尖峰信号检测装置设计报告

1. 试述光栅测量装置的组成及工作原理

1．光栅测量装置的组成：
德国HEIDENHAIN公司生产的长光栅测量装置基本结构主要包括三大部分：光栅尺（定尺）、扫描头、滑动头入EXE＊＊＊（＊＊＊表示型号代码）。
光栅尺：一般固定在数控机床的导轨旁边或床身上，光栅尺里的主光栅一般每隔5cm、5cm、10cm都有一个零标记，定尺上面安装了两个密封塑料条，以防止扫描头滑动时脏污物进人。
扫描头：一般固定在工作台或活动部件上，跟随一起移动。其组成包括指示光栅、光源、透镜、光电元件。放大电路，其中光源一般选用灯丝灯泡或发光二极管，光电元件选用硅光电池，一般为三组，六个硅光电池。
EXE＊＊＊：主要是把扫描头输出的信号通过放大、脉冲整形、倍频等处理，输出脉冲序列信号。
2．光栅测量装置工作原理：
光栅尺与扫描头之间的相对运动，也就是把数控机床的位置变化，通过光栅测量装置内的两组光电池变成相位差900的电信号，其中每组由两个相差1800的光电池接成推挽形式。另外一组光电池也接成推挽形式直接感测零标志信号，它们输出的电信号分别为人；人人。
扫描头（滑动头）输出的信号经 EXE＊＊＊处理后变成脉冲方波Ual、UaZ、Uao，另外还有一个由自身产生的报警信号Us，此信号在光栅污染、输人电缆线断或灯泡损坏等原因造成通道放大器输出信号为零，驱动电路由低电平变成高电平输出时产生。最后这7个信号输到测量板或位置控制板进行处理，其中Ual、UaZ相位差900。

2. 一个尖峰脉冲信号给电容充电怎么用示波器测量一下电容的充电时间

最好使用双踪示波器，这也是目前用的比较多的主流示波器，将示波器的一个检测探头搭接在电容器的正极，探头的接地接在电容器的负极，估计尖峰脉冲的峰值选择输入衰减开关的值；而另一个探头搭接尖峰脉冲的发生器输出，调整输入衰减开关及时基扫描开关，触发显示稳定；将尖峰脉冲接通电容器，即可在屏幕上观察到尖峰脉冲对电容器的充放电过程。用方波、正弦波、三角波及其他一些波形的信号对电容器的充放电都可示波器上观察到，作为实验教学，脉冲信号的频率可以降低，充放电的时间可以适当延长，这样观察到的结果就会效果更好。

3. 在fpga频率计设计的过程中一般会出现的问题及解决方法

摘要 清除和置位信号

4. 求半导体激光特性试验报告

为了推动微波功率合成技术的发展，需要开展多路同步输出的脉冲功率源开关关键技术研究，以实现电子束精确同步(同步抖动≤10 ns)，源输出波形一致性好，满足负载工作要求。在气体开关的各种触发方式中，激光触发开关是减少开关延迟时间和时间抖动的一种比较理想的开关。气体介质的激光开关，时延可达到1 ns～2 ns，其时间抖动可达到亚纳秒量级[1]。因此，单路脉冲功率源主开关采用吹气式激光触发气体火花开关，要求其开关抖动≤5 ns，重复频率为50 Hz。
在两路脉冲功率源的同步输出实验中，触发控制系统是保证源正确有效合成的关键。控制系统一方面产生两台源正常运行的工作时序，同时通过同步考虑的设计，控制激光触发开关产生触发信号，达到一定的功率合成效率。由于功率MOSFET具有单极型、电压驱动、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好及所需驱动功率小而且驱动电路简单的特点，所以采用MOSFET来设计激光触发器的外触发控制系统。
1 系统结构及工作原理
图1为激光触发脉冲功率源同步控制系统结构框图，单台源均采用德国InnoLas公司的SpitLight 1200激光器，将触发信号分成多路，分别控制单元开关导通。激光触发系统工作原理为：两路脉冲功率源的储能单元充电到设定值，控制系统根据目标位置设定两台源的触发时间间隔，分别发指令到两台源的激光触发系统，触发系统产生激光注入主开关，控制两组主开关各自击穿，初级能源系统储存的电能通过开关向负载馈送。

激光器对外触发系统的设计参数要求如下：
(1)产生闪灯触发信号。脉冲幅值5 V～15 V，脉宽
≥100 μs，工作频率50 Hz，负载50 Ω；
(2)产生普克尔盒触发信号。脉冲幅值5 V～15 V，脉宽≥100 ?滋s，脉冲上升沿≤5 ns，负载50 Ω，工作频率50/N(N=1，2，…，50)。该信号与闪灯信号之间延时可调；
(3)外触发电路、激光器和脉冲功率源之间采取隔离和屏蔽等抗干扰保护措施，确保触发系统在功率源高压大电流强辐射的恶劣环境中正常工作。
2 理论设计与分析
激光器外触发系统由控制信号产生和控制信号触发2部分组成，二者之间通过普通多模光纤(工作波长为820 nm)进行连接。其中，控制系统工作参数设置(如工作频率和工作次数等)、控制信号产生、输出信号隔离及转换(电/光)等功能在控制信号产生单元内实现，它位于操作者所在的工作区；放置于脉冲功率源激光器侧的是控制信号触发单元，完成通过光纤传输而来的输入信号转换(光/电)、放大、快上升沿信号形成以及隔离触发输出等功能。
2.1 控制信号产生单元设计
控制信号产生单元分为2部分：
(1)脉冲触发信号发生器。用于产生控制功率MOSFET器件、功率晶体管工作的脉冲触发信号，具有输出脉冲的个数、脉宽及频率可调的能力，输出为TTL电平。采用工业PC，内置NI定时/计数卡PCI-6602，利用LabVIEW开发系统编制计算机人机界面，设置工作参数，编程产生激光器外触发工作所需的控制信号。其中PCI-6602提供8路32 bit源频率80 MHz的定时/计数通道，输出脉冲信号上升沿实验测试在10 ns左右；
(2)光纤隔离电路。用于隔离TTL电平的触发信号和功率MOSFET的输出电压，具有响应快、不失真的特点。光纤发送器件选用HFBR-1414，其带宽可达5 MHz，满足脉宽为数百?滋s的触发脉冲信号传输要求。
2.2 控制信号触发单元设计
控制信号产生单元分为4部分：
(1)光/电转换电路。采用HFBR-2412光纤接收器件，将通过多模光纤传输至控制信号触发单元的光信号转换为TTL电信号。
(2)功率MOSFET驱动/功率晶体管驱动电路，前者用于将低电平的TTL信号提升到可以用来驱动功率MOSFET器件的电平，以产生脉冲上升沿≤5 ns的激光器普克尔盒触发信号。后者用来产生闪灯触发信号。
(3)功率MOSFET器件。MOSFET（金属氧化物半导体场效应管)是一种电压控制型的器件，由于MOSFET是正温度系数，所以可避免温度持续上升而使器件损坏。同时由于它的导通电阻在理论上没有上限值，因此导通时的能量损失可以非常小。其优点是：具有非常快的导通和关断能力(ns量级)；非常低的触发能量；能工作在高重复频率下(MHz量级)；使用寿命长(平均109次)；高效率、脉宽可以调节(输出由输入触发信号决定)。经选择采用IR公司的功率MOSFET器件——IRLML2803，它的漏源极击穿电压VDSS为30 V，直流电流ID为1.2 A，脉冲下最大输出电流为7.3 A，导通延时时间Td(on)为3.9 ns，关断时间Toff为9 ns。
(4)电源部分。采用锂电池组提供给光纤隔离电路和功率MOSFET驱动电路所使用的低压电源。它配装有专用保护板，具有过充、过放、过压、欠压、过流短路及反接保护功能，进一步保证电池组控制部分的安全工作。这样有效地消除了触发单元与前级控制信号产生单元及后级功率源高压工作回路因电源共地而可能产生的高压击穿等危险因素。
如图2所示，变换后的TTL电平经整形、功率MOSFET/功率晶体管驱动、脉冲变压器隔离输出至激光器。为了保证触发单元的正常工作，在其输出至激光器之前需加入高耐压(5 kV)脉冲变压器进行电气隔离。

2.3 功率MOSFET器件及其驱动电路选择
图3为功率MOSFET器件的工作原理电路示意图。图3(a)中，RG和CGS是影响MOSFET导通延时的主要参数；漏栅极电容CGD是造成开关动作过程中栅极电压受干扰的主要参数；漏源极电容CDS是影响关断时间的主要参数。MOSFET器件转换过程有2个：导通转换和关断转换。导通转换过程的漏源电压VDS、漏极电流iD、栅源电压VGS和与栅极电流iG随时间t的变化关系如图3(b)所示。导通转换过程分成4个阶段，各个阶段分别是：

(1)t0～t1阶段：栅极驱动电流iG对CDS和CGS充电，使CGS上的电压从0上升到MOSFET导通阈值VGS(th)。
(2)t1～t2阶段：栅源电压VGS继续以指数规律上升，超过MOSFET导通阐值VGS(th)达到Va，在VGS超过VGS(th)后，漏极电流开始增长，并达到最终的输出电流Io。在这一过程中，由于电压与电流重叠，MOSFET功耗最大。
(3)t2～t3阶段：从t2时刻开始，MOSFET漏源电压VDS开始下降，引起从漏极到栅极的密勒电容效应，使得VGS不能上升而出现平台，在t3时刻漏源电压下降到最小值。
(4)t3～t4阶段：在这一区间栅源电压VGS从平台上升到最后的驱动电压。上升的栅压使漏源电阻RDS(on)减小，t4以后MOSFET进入导通状态。
MOSFET器件的截止转换过程与上面的过程相反。由上面的分析可知对栅极驱动电路的要求主要有：
(1)驱动信号的脉冲前、后沿都要陡峭。
(2)对功率MOSFET栅极的充放电回路时间常数要小，以提高功率MOSFET器件的开关速度。
(3)驱动电流为栅极电容的充放电电流，驱动电流要大，才能使开关波形的上升沿和下降沿更快。
选用MOSFET器件IRLML2803，查其特性曲线图可得：在VDS=15 V、VGS=12 V时，总栅极电荷QG≈3.7 nC，则栅极电容C=QG/VGS=3.7 nC/12 V≈0.3 nF=300 pF。
MOSFET导通和截止的速度与MOSFET栅极电容的充电和放电速度有关。MOSFET栅极电容、导通和截止时间与MOSFET驱动器的驱动电流的关系可以表示为：
dT=(dV×C)/I
式中，dT是导通/截止时间，dV是栅极电压，C是栅极电容(从栅极电荷值)，I是峰值驱动电流(对于给定电压值)。
IRLML2803导通/截止时间是4 ns，则I=QG/dT=3.7 nC/4 ns≈0.9 A。即由以上公式得出的峰值驱动电流为0.9 A，同时还需要考虑在MOSFET驱动器和功率MOSFET栅极之间使用的外部电阻，这会减小驱动栅极电容的峰值充电电流，所以选择峰值输出电流大于0.9 A的驱动器。系统中采用的是4.5 A高峰值输出电流的同相驱动器TC4424A，经实验验证满足快上升沿信号输出要求。
3 测试结果与分析
3.1 触发信号光纤传输转换测试
激光器外触发系统采用光纤传输和收发技术，由于其本身是由绝缘材料制成，所以具有很好的高电压隔离能力，同时还具有很强的抗干扰能力，多路光纤信号传输的同步性也非常好，满足对信号高压隔离和同步性的要求。
图4为激光器外触发单元产生的信号波形图。图4(a)、图4(b)中通道2均显示的是工作频率50Hz的激光器闪灯触发信号（前者是输出个数为50的脉冲序列，后者是单个输出脉冲），它在控制信号产生单元内由PC机编程产生，经脉冲变压器隔离、电/光转换、光纤传输处理输入至触发单元，再经过光/电转换、功率晶体管驱动放大，由高耐压脉冲变压器隔离输出至激光器，其上升时间Tr在200 ns以内，主要是由脉冲变压器的输出上升时间确定。

图4(a)、图4(b)中通道1均为激光器普克尔盒触发信号(显示方式同通道2)，工作频率50 Hz（50/N，N=1)，在控制信号产生单元内信号生成方式同闪灯触发信号，不同的是在触发单元内经过功率MOSFET及高速MOSFET驱动器成形等处理，最终生成实测上升沿小于5 ns的脉冲信号。
实验中测得激光器闪灯触发信号、普克尔盒触发信号脉宽均为160 μs，后者较前者滞后约250 μs，两者均可调，并且普克尔盒触发信号的输出频率也可调，满足激光器的使用要求。
3.2 激光器外触发工作对功率源的影响
低抖动高功率重复频率主开关系统是功率源同步控制系统的研制核心和难点。为了实现脉冲功率源同步系统的低抖动工作，首先对系统工作过程中的抖动来源进行分析。同步系统的工作流程如下：激光器外触发系统产生一个快上升沿的信号送到激光器，激光器产生脉冲激光注入激光开关，激光开关闭合，形成线通过感应叠加模块对二极管放电，产生电子束。在这个过程中，可能产生以下的抖动：
(1)激光器外触发系统电路抖动J1。抖动来源于传输线路及转换线路中的芯片延时不同和芯片本身的抖动，该抖动经实测小于2 ns；
(2)激光器抖动J2。抖动来源于激光器的工作过程，在快前沿信号(tr≤5 ns)触发下激光器抖动小于3 ns。
(3)激光开关抖动J3。抖动来源于激光触发产生等离子体放电的物理过程，设计指标为小于5 ns。
图5为脉冲功率源中4路感应叠加模块合成负载波形，重复频率25 Hz，负载为平面二极管，图中为25个波形的重叠（通道1为二极管电流信号波形，通道2为二极管电压信号波形）。由此证明：采用激光器外触发系统，负载输出波形的一致性较好，重复频率25 Hz工作时开关抖动低，满足设计要求。

3.3 抗干扰考虑
激光器外触发单元是同步运行中的控制环节，是装置能否正常工作的关键。对触发电路的要求是脉冲前沿陡且有足够的幅值与脉宽，稳定性与抗干扰性能好等。而高压发生装置容易产生各种瞬时尖峰信号，即所谓“毛刺”，当其幅值和能量达到一定程度时，极易导致系统不能正常运行。在前期的同步运行试验调试过程中，由于受实验场地条件的限制，激光器电源与脉冲功率源的初级充电电源共地，在功率源运行时，导致激光器外触发系统输出至激光器普克尔盒的触发信号相对于设定时刻提前产生一个尖峰干扰脉冲，从而无法保证同步运行试验的正常进行。对此采取增加电源滤波器、高频电容等方式，以消除电源引入的干扰影响，结果有所改善。下一步工作则是将激光器与其外触发系统共用同一电源，与脉冲功率源的电源彻底分开，保证同步系统的安全工作。
实验结果表明：采用功率MOSFET及其高速驱动器等措施有效，利用光纤收发器件转换传输、高耐压脉冲变压器隔离可行。影响脉冲功率源开关同步输出转换效率的是激光器外触发回路的性能。功率MOSFET开关通断状态可以通过触发脉冲控制，选用高峰值输出电路的MOSFET驱动器，可以将输出脉冲信号上升沿控制在5 ns以下。采用激光器外触发系统，单台脉冲功率源重频开关实现参数：工作电压150 kV，电流30 kA、抖动
≤5 ns、重复频率25 Hz。为进一步开展两台或多台脉冲功率源稳定、可靠地精确同步输出奠定一定的技术基础。
另外，触发控制电路印制电路板中，控制电路极易受到功率回路的干扰，应使MOSFET驱动器和MOSFET的走线长度尽可能短，以此限制电感引起的振荡效应。驱动器输出和MOSFET栅极间的电感，也会影响MOSFET驱动器在瞬态条件下将MOSFET栅极维持在低电平的能力。激光触发实验中存在的问题，如减小波形前沿、增强抗干扰能力等还需要继续深入研究。
参考文献
[1] 刘锡三.高功率脉冲技术[M].北京：国防工业出版社，2005：367-369.
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[3] Yee H P.An EMI suppression MOSFET driver[A].Proceedings of Applied Power Electronics Conference and Exposition[C].Twelfth Annual，1997：242-248.
[4] SAETHRE R，KIRBIE H，CAPORASO G，et al.Optical control，diagnostic and power supply system for a solid state inction molator[A].Proceedings of 11th IEEE International Pulsed Power Conference[C].Baltimore Maryland，1997：1397-1402.

5. 如何处理FPGA设计中毛刺现象

1、先了解下建立和保持时间。

建立时间（setup time）是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器。

保持时间（hold time）是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的时间，如果保持时间不够，数据同样不能被打入触发器。

数据稳定传输必须满足建立和保持时间的要求，当然在一些情况下，建立时间和保持时间的值可以为零。 PLD/FPGA开发软件可以自动计算两个相关输入的建立和保持时间。

2、FPGA中的冒险现象

(1)信号在FPGA器件内部通过连线和逻辑单元时，都有一定的延时。延时的大小与连线的长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。(2)另外，信号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出有先后顺序，并不是同时变化,往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为"毛刺"。如果一个组合逻辑电路中有"毛刺"出现，就说明该电路存在"冒险"。

我们在使用分立元件设计数字系统时，由于PCB走线时，存在分布电感和电容，所以几纳秒的毛刺将被自然滤除，而在PLD内部决无分布电感和电容，所以在PLD/FPGA设计中，这些毛刺将被完整的保留并向下一级传递，因此毛刺现象在PLD、FPGA设计中尤为突出。下图，给出了一个逻辑冒险的例子.

从上面的仿真波形图可以看出，"A、B、C、D"四个输入信号经过布线延时以后，高低电平变换不是同时发生的，这导致输出信号"OUT"出现了毛刺。

这里，我们无法保证所有连线的长度一致，所以即使四个输入信号在输入端同时变化，但经过PLD内部的走线，到达或门的时间也是不一样的，毛刺必然产生。可以概括的讲，只要输入信号同时变化，（经过内部走线）组合逻辑必将产生毛刺。如果将它们的输出直接连接到时钟输入端、清零或置位端口的话，可能会导致严重的后果。所以我们必须检查设计中所有时钟、清零和置位等对毛刺敏感的输入端口，确保输入不会含有任何毛刺。

冒险往往会影响到逻辑电路的稳定性。时钟端口、清零和置位端口对毛刺信号十分敏感，任何一点毛刺都可能会使系统出错，因此判断逻辑电路中是否存在冒险以及如何避免冒险是设计人员必须要考虑的问题。

6. 用FPGA实现IIR低通滤波器时，滤波后信号会出现尖峰

你知道巴特沃斯低通滤波器的原理吗，对于五阶以上的巴特沃斯低通滤波器要分析其极点分布图的，根据原理可以知道随着滤波器阶数n的提高，极点分布向远离虚轴和靠近虚轴的两个方向变化，对应的阻尼比分别趋近于1和0。阻尼比越小，则超调量越大，过渡带时间越长，震荡加剧。阻尼比越大，则系统的上升时间越长。靠近虚轴的两个极点称为主导极点。5阶及5阶以上的高阶巴特沃斯低通滤波器离虚轴已经很近了，这样的震荡已经非常大了，你的那种情况可能是你设计的巴特沃斯低通滤波器极点分布比传统的极点分布还要差，因此造成了在三阶的时候就出现了5阶以上的情况，但是也有可能是其它的情况引起的，我只能从原理上分析了，如真是原理上出问题了解决方法主要是对巴特沃斯低通滤波器的极点进行重新分布。

7. 场效应管 尖峰吸收回路设计问题

1. 功率是 1/2(Lleak*Ipeak^2*(Vsnub/(Vsnub-N*Vout))) *F（Hz）。
2. 钳位电压一般选择为反射电压的1.4倍左右

选取电阻和电容时，应先估算几个参量，匝比，初级峰值电流，钳位电压，另外有些参数不可忽略如次级整流管压降，变压器二次侧漏感（尤其匝比比较大的时候）。有了这些参数之后，基本可以计算电阻了，P=V^2/R即可，选择一个纹波电压值Vr，如选为钳位电压的10%，C=I*T/Vr即可。
初步选定后，整机再做调整，即可得到合适的参数。离线式的反激电源，100K左右的频率，最终的参数一般电阻为几十千欧，电容为几纳法，否则计算的一定不合理或设计的不合理。

8. 什么是高速信号完整性设计和分析

我们在用示波器测量PCB板上信号时，经常会在信号的波形上发现一些奇怪的现象：比如信号跳变后会产生很大的尖峰毛刺，可能尖峰后面还会有上下起伏波动。有时候信号的边沿会出现一个平台，有点像人的肩膀。还有时你可能会遇到信号的边沿不是平滑上升的，会出现一个回沟，上升到中途突然跌落下来然后再继续上升。回想一下，你是否遇到过类似情况？这些现象就是信号完整性问题的典型表现。
信号完整性一词没有一个唯一的规范定义，通常是指高速PCB中由于信号、互连结构、电源系统等因素相互作用，最终使信号产生扭曲畸变的一种现象。这时可以说信号在传输过程中被破坏了，变得不完整。
关于信号完整性，于博士是这方面的专家。你可以到网上查询一下于博士的网站，里面有很多解释以及学习的内容，也可关注一下于博士信号完整性的微信公众号（SIG007），视频内容都有，可以去学习一下。

9. 怎样检测无刷电机控制器的信号输出

顾名思义，无刷电机控制器是能够控制电动机的启动、运行、进退、速度等功能的核心控制器装置，而与有刷电机的控制器区别就在于无刷电机用电子换向器代替了有刷电机的机械换向器，所以如果无刷电机控制器出现故障，维修起来要复杂得多；那么根据信号输出该如何检测呢？下面为大家介绍：

1、堵转检测：在电机堵转超过规定时间时，无刷电机控制器应停止对电机输出电流，并发出报警信号。

2、霍尔故障检测：当电机的位置传感器输出异常信号时，无刷电机控制器应停止对电机输出电流，并发出报警信号。

3、加速器信号异常检测：当无刷电机控制器检测到加速踏板在上电时的信号异常时禁止对电机输出，并发出报警信号。

4、过压/欠压检测：当无刷电机控制器的输入电压超过其最大输入电压时自动发出报警信号；而当无刷电机控制器的输入电压低于其最小输入电压时自动报警信号。

5、过温/过流检测：当无刷电机控制器在超过规定温度时自动停止运行，并在温度降低到允许值时才可以继续运行；而当无刷电机控制器的母线或相线电流超过允许值时应能自动断电保护并发出报警信号。

6、刹车断电/复位：当无刷电机控制器检测到刹车信号输入时停止对电机输出；而当无刷电机控制器发生过温、过压、欠压、堵转、霍尔故障、加速器信号异常等故障后，检测到故障消失且有刹车信号输入后即可复位。

以上就是无刷电机控制器的信号输出检测介绍了，无刷电机控制器具有可进行简单的变速控制，设置比较简单电机起动和停止等功能，且具有换向PLC，可有效抑制PWM尖峰噪声信号等等。
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10. 如何将负的脉冲尖峰信号转变为单片机识别的正脉冲信号（单片机采集脉冲，用于采速）

隔离型器件都可以，比如变压器，光耦，一个器件搞定