高速脉冲波形合成关键技术研究

摘要

高速脉冲信号已广泛应用于现代通信系统、电子对抗、射频测试、数字集成电路测试等领域中，高速脉冲技术也已经成为现代电子技术领域的研究热点，其极窄脉冲、快沿脉冲、精密可控脉冲、可编程复杂波形脉冲的合成方法与技术是研究的核心内容。波形合成技术主要解决高速脉冲时域波形的频率信息、功率信息，以及波形定时信息的产生与控制问题。本文结合攻读博士学位期间承担的多项脉冲信号发生器研究项目，以矩形脉冲波形的特征分析为基础，着眼于脉冲/数据发生器的研制和工程实现，围绕高速脉冲的频率信息合成技术、功率信息合成技术和脉冲传输特性的研究为主体，主要就如下问题展开了深入的研究：
　　 (1)脉冲波形特征分析与合成：分析了脉冲的时域波形特征，根据其频谱信息关联性划分为频率信息相关和功率信息相关两类，并重点讨论了脉宽特征和边沿特征与信号带宽的相关性问题，提出了基于信息合成原理的波形特征合成方案。
　　 (2)波形频率特征合成技术：研究了基于数字合成方法的脉冲周期、宽度、间隔、群特征、序列特征等与频率信息相关的波形特征（简称频率特征）合成技术与实施方案：研究了宽范围高分辨率定时技术和高分辨率高精度脉宽控制技术，解决了数字式合成方法中的宽范围脉宽与信号延迟的高分辨率高精度难题。
　　 1)数字时钟频率的产生技术：分析了DDS频率合成方法与锁相环频率合成方法，研究了数字时钟抖动的影响、来源与解决办法，并设计了DDS与锁相环相合的高分辨率宽范围的时钟频率合成方案，在“XXXX脉冲/数据发生器”项目中成功实现800MHz时钟频率合成。
　　 2)波形特征合成方法：基于数字合成技术，针对单脉冲、群脉冲、长序列脉冲等不同应用波形提出了波形截取、波形叠加与序列数据存储等方法合成频率信息相关特征，并设计了具体实施方案，给出了项目中实际应用情况，成功实现了1Hz～400MHz脉冲波形合成。
　　 3)高精度宽范围脉宽与延迟控制技术：研究了可编程计数延迟与多抽头可编程传输延迟相结合的高精度宽范围定时技术，解决了数字式脉冲信号的延迟精度与范围问题；提出了基于相对时间延迟与沿合成原理的脉冲宽度特征合成方法，利用延迟定时技术设计了脉宽控制方案，并在“XXXX脉冲/数据发生器”项目中成功实现1.25ns～1s范围、10ps分辨率的脉冲宽度合成，很好地解决了数字式波形合成中的延迟与脉冲高分辨的问题。
　　 (3)快沿脉冲技术：分析了基于特殊半导体和非线性传输线(NLTL)实现快速沿脉冲的两种方法，设计了改进型阶跃恢复二极管快沿整形电路，实现了80ps的快速沿，并进一步提出了非线性传输线的工程化技术方案。
　　 (4)功率特征合成与沿调整技术：分析比较了线性调理技术的基本原理和在脉冲功率信息相关波形特征（简称功率特征）合成中的局限性，提出了一种脉冲波形非线性调理技术解决高速脉冲功率信息的合成问题，实现了1Hs～400MHz脉冲波形的0.1～3.8Vpp幅度调理和10mV分辨率；针对宽范围上升/下降时间的控制，提出了两种利用高速开关二极管与恒流源充放电相结合的沿调整方法，设计实现了不同范围的边沿控制。
　　 (5)脉冲传输特性问题：分析了脉冲信号在传输中的特殊性，研究了非理想负载对脉冲波形特征的影响；针对脉冲发生器研制过程中遇到的传输线网络多分支结构，基于阻抗匹配原理推导了该特殊传输线结构中的阻抗匹配条件和实现方法。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 脉冲技术研究现状

1.2.1 波形合成技术

1.2.2 快沿脉冲技术

1.2.3 信号调理技术

1.2.4 相关仪器产品现状

1.3 本文的主要工作

1.4 论文结构

第二章 脉冲波形特征与信息合成方法

2.1 时域波形

2.1.1 基础波形及参数

2.1.2 复合波形及参数

2.2 脉冲频谱分析

2.3 脉冲信号带宽分析

2.3.1 信号带宽及分析方法

2.3.2 脉宽特征与信号带宽

2.3.3 上升沿特征与信号带宽

2.4 脉冲波形的信息合成方法[53]

2.4.1 与传统方法比较

2.4.2 信息合成方法

2.5 本章小结

第三章 脉冲波形频率特征合成技术

3.1 时钟频率合成分析

3.1.1 时钟频率合成单元设计

3.1.2 时钟抖动分析

3.2 数字式频率特征合成方法

3.2.1 使能截取方法合成单脉冲波形

3.2.2 计数截取方法合成群脉冲波形

3.2.3 多波形叠加方法合成双（多）脉冲波形

3.2.4 序列波形合成法

3.3 延迟定时与脉宽精调技术

3.3.1 延迟定时方法

3.3.2 脉宽精调技术

3.4 本章小结

第四章 快沿产生技术研究

4.1 概述

4.2 阶跃恢复二极管快沿整形电路设计

4.2.1 阶跃恢复二极管结构特征

4.2.2 阶跃恢复二极管快沿整形原理

4.2.3 改进型快沿脉冲整形电路设计

4.3 非线性传输线沿压缩技术

4.3.1 非线性传输线原理

4.3.2 非线性传输线沿压缩原理

4.3.3 非线性传输线设计分析

4.3.4 设计仿真

4.3.5 试验板测试

4.4 本章小结

第五章 脉冲波形功率特征合成与沿控制技术研究

5.1 非线性调理技术

5.1.1 波形特征与非线性问题

5.1.2 高速脉冲非线性调理电路原理

5.1.3 与传统方法比较

5.1.4 非线性调理模块设计

5.1.5 影响波形质量的因素分析

5.2 边沿控制技术研究

5.2.1 基于差动结构的沿控制设计

5.2.2 基于充电电容阵列的沿控制设计

5.2.3 误差来源综合分析

5.3 本章小结

第六章 高速脉冲传输特性研究

6.1 高速脉冲传输线相关特性分析

6.1.1 传输线上的信号反射

6.1.2 非理想负载的高速脉冲传输特性分析

6.2 高速脉冲传输线匹配技术

6.2.1 阻抗匹配基本方法与脉冲电路中的应用

6.2.2 高速脉冲电路中多分支结构的传输线匹配

6.3 本章小结

第七章 结束语

7.1 全文总结

7.2 进一步工作

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果