一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路

摘要

一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路，包括微分单元、过零比较单元和脉宽鉴别单元。微分单元对外部输入的单极性光子脉冲信号进行微分，形成具有两个过零点的双极性信号并送至过零比较单元。过零比较单元根据设置的比较阈值，将双极性信号转换为具有一定脉冲宽度的数字脉冲信号并送至脉宽鉴别单元。脉宽鉴别单元判断所述数字脉冲信号的宽度是否超过了设置的判别阈值，如果超过了则判断外部输入的光子脉冲是慢上升沿信号，输出一个高电平脉冲，否则输出一个低电平脉冲。本发明电路具有电路形式简单、灵敏度高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲信号检测电路。

背景技术

X射线脉冲星导航敏感器是实现X射线脉冲星导航的关键之一，要求能实 现对X射线脉冲星辐射信号的大面积、高灵敏度探测。在空间辐射环境下，高 能粒子与卫星及望远镜材料相互作用，探测器将接收到高能粒子及其次级激发 粒子，很难在复杂的X射线本底中捕获到天体源辐射的仅有少数几个信号。为 此，降低望远镜本底，是实现高灵敏度天文观测的基本要求。本底，主要来源 包括宇宙X射线辐射背景、地磁场捕获粒子、地球反照等。由于高能粒子与探 测器作用所输出的信号形状上升沿较慢，通过鉴别信号的上升沿，剔除慢上升 沿的高能粒子，即可降低本底。

慢上升沿脉冲信号鉴别有多种方法，主要包括以下几种：

双恒比定时法，利用两个不同阈值的恒比定时电路判断脉冲上升沿快慢， 其中恒比定时电路复杂，功耗大；

前沿定时与恒比定时相结合方法，利用通过判断前沿定时与恒比定时输出 信号时序先后关系判断是否为慢上升沿脉冲，该方法容易误触发，灵敏度低；

电荷与电流相结合的方法，利用慢上升沿脉冲信号对应的电流比电荷信号 小的特点，将衰减后电荷信号与延时后电流信号进行比较，但其电路形式复杂。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种慢上升沿脉 冲信号鉴别电路，利用微分电路提取脉冲信号上升时间，并通过过零比较单元 和脉宽-幅度转换单元，将上升时间转换为指数上升的幅度信号，通过判断信号 幅度即可鉴别是否是慢上升沿信号，具有电路形式简单、灵敏度高的特点。

本发明的技术解决方案是：一种慢上升沿脉冲信号鉴别电路，包括微分单 元、过零比较单元和脉宽鉴别单元，其中：

微分单元：对外部输入的单极性光子脉冲信号进行微分，形成具有两个过 零点的双极性信号并送至过零比较单元；

过零比较单元：根据设置的比较阈值，将双极性信号转换为具有一定脉冲 宽度的数字脉冲信号并送至脉宽鉴别单元；

脉宽鉴别单元：判断所述数字脉冲信号的宽度是否超过了设置的判别阈值， 如果超过了则判断外部输入的光子脉冲是慢上升沿信号，输出一个高电平脉冲， 否则输出一个低电平脉冲。

所述的脉宽鉴别单元的一种实现形式包括脉宽-幅度转换电路和幅度比较 电路，脉宽-幅度转换电路根据数字脉冲信号的宽度，将数字脉冲信号转换为幅 度指数上升的模拟信号并送至幅度比较电路；幅度比较电路将转换后的幅度指 数上升的模拟信号幅度与预先设定的判别阈值进行比较，当幅度指数上升的模 拟信号幅度大于判别阈值，幅度比较电路输出一个高电平脉冲，否则输出一个 低电平脉冲。

所述的脉宽-幅度转换电路包括电阻R₆、电阻R₇、电阻R₈、电阻R₉、电 阻R₁₀、电阻R₁₁、比较器U₂、运算放大器U₃、二极管D₁以及电容C₂；电阻 R₆的一端接过零比较单元的反相输出端，电阻R₆的另一端同时接运算放大器 U₃的反相输入端以及电阻R₇的一端，电阻R₇的另一端同时接二极管D₁的阳 极以及电阻R₁₀的一端；电阻R₈的一端接过零比较单元的同相输出端，电阻 R₈的另一端同时接运算放大器U₃的同相输入端以及电阻R₉的一端，电阻R₉的另一端接地，二极管D₁的阴极接运算放大器U₃的输出端；电阻R₁₀的另一 端同时接电阻R₁₁的一端以及电容C₂的一端，电阻R₁₁的另一端接电压源VCC， 电容C₂的另一端接地，电容C₂的非接地端作为脉宽-幅度转换电路的输出端。

所述的幅度比较电路包括比较器U₂以及参考电压源V_ref，比较器U₂的同 相输入端接脉宽-幅度转换电路的输出端，比较器U₂的反相输入端接参考电压 源V_ref的正端，参考电压源V_ref的负端接地，比较器U₂的输出端作为幅度比较 电路的输出端。

所述的脉宽鉴别单元的另外一种实现形式包括上升沿观测窗口电路和一个 异或门，上升沿观测窗口电路根据输入的数字脉冲信号产生一个标准上升沿的 脉冲信号，异或门将产生的标准上升沿的脉冲信号与原始的数字脉冲信号进行 异或运算操作，如果相异或操作的结果为标准上升沿的脉冲信号，则异或门输 出一个高电平脉冲，否则输出一个低电平脉冲。

所述的上升沿观测窗口电路包括D触发器U₂、电阻R₆和电容C₂，D触发 器U₂的数据端与高电平相连，D触发器U₂的时钟端与过零比较电路的同相输 出端相连，D触发器U₂的同相输出端Q与电阻R₆的一端相连并作为上升沿观 测窗口电路的输出端，电阻R₆的另一端与电容C₂的一端以及D触发器U₂的 复位端相连，电容C₂的另一端与地相连。

所述的微分单元为有源微分电路或者无源微分电路。

所述的微分单元包括电容C₁和电阻R₁，电容C₁的两端分别作为微分单元 的输入端和输出端，电阻R₁的一端与微分单元的输出端相连，电阻R₁的另一 端接地。

所述的过零比较单元为一个迟滞比较器电路，迟滞比较器电路的阈值设置 在过零点附近，高阈值与低阈值电压幅度相等，极性相反。

所述的迟滞比较器电路包括电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅和比较器 U₁，电阻R₂的一端作为迟滞比较电路的输入端，电阻R₂的另一端同时接电阻 R₃的一端以及比较器U₁的同相输入端，电阻R₃的另一端接比较器U₁的同相 输出端；电阻R₄的一端接地，电阻R₄的另一端同时接电阻R₅的一端以及比较 器U₁的反相输入端，电阻R₅的另一端接比较器U₁的反相输出端。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过有源微分电路，将脉冲信 号上升沿转换为具有两个过零点的脉冲信号，该信号大小仅与输入脉冲信号的 上升沿快慢有关。输入脉冲信号的幅度，只有影响微分后信号的信噪比，不会 影响两个过零点时间差。通过比较器，将两个过零点转换为具有一定宽度的数 字信号。再利用脉冲宽度-幅度转换电路，提取数字信号宽度，这是一个指数上 升信号。数字信号宽度越大，指数上升信号幅度越大。将该信号与设定上升沿 时间阈值比较，判断是否属于慢上升沿信号；或者利用数字逻辑电路判断数字 信号宽度是否大于设定的阈值，判别方式及电路形式比较简单，且检测灵敏度 高。

附图说明

图1为本发明慢上升沿脉冲信号鉴别电路的一种实现电路图；

图2为图1所示电路的工作波形示意图；

图3为本发明慢上升沿脉冲信号鉴别电路的另一种实现电路图；

图4为图3所示电路的工作波形示意图。

具体实施方式

本发明的慢上升沿脉冲信号的鉴别电路，包括微分单元、过零比较单元和 脉宽鉴别单元三部分。其中，微分单元用于提取输入的光子脉冲的上升沿，对 输入的单极性光子脉冲信号进行微分后，转换为双极性信号。微分时间常数的 选择，应使得双极性信号的信噪比最大。过零比较单元，根据设置的比较阈值， 将双极性信号转换为具有一定脉冲宽度的数字脉冲信号。比较单元的阈值由慢 上升沿信号的定义(也即需要检测何种信号)决定。脉宽鉴别单元，判断数字 脉冲信号宽度是否超过设置的阈值，其中阈值由慢上升沿信号的定义决定，如 果是则判断该光子脉冲是慢上升沿信号，输出一个高电平脉冲，否则输出为低 电平。

上述方案中，微分单元包括无源微分电路和有源微分电路两种形式。无源 微分电路由高通滤波器拓扑结构的电容和电阻构成，要求电阻和电容构成的时 间常数小于输入脉冲波形宽度的十分之一。有源微分电路则由电阻、电容和运 放组成。

上述方案中，过零比较单元是一个迟滞比较器电路，比较器阈值设置在过 零点附近，高阈值与低阈值电压幅度相等，极性相反。阈值一般设置在微分后 信号幅度十分之一左右，通过调节比较单元中电阻之间比例关系即可设置阈值。

上述方案中，脉宽鉴别单元有两种实现形式。第一种将数字脉冲宽度转换 为模拟信号，其幅度随着脉冲宽度增加，再通过判断幅度高低是否超过设置的 阈值，即由脉宽-幅度转换电路和幅度比较电路两部分组成。脉宽-幅度转换电 路，可根据数字脉冲的宽度，转换为幅度指数上升的模拟信号。脉冲宽度，与 模拟信号幅度之间是指数关系；幅度比较电路，由比较器组成。当指数上升的 模拟信号幅度超过设置的比较器阈值，比较器输出一个高电平脉冲，代表输入 端的光子脉冲信号是慢上升沿信号。比较器阈值由参考电压源设置，通过改变 参考电压源电压来改变阈值。第二种采用数字逻辑电路实现，数字脉冲与具有 一定宽度的另一个数字脉冲进行求与运算，只要比较器输出的数字脉冲宽度比 设置的脉宽大，则逻辑电路产生一个高电平脉冲，代表着这是一个慢上升沿光 子脉冲，否则输出低电平。通过调节数字逻辑电路中电阻和电容参数即可设置 阈值。

图1是本发明慢上升沿脉冲信号鉴别电路的一种具体实现方式，包括微分 单元、过零比较单元和脉宽鉴别单元。其中，微分单元连接于过零比较单元， 用于对输入的单极性光子脉冲信号进行微分后，形成具有两个过零点的双极性 信号；过零比较单元连接于脉宽鉴别单元，用于将双极性信号转换为具有一定 脉冲宽度的数字信号。脉宽鉴别单元，用于判断数字脉冲信号宽度是否超过设 置的阈值，如果是则判断该光子脉冲是慢上升沿信号，输出一个高电平脉冲， 否则输出为低电平。

进一步地，所述微分单元包括：

第一电容C₁，一端与输入端V_in相连，另一端与第一电阻R₁和第二电阻 R₂相连，标记为net1；

第一电阻R₁，一端与第一电容C₁相连，另一端与地相连；

第一电容C₁和第一电阻R₁构成微分电路，C₁和R₁参数选择应与输入端 V_in脉冲信号上升沿时间相匹配，应小于脉冲宽度的十分之一。

输入端V_in是一个正极性脉冲信号，经过微分单元，转换为双极性信号，而 且是在V_in达到峰值时，双极性信号从正电压切换到负电压，形成一个过零点。

进一步地，所述过零比较单元包括：

第二电阻R₂，一端与net1相连，另一端与第三电阻R₃和第一比较器U₁的同相输入端相连，标记为net2；

第三电阻R₃，一端与net2相连，另一端与第一比较器U₁同相输出端和第 八电阻R₈相连，标记为net3；

第四电阻R₄，一端与地相连，另一端与第一比较器U₁的反相输入端和第 五电阻R₅相连，标记为net4；

第五电阻R₅，一端与net4相连，另一端与第一比较器U₁反相输出端和第 六电阻R₆相连，标记为net5；

第一比较器U₁，同相输入端与net2相连，反相输入端与net4相连，同相 输出端与net3相连，反相输出端与net5相连。

第一比较器U₁，具有差分输出端，分为同相输出端和反相输出端，与第二 电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄以及第五电阻R₅构成迟滞比较器。其中 正阈值电压由第五电阻R₅与第四电阻R₄比值决定，负阈值电压由第三电阻R₃和第二电阻R₂比值决定。阈值电压的选择，与net1信号幅度相匹配，一般选 择在零点附近，大约峰值的十分之一。

进一步地，脉宽鉴别单元包括：

第六电阻R₆，一端与net5相连，另一端与第七电阻R₇和运算放大器U₃的反相输入端相连，标记为net6；

第七电阻R₇，一端与net6相连，另一端与二极管D₁和第十电阻R₁₀相连， 标记为net7；

第八电阻R₈，一端与net3相连，另一端与第九电阻R₉和运算放大器U₃的同相输入端相连，标记为net8；

第九电阻R₉，一端与net8相连，一端与地相连；

二极管D₁，阳极与net7相连，阴极与运算放大器U₃输出端相连；

第十电阻R₁₀，一端与net7相连，另一端与第十一电阻R₁₁和第二电容C₂以及第二比较器U₂的同相输入端相连，标记为net9；

第十一电阻R₁₁，一端与net9相连，另一端与电源端VCC相连；

第二电容C₂，一端与net9相连，另一端与地相连；

第二比较器U₂，同相输入端与net9相连，反相输入端与参考电压V_ref相 连，V_ref代表第二比较器U₂的比较阈值。当同相输入端信号超过V_ref，输出一 个高电平，否则为低电平。输入信号V_in信号上升时间越长，过零比较单元输出 数字信号高电平时间越长。

电阻R₆～R₁₁、电容C₂、二极管D₁以及运放U₃构成脉冲宽度-幅度转换电 路，将过零比较单元输出的差分信号的宽度转换为幅度信号。在比较单元同相 输出端为高电平期间对电容C₂充电，为此电容C₂上电压以指数规律上升，上 升速率随着电压增大而减小，直至最大幅度。当指数上升的幅度信号大于参考 电压V_ref时，比较器U₂输出高电平，否则为低电平。通过改变R₁₀、R₁₁和C₂参数，可以调节C₂上电压上升速率。参考电压V_ref设置在C₂上电压最大值的 37％附近，可以获得最高的鉴别灵敏度。

脉宽鉴别单元，通过两步实现对差分数字信号宽度的鉴别。第一步，利用 脉宽-幅度转换电路将差分脉冲信号转换为指数上升信号，且指数上升信号的幅 度，随着差分数字信号宽度增大。第二步，利用比较器，判断指数上升信号幅 度是否超过设定的阈值，如果是则代表这是一个慢上升沿信号，比较器输出一 个高电平信号，否则输出低电平。通过判断比较器输出电平的高低即可鉴别输 入信号V_in是否为慢上升沿信号。

图1所示电路的工作波形如图2所示。微分电路将输入单极性慢上升沿信 号V_in转换为双极性信号。随着慢上升沿信号增加，微分单元输出从零逐渐增大。 当慢上升沿信号达到最大值时，双极性信号从正极性切换到负极性，出现一个 过零点。过零比较单元识别出这两个过零点，并输出一个高电平脉冲。脉宽- 幅度转换单元根据高电平脉冲的宽度转换为指数上升信号，当该信号幅度超过 设置的阈值V_ref时，代表这是一个慢上升沿信号，为此脉宽鉴别单元输出一个 高电平脉冲。

上述所述电路形式只是具体实现方式中的一种，脉宽鉴别单元除了采用脉 宽-幅度转换电路和比较电路之外，还可以采用数字逻辑电路实现，如图3所示。 图3中脉宽鉴别单元包括：

D触发器U₂，数据端与高电平相连，时钟端与比较器U₁同相输出端相连， 同相输出端Q与第六电阻R₆相连，标记为net30；

第六电阻R₆，一端与net30相连，另一端与第二电容C₂和D触发器U₂的复位端相连，标记为net31；

第二电容C₂，一端与net31相连，一端与地相连；

异或门U₃，一端net30相连，另一端与比较器U₁同相输出端相连。

D触发器U₂和电阻R₆、电容C₂组成上升沿观测窗口，产生一个标准上升 沿的脉冲信号，其宽度由第六电阻R₆和第二电容C₂决定。

输入信号上升沿越慢，过零比较单元输出脉冲信号宽度越大。当过零比较 单元输出脉冲信号宽度比标准上升沿脉冲信号大，则代表着是一个慢上升沿脉 冲信号，V_out输出一个高电平，否则为低电平。

图3所示电路的工作波形如图4所示。微分电路将输入单极性慢上升沿信 号V_in转换为双极性信号。随着慢上升沿信号增加，微分单元输出从零逐渐增大。 当慢上升沿信号达到最大值时，双极性信号从正极性切换到负极性，出现一个 过零点。过零比较单元识别出这两个过零点，并输出一个高电平脉冲。脉宽鉴 别单元的上升沿观测窗口在高电平脉冲的上升沿输出一个标准上升沿的脉冲信 号。过零比较单元输出与上升沿观测窗口输出经过异或门逻辑运算后，结果为 高电平则代表这是一个慢上升沿信号。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。