關系如圖3(b)所示。導通轉換過程分成4個階段，各個階段分別是：

(1)t0～t1階段：柵極驅動電流iG對CDS和CGS充電，使CGS上的電壓從0上升到MOSFET導通閾值VGS(th)。
(2)t1～t2階段：柵源電壓VGS繼續以指數規律上升，超過MOSFET導通闡值VGS(th)達到Va，在VGS超過VGS(th)後，漏極電流開始增長，並達到最終的輸出電流Io。在這一過程中，由於電壓與電流重疊，MOSFET功耗最大。
(3)t2～t3階段：從t2時刻開始，MOSFET漏源電壓VDS開始下降，引起從漏極到柵極的密勒電容效應，使得VGS不能上升而出現平台，在t3時刻漏源電壓下降到最小值。
(4)t3～t4階段：在這一區間柵源電壓VGS從平台上升到最後的驅動電壓。上升的柵壓使漏源電阻RDS(on)減小，t4以後MOSFET進入導通狀態。
MOSFET器件的截止轉換過程與上面的過程相反。由上面的分析可知對柵極驅動電路的要求主要有：
(1)驅動信號的脈沖前、後沿都要陡峭。
(2)對功率MOSFET柵極的充放電迴路時間常數要小，以提高功率MOSFET器件的開關速度。
(3)驅動電流為柵極電容的充放電電流，驅動電流要大，才能使開關波形的上升沿和下降沿更快。
選用MOSFET器件IRLML2803，查其特性曲線圖可得：在VDS=15 V、VGS=12 V時，總柵極電荷QG≈3.7 nC，則柵極電容C=QG/VGS=3.7 nC/12 V≈0.3 nF=300 pF。
MOSFET導通和截止的速度與MOSFET柵極電容的充電和放電速度有關。MOSFET柵極電容、導通和截止時間與MOSFET驅動器的驅動電流的關系可以表示為：
dT=(dV×C)/I
式中，dT是導通/截止時間，dV是柵極電壓，C是柵極電容(從柵極電荷值)，I是峰值驅動電流(對於給定電壓值)。
IRLML2803導通/截止時間是4 ns，則I=QG/dT=3.7 nC/4 ns≈0.9 A。即由以上公式得出的峰值驅動電流為0.9 A，同時還需要考慮在MOSFET驅動器和功率MOSFET柵極之間使用的外部電阻，這會減小驅動柵極電容的峰值充電電流，所以選擇峰值輸出電流大於0.9 A的驅動器。系統中採用的是4.5 A高峰值輸出電流的同相驅動器TC4424A，經實驗驗證滿足快上升沿信號輸出要求。
3 測試結果與分析
3.1 觸發信號光纖傳輸轉換測試
激光器外觸發系統採用光纖傳輸和收發技術，由於其本身是由絕緣材料製成，所以具有很好的高電壓隔離能力，同時還具有很強的抗干擾能力，多路光纖信號傳輸的同步性也非常好，滿足對信號高壓隔離和同步性的要求。
圖4為激光器外觸發單元產生的信號波形圖。圖4(a)、圖4(b)中通道2均顯示的是工作頻率50Hz的激光器閃燈觸發信號（前者是輸出個數為50的脈沖序列，後者是單個輸出脈沖），它在控制信號產生單元內由PC機編程產生，經脈沖變壓器隔離、電/光轉換、光纖傳輸處理輸入至觸發單元，再經過光/電轉換、功率晶體管驅動放大，由高耐壓脈沖變壓器隔離輸出至激光器，其上升時間Tr在200 ns以內，主要是由脈沖變壓器的輸出上升時間確定。

圖4(a)、圖4(b)中通道1均為激光器普克爾盒觸發信號(顯示方式同通道2)，工作頻率50 Hz（50/N，N=1)，在控制信號產生單元內信號生成方式同閃燈觸發信號，不同的是在觸發單元內經過功率MOSFET及高速MOSFET驅動器成形等處理，最終生成實測上升沿小於5 ns的脈沖信號。
實驗中測得激光器閃燈觸發信號、普克爾盒觸發信號脈寬均為160 μs，後者較前者滯後約250 μs，兩者均可調，並且普克爾盒觸發信號的輸出頻率也可調，滿足激光器的使用要求。
3.2 激光器外觸發工作對功率源的影響
低抖動高功率重復頻率主開關系統是功率源同步控制系統的研製核心和難點。為了實現脈沖功率源同步系統的低抖動工作，首先對系統工作過程中的抖動來源進行分析。同步系統的工作流程如下：激光器外觸發系統產生一個快上升沿的信號送到激光器，激光器產生脈沖激光注入激光開關，激光開關閉合，形成線通過感應疊加模塊對二極體放電，產生電子束。在這個過程中，可能產生以下的抖動：
(1)激光器外觸發系統電路抖動J1。抖動來源於傳輸線路及轉換線路中的晶元延時不同和晶元本身的抖動，該抖動經實測小於2 ns；
(2)激光器抖動J2。抖動來源於激光器的工作過程，在快前沿信號(tr≤5 ns)觸發下激光器抖動小於3 ns。
(3)激光開關抖動J3。抖動來源於激光觸發產生等離子體放電的物理過程，設計指標為小於5 ns。
圖5為脈沖功率源中4路感應疊加模塊合成負載波形，重復頻率25 Hz，負載為平面二極體，圖中為25個波形的重疊（通道1為二極體電流信號波形，通道2為二極體電壓信號波形）。由此證明：採用激光器外觸發系統，負載輸出波形的一致性較好，重復頻率25 Hz工作時開關抖動低，滿足設計要求。

3.3 抗干擾考慮
激光器外觸發單元是同步運行中的控制環節，是裝置能否正常工作的關鍵。對觸發電路的要求是脈沖前沿陡且有足夠的幅值與脈寬，穩定性與抗干擾性能好等。而高壓發生裝置容易產生各種瞬時尖峰信號，即所謂「毛刺」，當其幅值和能量達到一定程度時，極易導致系統不能正常運行。在前期的同步運行試驗調試過程中，由於受實驗場地條件的限制，激光器電源與脈沖功率源的初級充電電源共地，在功率源運行時，導致激光器外觸發系統輸出至激光器普克爾盒的觸發信號相對於設定時刻提前產生一個尖峰干擾脈沖，從而無法保證同步運行試驗的正常進行。對此採取增加電源濾波器、高頻電容等方式，以消除電源引入的干擾影響，結果有所改善。下一步工作則是將激光器與其外觸發系統共用同一電源，與脈沖功率源的電源徹底分開，保證同步系統的安全工作。
實驗結果表明：採用功率MOSFET及其高速驅動器等措施有效，利用光纖收發器件轉換傳輸、高耐壓脈沖變壓器隔離可行。影響脈沖功率源開關同步輸出轉換效率的是激光器外觸發迴路的性能。功率MOSFET開關通斷狀態可以通過觸發脈沖控制，選用高峰值輸出電路的MOSFET驅動器，可以將輸出脈沖信號上升沿控制在5 ns以下。採用激光器外觸發系統，單台脈沖功率源重頻開關實現參數：工作電壓150 kV，電流30 kA、抖動
≤5 ns、重復頻率25 Hz。為進一步開展兩台或多台脈沖功率源穩定、可靠地精確同步輸出奠定一定的技術基礎。
另外，觸發控制電路印製電路板中，控制電路極易受到功率迴路的干擾，應使MOSFET驅動器和MOSFET的走線長度盡可能短，以此限制電感引起的振盪效應。驅動器輸出和MOSFET柵極間的電感，也會影響MOSFET驅動器在瞬態條件下將MOSFET柵極維持在低電平的能力。激光觸發實驗中存在的問題，如減小波形前沿、增強抗干擾能力等還需要繼續深入研究。
參考文獻
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5. 如何處理FPGA設計中毛刺現象

1、先了解下建立和保持時間。

建立時間（setup time）是指在觸發器的時鍾信號上升沿到來以前，數據穩定不變的時間，如果建立時間不夠，數據將不能在這個時鍾上升沿被打入觸發器。

保持時間（hold time）是指在觸發器的時鍾信號上升沿到來以後，數據穩定不變的時間，如果保持時間不夠，數據同樣不能被打入觸發器。

數據穩定傳輸必須滿足建立和保持時間的要求，當然在一些情況下，建立時間和保持時間的值可以為零。 PLD/FPGA開發軟體可以自動計算兩個相關輸入的建立和保持時間。

2、FPGA中的冒險現象

(1)信號在FPGA器件內部通過連線和邏輯單元時，都有一定的延時。延時的大小與連線的長短和邏輯單元的數目有關，同時還受器件的製造工藝、工作電壓、溫度等條件的影響。(2)另外，信號的高低電平轉換也需要一定的過渡時間。由於存在這兩方面因素，多路信號的電平值發生變化時，在信號變化的瞬間，組合邏輯的輸出有先後順序，並不是同時變化,往往會出現一些不正確的尖峰信號，這些尖峰信號稱為"毛刺"。如果一個組合邏輯電路中有"毛刺"出現，就說明該電路存在"冒險"。

我們在使用分立元件設計數字系統時，由於PCB走線時，存在分布電感和電容，所以幾納秒的毛刺將被自然濾除，而在PLD內部決無分布電感和電容，所以在PLD/FPGA設計中，這些毛刺將被完整的保留並向下一級傳遞，因此毛刺現象在PLD、FPGA設計中尤為突出。下圖，給出了一個邏輯冒險的例子.

從上面的模擬波形圖可以看出，"A、B、C、D"四個輸入信號經過布線延時以後，高低電平變換不是同時發生的，這導致輸出信號"OUT"出現了毛刺。

這里，我們無法保證所有連線的長度一致，所以即使四個輸入信號在輸入端同時變化，但經過PLD內部的走線，到達或門的時間也是不一樣的，毛刺必然產生。可以概括的講，只要輸入信號同時變化，（經過內部走線）組合邏輯必將產生毛刺。如果將它們的輸出直接連接到時鍾輸入端、清零或置位埠的話，可能會導致嚴重的後果。所以我們必須檢查設計中所有時鍾、清零和置位等對毛刺敏感的輸入埠，確保輸入不會含有任何毛刺。

冒險往往會影響到邏輯電路的穩定性。時鍾埠、清零和置位埠對毛刺信號十分敏感，任何一點毛刺都可能會使系統出錯，因此判斷邏輯電路中是否存在冒險以及如何避免冒險是設計人員必須要考慮的問題。

6. 用FPGA實現IIR低通濾波器時，濾波後信號會出現尖峰

你知道巴特沃斯低通濾波器的原理嗎，對於五階以上的巴特沃斯低通濾波器要分析其極點分布圖的，根據原理可以知道隨著濾波器階數n的提高，極點分布向遠離虛軸和靠近虛軸的兩個方向變化，對應的阻尼比分別趨近於1和0。阻尼比越小，則超調量越大，過渡帶時間越長，震盪加劇。阻尼比越大，則系統的上升時間越長。靠近虛軸的兩個極點稱為主導極點。5階及5階以上的高階巴特沃斯低通濾波器離虛軸已經很近了，這樣的震盪已經非常大了，你的那種情況可能是你設計的巴特沃斯低通濾波器極點分布比傳統的極點分布還要差，因此造成了在三階的時候就出現了5階以上的情況，但是也有可能是其它的情況引起的，我只能從原理上分析了，如真是原理上出問題了解決方法主要是對巴特沃斯低通濾波器的極點進行重新分布。

7. 場效應管 尖峰吸收迴路設計問題

1. 功率是 1/2(Lleak*Ipeak^2*(Vsnub/(Vsnub-N*Vout))) *F（Hz）。
2. 鉗位電壓一般選擇為反射電壓的1.4倍左右

選取電阻和電容時，應先估算幾個參量，匝比，初級峰值電流，鉗位電壓，另外有些參數不可忽略如次級整流管壓降，變壓器二次側漏感（尤其匝比比較大的時候）。有了這些參數之後，基本可以計算電阻了，P=V^2/R即可，選擇一個紋波電壓值Vr，如選為鉗位電壓的10%，C=I*T/Vr即可。
初步選定後，整機再做調整，即可得到合適的參數。離線式的反激電源，100K左右的頻率，最終的參數一般電阻為幾十千歐，電容為幾納法，否則計算的一定不合理或設計的不合理。

8. 什麼是高速信號完整性設計和分析

我們在用示波器測量PCB板上信號時，經常會在信號的波形上發現一些奇怪的現象：比如信號跳變後會產生很大的尖峰毛刺，可能尖峰後面還會有上下起伏波動。有時候信號的邊沿會出現一個平台，有點像人的肩膀。還有時你可能會遇到信號的邊沿不是平滑上升的，會出現一個回溝，上升到中途突然跌落下來然後再繼續上升。回想一下，你是否遇到過類似情況？這些現象就是信號完整性問題的典型表現。
信號完整性一詞沒有一個唯一的規范定義，通常是指高速PCB中由於信號、互連結構、電源系統等因素相互作用，最終使信號產生扭曲畸變的一種現象。這時可以說信號在傳輸過程中被破壞了，變得不完整。
關於信號完整性，於博士是這方面的專家。你可以到網上查詢一下於博士的網站，裡面有很多解釋以及學習的內容，也可關注一下於博士信號完整性的微信公眾號（SIG007），視頻內容都有，可以去學習一下。

9. 怎樣檢測無刷電機控制器的信號輸出

顧名思義，無刷電機控制器是能夠控制電動機的啟動、運行、進退、速度等功能的核心控制器裝置，而與有刷電機的控制器區別就在於無刷電機用電子換向器代替了有刷電機的機械換向器，所以如果無刷電機控制器出現故障，維修起來要復雜得多；那麼根據信號輸出該如何檢測呢？下面為大家介紹：

1、堵轉檢測：在電機堵轉超過規定時間時，無刷電機控制器應停止對電機輸出電流，並發出報警信號。

2、霍爾故障檢測：當電機的位置感測器輸出異常信號時，無刷電機控制器應停止對電機輸出電流，並發出報警信號。

3、加速器信號異常檢測：當無刷電機控制器檢測到加速踏板在上電時的信號異常時禁止對電機輸出，並發出報警信號。

4、過壓/欠壓檢測：當無刷電機控制器的輸入電壓超過其最大輸入電壓時自動發出報警信號；而當無刷電機控制器的輸入電壓低於其最小輸入電壓時自動報警信號。

5、過溫/過流檢測：當無刷電機控制器在超過規定溫度時自動停止運行，並在溫度降低到允許值時才可以繼續運行；而當無刷電機控制器的母線或相線電流超過允許值時應能自動斷電保護並發出報警信號。

6、剎車斷電/復位：當無刷電機控制器檢測到剎車信號輸入時停止對電機輸出；而當無刷電機控制器發生過溫、過壓、欠壓、堵轉、霍爾故障、加速器信號異常等故障後，檢測到故障消失且有剎車信號輸入後即可復位。

以上就是無刷電機控制器的信號輸出檢測介紹了，無刷電機控制器具有可進行簡單的變速控制，設置比較簡單電機起動和停止等功能，且具有換向PLC，可有效抑制PWM尖峰雜訊信號等等。
http://www.point-tech.cn/

10. 如何將負的脈沖尖峰信號轉變為單片機識別的正脈沖信號（單片機採集脈沖，用於采速）

隔離型器件都可以，比如變壓器，光耦，一個器件搞定