測試電路脈沖響應(yīng)的原理很簡單：用尖銳脈沖擊打電路，看看會(huì)發(fā)生什么。像往常一樣，維基百科有一篇文章詳細(xì)介紹了這個(gè)過程。這篇文章指出，理想脈沖——單位脈沖或狄拉克德爾塔——無限高、無限窄，其下方面積為 1，因此生成它非常棘手，這也很好，考慮到它會(huì)對(duì)從保護(hù)二極管到斜率等所有事物產(chǎn)生影響。幸運(yùn)的是，它只是正態(tài)分布或高斯分布或鐘形曲線的一個(gè)極端情況，生成或至少模擬起來稍微容易一些，而這個(gè)展示了如何做到這一點(diǎn)。

在現(xiàn)實(shí)世界中，最佳測試脈沖來自任意波形發(fā)生器。一種較舊的技術(shù)是過濾窄矩形脈沖，但如果改變脈沖寬度，濾波器的特性也需要改變以保持脈沖形狀。本文詳細(xì)介紹的方法通過生成升余弦脈沖(不要與升余弦濾波器混淆)來避免該問題，這些脈沖足夠接近理想值，令人感興趣。但說實(shí)話：簡單的矩形，略微傾斜以避免這些斜率問題，通常就足夠了。

我們通過采用壓扁三角正弦波振蕩器的核心并添加一些邏輯和門控來產(chǎn)生脈沖，以便在觸發(fā)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生單個(gè)周期，這些周期從基線上升到峰值，然后再次回落，遵循余弦曲線。圖 1中的示意圖顯示了基本原理。

圖 1一個(gè)簡單的振蕩器加上一些附加的邏輯，在觸發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生單脈沖。

振蕩器的工作原理

振蕩器的核心與原版幾乎完全相同，但重新繪制后看起來有所不同。其基本形式是帶施密特的積分器，其中 C1 通過電阻 R2 和 R3 充電，直到其電壓達(dá)到由 D3 定義的正閾值，這會(huì)翻轉(zhuǎn) A1b 的極性，因此 C1 開始向 D4 的負(fù)閾值放電。D1/D2 提供自舉以提供線性充電/放電斜坡，同時(shí)補(bǔ)償 D3/D4 的正向電壓隨溫度(和電源電壓，盡管我們不必?fù)?dān)心)的變化。A2 輸出上產(chǎn)生的三角波通過 R7 饋入 D5/D6，將其壓縮為合理的(余弦)正弦波(<0.5% THD)。二極管對(duì)的正向電壓需要匹配以保持對(duì)稱性，從而最大限度地減少偶次諧波失真。A4 通過 D5/6 放大信號(hào)，使得脈沖剛好跨越供電軌，熱敏電阻 Th1 對(duì)溫度變化提供足夠的補(bǔ)償。

如果 A2 的輸出直接連接到 R1 的輸入，電路就會(huì)自由振蕩(稍后我們會(huì)允許它這樣做)，但現(xiàn)在我們需要它從最低點(diǎn)開始，完成一個(gè)完整的周期，然后停止。

在靜止?fàn)顟B(tài)下，U2a 清晰，A1b 的輸出較高，在 D3 上產(chǎn)生正參考電壓。(相對(duì)于公共半電源內(nèi)部軌，該電壓為正。)該電壓由 A2a 反轉(zhuǎn)并通過 U1a 施加到 R1，這樣電路周圍就會(huì)產(chǎn)生負(fù)反饋，從而穩(wěn)定在負(fù)參考電壓上。(使用 '4053 作為 U1 可能看起來有點(diǎn)浪費(fèi)，但它的其他部分將在第 2 部分中派上用場。)

當(dāng) U2a 的 D 輸入端收到(正向)觸發(fā)時(shí)，其輸出端會(huì)改變狀態(tài)。這樣，U1a 將 R1 連接到 A1b 的(仍然為高)輸出端，啟動(dòng)循環(huán);反饋現(xiàn)在為正。經(jīng)過一個(gè)完整循環(huán)后，A1b 的輸出端再次變?yōu)楦?，觸發(fā) U2b 并重置 U2a，從而停止循環(huán)并將電路恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)。相關(guān)波形如圖2所示。

圖2圖1中電路的一些波形。

將升余弦與理想的正態(tài)分布脈沖進(jìn)行比較很有啟發(fā)性，圖 3顯示了兩者。雖然大多數(shù)曲線都相當(dāng)匹配，但底部三分之一左右有些不足，盡管可以通過增加一些復(fù)雜性來改進(jìn)——但那是以后的事了。

圖 3理想正態(tài)分布曲線與升余弦的比較，包括圖 1 的輸出。

如前所述，從原理圖可以看出，如果通過抑制觸發(fā)輸入并阻塞其預(yù)設(shè)輸入低電平以強(qiáng)制其 Q 輸出為高電平來禁用 U2a 的操作，則該電路可用作簡單的振蕩器。U1a 現(xiàn)在將 A1b 的輸出連接到 R1，電路可自由運(yùn)行。除了作為一項(xiàng)有用的功能外，這還有助于我們進(jìn)行設(shè)置。

調(diào)整振蕩器

需要在振蕩器模式下進(jìn)行一些微調(diào)才能獲得最佳效果。

1. R3 必須設(shè)置為在 R2 的最大和最小設(shè)置下提供相等的三波振幅，否則失真將隨頻率(或脈沖寬度)而變化。將 R2 設(shè)置為最大值(最低頻率)，將 R3 設(shè)置為最小值(在原理圖上向右)，然后測量 A1 輸出的振幅?，F(xiàn)在將 R2 設(shè)置為最小值并調(diào)整 R3 以提供與之前相同的振幅。(感謝Steve Woodward提出這個(gè)想法。)

2. R7 定義對(duì)壓縮二極管 D5/6 的驅(qū)動(dòng)，從而定義失真。最好使用示波器的 FFT：調(diào)整 R7 以最小化第三和第五諧波。(第七諧波保持相當(dāng)恒定。)如果做不到這一點(diǎn)，請(qǐng)?jiān)O(shè)置 R7，使二極管兩端的電壓恰好是三波值的 2/3。作為最后的手段，30k 固定電阻可能足夠接近，就像我構(gòu)建的一樣。

3. 使用 R9 設(shè)置輸出電平。波形應(yīng)從軌到軌運(yùn)行，只需從峰值處削去殘余點(diǎn)的尖端(主要負(fù)責(zé)第七諧波)。不要過度，否則第三和第五諧波將開始增加。這取決于至少對(duì) A1b 和 A2b 使用 RRO 運(yùn)算放大器，并小心地分割軌道以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱性。

一旦調(diào)整為振蕩器，它就可以用作脈沖發(fā)生器，它依賴于完全相同的設(shè)置，以便每個(gè)脈沖都是余弦波的單個(gè)周期，偏移其幅度的一半。

圖 1 中的原理圖給出了電路的基本結(jié)構(gòu)，該電路將在第 2 部分中詳細(xì)說明。使用的運(yùn)算放大器是 Microchip MCP6022，它們是雙路、5 V、10 MHz CMOS RRIO 器件，輸入偏移小于 500 μV。電源為 5 V，中央“公共”軌道來自另一個(gè)用作軌道分離器的運(yùn)算放大器：如圖 4所示，與合適的輸出緩沖器一起顯示。

圖 4一個(gè)簡單的軌分離器，用于獲得 2.5 V 的“公共”軌，以及具有交流和直流耦合輸出的輸出電平控制和緩沖器。

C1 可以切換以提供多個(gè)范圍，允許使用從超過 20 kHz(對(duì)于 25 μs 脈沖，在其一半高度處測量)到您想要的最低值。然后還需要切換 R3;參見圖 5了解三范圍版本。(最低范圍可能不需要 HF 微調(diào)。)雖然三波性能在 1 MHz 左右時(shí)良好，但壓縮二極管的電容在此之前就開始引入波形失真，至少對(duì)于 1N4148 或類似器件而言。

圖 5對(duì)于多量程使用，定時(shí)電容器 C1 是可切換的。為了調(diào)整每個(gè)量程的 HF 響應(yīng)，R3 也必須變化。

改善脈沖形狀

現(xiàn)在，為了改善脈沖形狀，我們?cè)黾恿祟~外的復(fù)雜性。粗略地說，所需脈沖的上半部分看起來是(余)正弦波，但下半部分則更具指數(shù)性，如果我們想要更好的擬合，那部分必須進(jìn)一步壓縮。我們可以通過將 D6 與一對(duì)肖特基二極管 D7 和 D8 串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。波形產(chǎn)生的不對(duì)稱需要抵消，這需要在緩沖級(jí) A2b 中稍微提高增益并進(jìn)行不同的溫度補(bǔ)償。這些修改如圖 6所示。

圖 6使用一對(duì)肖特基二極管橋接 D6 可以更好地?cái)M合所需曲線，但增益和偏移需要調(diào)整。

在此模式下，R16 設(shè)置偏移，R9A 設(shè)置增益。U3 的三個(gè)部分將：

· 將肖特基 D7/8 接入電路

· 根據(jù)模式選擇增益和偏移確定組件

· 短路 R8，將熱敏電阻直接置于 R12 上，優(yōu)化脈沖下半部分的溫度補(bǔ)償

圖 7顯示了修改后的脈沖形狀。不同的二極管或其組合可以很好地改善擬合效果，但這似乎已經(jīng)足夠接近了。

圖7由圖6得到的改進(jìn)脈沖形狀。

要進(jìn)行設(shè)置，請(qǐng)調(diào)整 R16 和 R9A(它們相互作用;對(duì)此表示抱歉)，使波形底部為 0 V，而峰值略低于 5 V。由于每個(gè)脈沖的上半部分和下半部分依賴于不同的二極管，因此它們的溫度系數(shù)會(huì)略有不同。0-V 基線現(xiàn)在穩(wěn)定，但峰值高度會(huì)隨著溫度略有增加。

總結(jié)

到目前為止，我們可能已經(jīng)過了這樣一個(gè)階段：使用微控制器(Arduino?RPi?)并添加 DAC(或者在這些低頻率下僅使用 PWM 輸出)更簡單、更便宜、更準(zhǔn)確，為其配備查找表(可能使用 Python 計(jì)算和格式化，就像這些圖中的參考曲線一樣)，然后擔(dān)心如何連續(xù)控制重復(fù)率和脈沖寬度?；蛘呱踔林皇琴I一個(gè)便宜的 AWG，雖然實(shí)用，但有點(diǎn)作弊。

但所有這些都是另一種樂趣，我們還沒有完成這種方法。第 2 部分將展示如何添加更多調(diào)整，以便我們也能生成表現(xiàn)良好的階躍函數(shù)。