一種基于PA119 放大器的大電流脈沖發生器設計

徐碧輝， 賈 陽， 秦友倫， 唐治海

（1.中國兵器裝備集團 自動化研究所有限公司，四川 綿陽 621000；2. 陸軍裝備部駐廣元地區軍事代表室，四川 廣元 628017）

0 引言

隨著科學技術的飛速發展， 芯片的性能得到了快速提升，現階段已出現許多芯片可用于模擬信號的產生。在脈沖信號發生領域， 也出現了大量可用于脈沖信號產生的芯片，用這些芯片設計的脈沖信號發生器，可廣泛的用于各種信號模擬場合，例如干擾脈沖矩陣、引信模擬、振動模擬、碰撞模擬等。脈沖信號的幅度、邊沿、負載能力都直接影響到模擬試驗的結果。

現階段，脈沖信號發生器大都采用功能MOSFET 搭建而成， 這類脈沖發生器產生的脈沖信號或負載能力有限，或體積龐大，或幅度、邊沿不可控，不利于重載模擬試驗的開展。本文針對上述缺點，提出了一種負載能力強的高速脈沖發生器的方法，根據這種方法，可制造出一種信號邊沿陡峭、負載能力強、幅度脈寬周期可調的脈沖信號發生器， 該脈沖發生器適用于中各種低壓的信號模擬場所，具有非常大的實用價值。

1 系統總體架構概述

本脈沖信號發生器前端采用ARM 芯片作為主控制器，搭配外圍最小系統，實現設置所需信號的幅度、寬度等信息。 后端用功率放大器、模擬開關、模數轉換器、儲能電路等電路對信號進行調理，最終可得所需信號。 基于該方法設計的脈沖信號發生器，可產生一種信號幅度、信號寬度、信號周期均可調，且信號邊沿不大于50ns，驅動能力可達4A 的信號發生器。 圖1 為系統結構示意圖。

圖1 系統結構示意圖

2 系統硬件電路設計

從圖1 中可以看出， 該大電流脈沖發生器主要由ARM 芯片及周圍器件、數模轉換芯片、模擬開關、放大器、脈沖幅度控制等組成。

2.1 ARM 及周邊電路介紹

在本設計的大電流脈沖信號發生器，主要采用ARM芯片來作為該脈沖發生器的核心處理器， 該處理器的作用為接收外界的設置命令，運算處理，控制輸出相應的指令，讓后端電路響應該指令，輸出所需的脈沖信號，具體實現方式如下：

圖1 中，時鐘為ARM 的系統時鐘，主要是為ARM 的工作提供一個時間刻度，ARM 處理器能根據這個時鐘刻度，進行數數，對脈沖周期、脈沖寬度、信號開關等信息進行設置。按鍵為系統的外置人機交互接口，通過該接口可對脈沖的幅度、周期、寬度等信息進行設置，用戶可在該接口上對所需的信號進行參數設定。 JTAG 接口為ARM 的程序燒錄接口，在脈沖信號發生器出廠前，可通過該接口對ARM進行初始化程序燒寫，讓ARM 在通電后可根據既定的程序邏輯進行運轉。 顯示接口為用戶互動接口，該接口為一個觸控屏，用戶可在該接口上對信號參數設定與查看，該接口是與上述的按鍵接口互為并列關系，用戶根據自己的喜好，兩種方式均可對信號參數進行設置。 ARM 為該大電流脈沖發生器收到按鍵或觸控顯示接口設置的脈沖相關信息后，在內部進行計算，將脈沖的幅度信息通過SPI 總線傳輸至數模轉換器，將所需的脈沖開關指令、寬度指令發送至模擬開關，再經過后端的調理電路獲得所需的信號。

2.2 數模轉換電路介紹

在該大電流脈沖發生器中， 數模轉換電路主要是將數字信號轉換為模擬電平信號。

這里數模轉換芯片采用AD5620 芯片，AD5620 是一個12 位的數模轉換芯片，采用單5V 電源供電，數字接口為SPI 接口， 模擬輸出為軌道軌的輸出， 其分辨率可達1.2mV，經過后端的低倍數放大，在本設計中，運算放大器的設計倍數為幾倍，電壓經后端運算放大器放大后，幅度的控制精度高于10mV，因此，在脈沖信號發生器前端，采用數模轉換芯片來實現脈沖信號的原始電平， 可大幅度提高輸出脈沖信號的幅度精確度。

在本設計中，采用ARM 芯片設置參數，控制數模轉換芯片輸出的產生一個固定的參考電源， 經后端運算放大電路放大，實現輸出電壓可設置的功能。

同時，在數模轉換芯片后設計了超級電容，對數字信號經過數模轉換器產生所需電壓進行濾波儲能， 當后端模擬開關瞬間打開時，提供足夠的電荷量，滿足模擬開關打開所需的瞬態能力， 防止模數轉換芯片輸出的參考電壓源出現電源坍塌現象。

2.3 模擬開關

在本設計中， 模擬開關的作用主要是用于原始脈沖信號的產生， 這里的原始脈沖信號已具備輸出脈沖信號所需的陡峭的邊沿、脈沖的寬度、脈沖的周期等參數。 具體電路圖實現方式見圖2。

圖2 原始脈沖產生電路

選用TI 公司的TSA63157 芯片，具有體積小、價格低廉、開關速度快、控制簡單等特點，在本設計中，主要選取該芯片的開關速率參數， 該芯片在的打開與關斷時間分別為5.7ns 和3.8ns， 在這樣極短的時間進行開關狀態切換，為后續脈沖信號的陡峭邊沿提供了有力的保障。如圖2 所示，將前端數模轉換電路、儲能電路產生的電源參考接在模擬開關的常開管腳NO 處， 模擬開關的常閉管腳NC 接地。 在可視化軟件中設置所需脈沖寬度、周期等信息，通過ARM 芯片的IO 腳控制開關接觸點的接觸位置，實現脈沖信號的原始脈沖。當ARM 芯片控制模擬開關的COM 腳接在模擬開關的常開NO 管腳時，COM 端輸出高電平，且電平幅度等于NO 管腳的電壓，當ARM 芯片控制模擬開關的COM 腳接在常閉NC 管腳時，COM 端輸出低電平，且電平幅度等于NC 管腳的電壓，且電平幅度為0V，依次類推，不斷切換，那么在模擬開關的COM 腳端即可得到一個邊沿陡峭的原始脈沖信號， 實測模擬開關的信號邊沿可達4.8ns，開關信號輸出的波形圖見圖3。

圖3 原始波形的信號邊沿圖

在脈沖信號的控制過程中，通過參數設定，控制ARM 芯片的IO 腳的高低切換頻率， 可實現模擬開關的輸出高低切換。 所需的脈沖周期、 頻率與ARM芯片控制模擬開關的觸點切換頻率、切換時間一致，即ARM 的IO 控制周期、頻率就是輸出脈沖信號的周期、頻率，本設計中，脈沖信號的頻率設定原則為脈沖前沿與脈沖后沿的時間差需大于200ns，滿足該條件，脈沖的參數值可任意設置。

2.4 放大器電路及幅度控制介紹

在前述模擬開關章節中，已實現了具備邊沿陡峭、周期頻率可設的原始脈沖信號， 但是該脈沖信號的驅動能力較弱，因此，在后端采用功率運算放大器電路，對原始脈沖進行放大，提高脈沖的驅動能力。在本設計中，運算放大器選用APEX公司的PA119， 該放大器供電電源范圍為±15V 到±40V，保證了輸出脈沖信號的幅度范圍，實現信號在-40V～40V之間控制。同時，PA119 具備4A 的輸出能力，讓輸出的脈沖信號具備較強的負載能力。PA119 的壓擺率高達900V/us， 在對原始脈沖放大時， 可最大程度的降低邊沿的損耗。 經過實踐證明，初始脈沖經過該放大器后，可產生邊沿為49ns 的±40V 脈沖信號。

3 軟件設計

在大電流脈沖信號發生器設計中，軟件主要是ARM內部初始程序的編寫。ARM 的初始配置程序由C 語言進行軟件設計。 軟件在上電初始化后，等待人機交互接口的參數設定，待參數設定好后，對數模轉換芯片、模擬開關等硬件電路進行控制，實現信號的輸出，并且在顯示接口上顯示參數設定的結果，其邏輯框圖見圖4，上位機控制示意程序見圖5。

圖4 軟件控制邏輯

圖5 軟件界面

4 結束語

參照上述的設計思路， 進行了軟硬件實物驗證，結果表明，本設計基于PA119 放大器的快沿脈沖發生器具有電流大、邊沿陡、 體積小等特點， 并且該方式實現的脈沖發生器輸出的脈沖信號可精確的控制脈沖幅度， 還可實現對脈沖寬度及周期的控制，達到了預期的設計目的。