Генератор импульсов наносекундный своими руками

Генератор импульсов наносекундный своими руками

Существует класс экспериментальных задач, в которых требуется подавать импульсы накачки в катушку индуктивности, LC-контур или трансформатор только до окончания переходных процессов. В зависимости от подключения выходного ключа возможно решение и обратных задач. Для этого ниже предлагается генератор пачек импульсов или, как его ещё называют, прерыватель искры. От подобных данное устройство отличает стабильность выходных параметров и работа широком диапазоне. Достигается это за счёт постоения схемы на высокоскоростной логике 74HCXX.

Генератор позволяет:

• регулировать частоту импульсов в пачке — 1кГц .. 1Мгц, при этом длительность одиночных импульсов может достигать значение в 20нс;
• менять скважность импульсов в пачке 6,25 .. 50%;
• регулировать частоту повторения пачек импульсов — 300Гц .. 50кГц;
• менять число импульсов в пачке — 1 .. 8.

Обычно, этих параметров достаточно для решения подобных задач; о расширенных же возможностях генератора речь пойдёт ниже.

В схеме задействовано 2 микросхемы осуществляющих логику 2И-НЕ — DD1, DD2, два сдвиговых регистра DD3, DD4, и драйвер DA2 для усиления выходного сигнала. Если для выходного ключа (в схеме не нарисован) достаточно выходной мощности логической микросхемы, то драйвер DA2 и сопротивление R6 можно убрать. Питание логики осуществляет шим-стабилизатор DA1.

Логика работы схемы такая. Задающий генератор на DD1.1, DD1.3, DD1.4 подает импульсы на тактовый вход сдвигового регистра DD3. С его выходов мы берём импульсы для выходного инвертора и тактовые имульсы для следующего сдвигового регистра. В зависимости от положения переключателя SA3 выходной инвертор на DD2.1, DD2.2, DD2.4 открывается на время равное 1 .. 8 импульсов задающего генератора. После появления логической единицы на 13-й ножке DD3, на D-вход первого регистра начинает поступать логический ноль, поэтому вторые 8 импульсов задающего генератора последовательно заполняют выходы регистра нулями; выходной инвертор при этом находится в закрытом состоянии. Как только такой ноль появится на его 13-й ножке, следующий сдвиговый регистр DD4 получит тактовый импульс, а работа первого — повторится.

Его работа будет повторяться до тех пор, пока на входе DD2.3 не появится единица. Её появление определяет переключатель SA4, который подключает вход элемента DD2.3 к одному из выходов второго регистра. Число повторений и будет равно числу импульсов в пачке, что соответствует и номеру выхода в DD4. Эта единица переключит выход DD2.3 в ноль, который остановит работу задающего генератора и запустит процесс разрядки конденсатора C4(C5) через резисторы R3, R4.

Серия микросхем К1564 (КР1564) является полным аналогом импортной 74HC. Поэтому 74HC164 можно заменить на К1564ИР8, 74HC00 — на К1564ЛА3. Пятивольтовый стабилизатор LM7805 заменяется на КР142ЕН5А, а вместо диода 1N4148 можно установить любой ультрафаст — чем он быстрее, тем лучше. TC4429 можно заменить на TC4420, но, поскольку эта версия микросхемы сигнал не инвертирует, 2-ю ножку этого драйвера нужно подсоединить к ножке 6 DD2.2.

На схеме не показаны выводы питания микросхем. Они стандартные: 7 — минус питания (общий), 14 — плюс. Все минусы нужно соединить и подключить к общему проводу и к Gnd стабилизатора DA1. Все плюсовые выводы — к его Out (или +5V).

Если вы решили таки использовать драйвер DA2, то подключите две ёмкости по 0.1 мкФ прямо на выводы этой микросхемы: 1-4 и 8-5. Также, шунтирующую ёмкость (0.1 мкФ) желательно установить и на выводы питания задающего генератора, другими словами — подключить его на выводы 7-14 микросхемы DD1.

Если всё собрано правильно — устройство начинает работать сразу. Подстроечным резистором R1 нужно выставить верхнюю границу регулировки частоты импульсов в пачке так, чтобы на выходе задающего генератора, при минимальном переменном сопротивлении R2, были правильные прямоугольные импульсы.

Здесь возможны несколько вариантов.
Подключение к X2. Этот выход позволяет подключить достаточно мощный n-p-n транзистор в схеме с общим эмиттером. Выход подсоединяется непосредственно к его базе, а в коллектор могут включаться различные типы индуктивных нагрузок или параллельный LC-контур. Это подключение отличается крутыми фронтами у импульсов.

Подключение к X3. В этом случае, из-за промежуточного драйвера, фронт импульса будет более пологим, но зато X3 позволяет подключить MOSFET-ключ на любые ток и напряжение. Этот вариант позволяет решать не только задачи раскачки индуктивности, но и — съёма энергии с колебательной системы или с ёмкости. В схеме с общим истоком X3 соединяется непосредственно с затвором MOSFET-ключа.

Схема позволяет получить такие импульсы только на выходе X2. При этом переключатель SA1 должен находиться в крайнем левом (по схеме) положении, а SA3 должен находиться в положении с подключенной 3-ей ножкой в DD3; R1, R2 должны иметь минимальные значения. Паспортная частота микросхемы 74HC00 — 100 мГц, следовательно одиночный импульс теоретически может иметь длительность в 10 нс, практически и стабильно — 20 нс. Длительность между импульсами, как и в общем случае, регулируется переменным сопротивлением R4.

Если в схему добавить ещё два сдвиговых регистра, то возможности устройства расширяются. В приведенной ниже схеме увеличены диапазоны двух параметров: скважность импульса в пачке регулируется от 6,7 до 80%, а число импульсов в пачке может быть от одного до 16-ти.

Также, в разрыв цепи питания всей схемы можно вставить ещё один стабилизатор напряжения, например, LM7818 или LM7815. В этом случае верхняя граница питающего всё устройство напряжения увеличится с 20-ти до 36 Вольт.

Источник

2 Схемы

Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов

Генератор наносекундных импульсов

Представляем очень простой генератор наносекундных импульсов, который может быть использован для изучения явлений, связанных с измерениями электрических импульсов во время тестирования отклика высокоскоростных цепей — усилители осциллографа, кабели антенн и т. д.

Схема генератора импульсов нс

Основным препятствием для тестирования этих генераторов (их английское сокращение — TDR) обычно является отсутствие доступа или владения заводским измерительным прибором, ведь такое оборудование не является дешевым и доступным. Но сделав действительно небольшие затраты, можно самим построить такую измерительную систему. Так что для неё нужно? Разумеется, осциллограф, предпочтительно цифровой (хотя и не обязательно) с минимальной полосой пропускания 60 МГц (500 Мс -1 ГГц / с) и источником импульсов со временем нарастания не более 1 нс и длительностью 1-2 нс. Полагаем у каждого радиолюбителя есть такой осциллограф, поэтому остается вопрос: как сделать такой генератор импульсов?

Описание устройства

Вся схема основана на двух блоках. Первый блок представляет собой DC-DC преобразователь и он построен с использованием микросхемы LT1073, второй блок представляет собой генератора на базе транзистора 2N2369A от Моторола. Инвертор объекта подает переменное напряжение, которое затем повышается в цепи умножителя диодного напряжения (диоды D1-D3) до значения 90 В. Затем с этим напряжением работает импульсная генераторная схема.

Микросхема LTC1073 используется для получения напряжения + 90 В. Если найти её проблема или купить слишком дорого — эта часть схемы может быть заменена другим преобразователем, например построенным на ne555 или mc34096a.

Схема питается через резистора 1MOM (R5), который подает напряжение непосредственно на транзистор и конденсатор 2PF (C2) — когда он заряжается до напряжения около 50 В (UCE для 2n2369 составляет около 40 В) вызывается краткий пробой перехода К-Э транзистора T1 и возникает импульс (явление лавинного пробоя).

Этот повторяется каждые 10 мкс. Теперь, обратите внимание на номинал транзистора — 2N2369A, не каждый транзистор тут будет работать, многие другие транзисторы просто не хотели функционировать.

Выходное сопротивление точно настраивается на 50 Ом с помощью резистора эмиттера. Если кто-то хочет протестировать кабели с разными импедансами, надо подобрать значение резисторов R2, R3 для сопротивления кабеля (например, 75 Ом (2×150)).

Источник питания и корпус

Печатная плата генератора очень маленькая, на 42×18 мм. Сама схема может питаться напряжением от 1,5 до 3 В, в данном случае использовалась литиевая батарея CR2450. Весь генератор потребляет 5 мА и используя устройство в течение года, напряжение батареи остается на уровне 3 В. Конечно, если кто-то будет использовать его интенсивно, батарея быстро перестанет быстро обеспечивать требуемое напряжение.

Как видите на рисунках ниже, собранное устройство действительно мало и имеет общий размер 12x4x2,5 см. На рисунке показан модуль генератора, переключатель, светодиод, обозначающий включение источника питания и гнездо с батареей CR2450.

Измерения наносекундных импульсов

Ниже приведены результаты измерения. Первое измерение показывает генерируемый импульс, измерение времени нарастания около 13,3 нс, ограниченной ширины полосы осциллографа (200 МГц), общая длительность импульса составляет около 2,5 нс. Генератор, измеренный на осциллографе с полосой пропускания 2 ГГц (10 GS), показал Tr = 280 pS и общую длительность импульса 1 нс.

Другим является измерение открытого коаксиального кабеля с коэффициентом укорочения 0,66 (коэффициент укорочения — это значение, если электромагнитная волна «работает» медленнее в данной среде по отношению к вакууму) кабель RG 178. Общее измеренное время составляет 17 нс, чтобы рассчитать время распространения, это значение должно быть разделено на 2 (время для достижения отражения и возврата сигнала), которое мы получаем, так что 8,5 нс, теперь этого достаточно, чтобы умножить на скорость света (точнее, электромагнитную волну) и по коэффициенту укорочения кабеля, то есть 0,66. После расчетов получаем результат длины кабеля, равный 1,67 м (фактическая длина кабеля составляет 1,7 м), поэтому ошибка измерения составляет около 2%.

Последнее измерение касается установки антенного кабеля. Аналогично здесь отражение в конце и волнистости в середине измерения. Рассчитанные расстояния представляют собой соответственно разъем на расстоянии 2,2 м и молниеотвод на расстоянии 5,5 м и, наконец, антенну на расстоянии 9,2 м (эти измерения также точны до 3%).

Если отражение выше оси, это означает что кабель разорван, то есть импеданс >50 Ом (относительно выходного импеданса генератора), если под осью — короткое замыкание или импеданс Форум по электронике и автосхемам

Источник

Место силы

Меню навигации

Пользовательские ссылки

Информация о пользователе

Вы здесь » Место силы » Практика СЕ » Генератор наносекундных импульсов

Генератор наносекундных импульсов

Сообщений 1 страница 16 из 16

Поделиться12012-09-10 19:31:25

• Автор: 3D
• Администратор
• 
• Откуда: Ukraine
• Зарегистрирован : 2012-05-04
• Приглашений: 0
• Сообщений: 2884
• Уважение: +52
• Позитив: +110
• Возраст: 51 [1970-01-01]
• Провел на форуме:
  22 дня 10 часов
• Последний визит:
  Вчера 00:18:49

На лавинном диоде

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ НА ЛАВИННЫХ ДИОДАХ

А.С. Карауш, Р.В. Потемин, С.П. Лукьянов, О.П. Толбанов

Представлен генератор видеоимпульсов наносекундной длительности, амплитудой от 40 до 300 В (в зависимости от типа используемого лавинного диода). Предложен в качестве ключевого элемента генератора лавинный GaAs диод (S-диод). Рассмотрены особенности работы генератора на S-диоде, предложены варианты по увеличению стабильности его работы.

В последние годы все большее развитие получают дистанционные неразрушающие методы интроскопии материальных сред, предполагающие использование силовой субнаносекундной импульсной техники. До сих пор существует также проблема возбуждения СВЧ-приборов, полупроводниковых лазеров и светодиодов, управления электрооптическими затворами, модуляторами, формирователями линейных разверток скоростных осциллографов и т. д..
Решение вышеперечисленных задач требует развития силовой субнаносекундной техники в сторону обеспечения большей пиковой и средней мощности, пикосекундного быстродействия, и все это при улучшении массогабаритных показателей и достижении более высокой эффективности устройств.

В настоящей работе авторы предлагают вниманию исследования, связанные с созданием импульсных устройств на основе достаточно нового класса полупроводниковых импульсных лавинных диодов (ДПИЛ или S-диоды ), обеспечивающих большие перепады тока при переходе из режима «выключено» в режим «включено». По совокупности параметров быстродействия и мощности ДПИЛ превосходят традиционно используемые полупроводниковые приборы.
Отличительной особенностью ДПИЛ является наличие в обратной ветви вольт-амперной характеристики участка отрицательного дифференциального сопротивления S-типа, разделяющего два устойчивых состояния: высокоомное с R

10 *9 Ом и проводящее с R

10 Ом.
Переключение ДПИЛ из одного состояния в другое происходит при достижении напряжения смещения выше порогового U=Uп, где Uп-напряжение переключения в проводящее состояние, достаточного для формирования лавинного пробоя. При переходе S-диода из «закрытого» состояния в «открытое» формируется мощный импульс тока до 15 А на согласованной нагрузке.
Известны ДПИЛ, которые позволяют получать видеоимпульсы с фронтом нарастания 0,1- 2 нс, при напряжениях включения 40. 900 В и с частотами работы до 200 кГц. Благодаря низкому внутреннему сопротивлению в момент пробоя ДПИЛ, имеется возможность получать высокий КПД (реально 60-80%).
В основе механизма образования участков с отрицательным сопротивлением диода лежат процессы, связанные с перезарядкой глубоких центров с последующим формированием и распространением в структуре ДПИЛ волн ударной ионизации. Фронт лавины носителей заряда распространяется через базовую область структуры со скоростью в 2-7 раз превышающей предельную скорость дрейфа свободных носителей заряда в электрическом поле, V=8х10*6 В/См.
Если плотность тока в структуре i=10*4 А/См*2, то время переключения ДПИЛ может достигать tп

(0,1-0,3)tпр, где tпр=d/Vm — время пролета носителей заряда через высокоомный слой толщиной (d) c максимальной дрейфовой скоростью (vm).
При плотности тока в импульсе равном i=4х10*3 А/См*2 выполняется условие tп=tпр. К недостаткам S-диодов можно отнести зависимость напряжения включения S-диода от частоты повторения запускающих импульсов. Возможным способом устранения этого недостатка является подача обратного напряжения смещения. Кроме этого, наблюдается зависимость длительности фронта формируемого импульса и эффективности прибора от сопротивления нагрузки.

Структурная схема генератора наносекундных видеоимпульсов с амплитудой от 80 до 320 В и длительностью переднего фронта до 0,5 нс на основе серийно выпускаемого S-диода 3Д530А представлена на рисунке 1.

Схема управления ключевым каскадом — Импульс запуска ( 5В, 50. 1000нс)Формировательсинхроимпульса Схема формирования управляющего напряжения запуска S-диодаСхема формированияотрицательного смещения S-диода S-диод Синхроимпульс- 25 ВВыход Ключевойтрансформатор-ный каскад.
Схема формирования импульса запуска предназначена для выработки управляющего напряжения ключевого каскада. На выходе трансформаторного ключевого каскада формируется импульс с фронтом 50 нс и амплитудой напряжения, достаточной для включения S-диода. В момент включения S-диода на выходе схемы формируется импульс с длительностью переднего фронта 0,5 нс и амплитудой равной Uп.
В то же время по фронту мощного импульса за счет обеспечения индуктивной связи между цепью S-диода и схемой формирования синхроимпульса формируется импульс амплитудой 5В и длительностью 10-100нс.
Для ускорения процесса восстановления высокого сопротивления S-диода на него подается отрицательное смещение. Питание генератора осуществляется от трех источников напряжений +5В, +25В и -25В. Потребляемая мощность генератора при частоте повторения 100 кГц составляет не более 5 Вт.

На рисунке 2 показана принципиальная схема генератора. Схема формирования по длительности импульса запуска выполнена на быстродействующей микросхеме DD1. Для изготовления импульсного трансформатор Т1 ключевого каскада использован ферритовый тороидальный сердечник 100ВЧ К16х8х6 ГОСТ 17141-76.
Первичная обмотка содержит 1 виток провода, а вторичная обмотка состоит из 80..100 витков в зависимости от требуемой величины напряжения запуска. Синхроимпульс на затворе транзистора VT2 формируется в момент резкого изменения величины тока, поступающего в нагрузку.
Выход генератора должен быть согласован с симметричной нагрузкой с волновым сопротивление 25 Ом, согласно данным таблицы 1.

Таблица 1

Зависимость параметров формируемых импульсов от величины сопротивления нагрузки (для S-диода с напряжением включения 120 В [2]). Согласно [2], формируемая амплитуда импульсов на выходе S-диода падает на 30-40% при увеличении частоты с 25 до 100 кГц.

Стабилизация амплитуды формируемых импульсов на выходе S-диода достигается подачей отрицательного смещения амплитудой 25 В, для более быстрого восстановления высокого сопротивления диода.

При использовании схемы отрицательного смещения амплитуда формируемых импульсов изменяется не более 10%.
В таблице 3 приведены результаты исследования напряжения включения S-диода при изменении частоты повторения, для нагрузки с сопротивлением 25 Ом.

Проведенные исследования позволили создать генератор мощных наносекундных видеоимпульсов на основе использования S-диодов с улучшенными тактико-техническими и экономическими показателями по сравнению с известными.
Такие генераторы могут найти широкое практическое применение и в других областях, например в качестве устройств запуска для мощных тиратронов и разрядников, для накачки полупроводниковых лазеров, для систем широкополосной радиолокации и ультразвуковой локации.

Источник