激光制导信号的跟随与保持电路

安 杨，强明辉，张盼盼，马江峰

(1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学甘肃省工业过程先进控制重点实验室，甘肃 兰州 730050；3.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048)

0 引言

随着现代战争模式的不断发展，制导炮弹是一种可满足未来信息化作战需求的智能武器，其精确性已成为现代化武器的标志之一。激光制导炮弹中采用的激光制导信号的脉宽为纳秒量级的窄脉冲，重复频率为千赫兹级，如果直接使用高速AD采集电路难以捕捉到窄脉冲的幅值，而且难以满足后续转换器件所需转换时间的要求，因此需要设计对窄脉冲信号的峰值保持电路[1]。

现代测量领域经常会用到峰值检测设备，准确且快速测量峰值对激光半主动制导的研究具有极其重要的意义。传统的峰值检测电路往往不能及时检测到其准确值，而且存在跟随性差、转换速率慢、动态范围大、采集速率低、非线性较大、动态范围和通频带较小等不足[2]，本文针对此问题提出了激光制导信号的跟随保持电路。

1 电路原理

目前峰值保持电路常用放大器主要有两种形式：电压型和跨导型。电压型峰值保持电路主要由电压放大器(A)、保持电容(C)、峰值检测二极管(D)和电压缓冲器(B)组成，电路原理如图1所示。对电压型峰值保持电路而言,电压放大器对输入电压Vin和输出电压Vout之间的电压差进行放大，输出为电压信号。若Vout小于Vin，则电压放大器输出的电压信号通过二极管D对电容C充电，若Vout大于Vin，二极管截止，电容上的电压保持不变[3]。

图1 电压型峰值保持原理Fig.1 Principle of voltage type peak hold

对于电压型峰值保持电路，第一级放大器为电压放大，信号从输入到反馈有一定的回路时间，在到达峰值时，电容上电压会在这段时间内继续变化，从而产生过冲。由于运算放大器的开环放大倍数通常较大，过冲电流较大且为非线性。从频域角度分析，二极管D和电容C组成的网络有一个极点，所以整个电路的通频带比较低，无法完成对高速窄脉冲信号的峰值保持[4]。电压型峰值保持电路的主要特点：电路的基本原理简单，但是积分非线性大，响应速度缓慢。

跨导型峰值保持电路结构主要由跨导放大器(G)、保持电容(C)、恒流源、二极管(D)和电压缓冲器(B)组成，电路原理如图2所示[5-6]。跨导放大器对输入电压Vin和输出电压Vout之间的电压差进行放大，输出为电流信号。若Vout小于Vin，则跨导放大器输出的电流信号通过二极管D对电容C充电，若Vout大于Vin，二极管不导通，电容C上的电压维持不变。恒流源I的作用是为跨导放大器提供静态回路[7-8]。

对于跨导型峰值保持电路，它将电压输入变为电流输出，当电容电压达到峰值时，电流已经趋于零，所以基本没有过冲。该电路的频率响应只有一个极点。另外，跨导型放大器的第一转折频率容易高，输出阻抗极大，其输出电流可近似认为与负载无关。 因此整个电路的通频带较高，且稳定性好，适合快速处理窄脉冲信号。跨导型峰值保持电路的主要特点：响应速度快、动态范围大和误差小等优点，但缺点是结构比较复杂。

图2 跨导型峰值保持原理Fig.2 Principle of transconductance voltage peak hold

2 电路设计

由于需要达到激光半主动制导脉冲信号的设计指标，峰值保持电路对输入信号脉宽为300 ns、脉冲峰值为10 mV～1.8 V、周期50 ms的激光脉冲信号进行跟随保持，所得出的输出信号脉宽达到1 ms之上，且输出信号通道一致性达到90%以上，相对误差处于3%～4%左右，且保持精度高。为了能应用于体积较小的制导炮弹导引头且能实现对高速窄脉冲信号的峰值保持，本文设计了一种跟随与保持电压型峰值保持电路，其思路遵循实用、快速、可靠的原则，在满足性能指标的前提下，保证峰值保持电路高可靠本质。

2.1 跟随与保持电路原理图

为使跟随保持电路的响应速度较快，因此需要对二极管、放大器及电压缓冲器有一定的参数要求，要求电压缓冲器及放大器必须有足够宽度的带宽，且需要采用一种高速肖特基二极管。本文所设计的电路主要由高速二极管、MAX4212放大器、电压缓冲器组成，电路原理如图3所示。

跟随保持电路可以通过R、C进行窄脉冲宽度调节，所选用的MAX4212运放为高速宽带运算放大器，其频带宽度为300 MHz-3 dB、电压转换速率为600 V/μs、增益的平稳度处于50 MHz-0.1 dB、正常的工作温度为-40～85 ℃、输出驱动约为±100 mA。因为二极管响应速度为几百皮秒、反向漏电电流为微安量级，当响应速度需要达到几个纳秒时，对于保持电容而言，电容的量级为皮法级。

图3 改进型电压型峰值保持电路Fig.3 Improved voltage peak hold circuit

2.2 跟随保持电路分析

传统峰值保持电路一般采用MAX4182运放和1N94二极管，经仿真发现保持电路未达到峰值保持的基本目标，其主要原因为未对窄脉冲进行快速实时地跟随，从而导致所需放大的波形与所采集的激光信号相位不一致[9-10]。为此本文对电路进行改进，增加前一级跟随电路，保证对窄脉冲相位进行跟随。该跟随与保持电路主要由两级电路构成，第一级为信号跟随电路，如图1中的A级；第二级为信号保持电路，如图1中的B级。第一级电路中的跟随器利用运放器来实现对信号的跟随，第二级电路主要利用二极管单向的导电性及电容充放电实现峰值保持。首先将纳秒级的激光回波脉冲信号进行展宽，达到微秒级左右的脉冲信号；其次将微秒级的信号进行展宽，得到1 ms左右的脉冲宽度，其目的是对目标激光点进行准确实时的跟踪[11-12]。

该积分电路一共由U3，D7，C2构成，从而达到峰值保持的目的。输入脉冲信号电压Va上升时，二极管D7及放大器U3对电容C2进行充电，使电容C2上的电压UC2max基本与输入电压Uamax相等，保证峰值信号与输入信号成线性的关系，同时提高电路处理小信号灵敏度的能力。输入电压Va

(1)

式(1)中，It为充电电流，T0为充电起始时刻，TC为充电时长，C为充电电容值。

(2)

式(2)中，Z为二极管及峰值保持电容的等效阻抗和[14-15]。

3 仿真验证

本文采用Pspice仿真软件，它是一款模拟电路仿真所需的软件，具有强大的电路图绘制功能、图形后处理功能、电路模拟仿真功能、元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。软件不仅适于做系统及电路级仿真，而且具有快速、操作简单、准确性高等优点。

当电路进行仿真后得出一组时域仿真图，如图4所示。图中测试点V1(U1:IN)记录波形为将要进行峰值保持的输入信号，脉宽为300 ns、峰值为1.0 V。测试点V2(U2:OUT)记录的为跟随窄脉冲的波形，测试点V3(U4:OUT)记录的波形为峰值经过保持后的信号。

如时域仿真图所示，改进型峰值保持电路基本可以达到对窄脉冲信号的跟随与保持，且保持效果良好。由图4(a)可知，窄脉冲信号峰值为1.0 V、脉冲宽度300 ns，经过跟随与峰值保持后，可以达到指标时长10 ms；由图4(b)可以看出保持后的信号幅值约为0.98 V，信号幅值衰减约2%且保持精度为98.0%，从时域仿真图可以得出改进型电压型峰值保持电路基本可以达到技术指标。

图4 时域仿真图Fig.4 Time domain simulation

通过仿真后发现电容及二极管参数的选取也会直接影响电路性能，若增大保持电容容值参数，则难以达到原有的峰值高度。相反，降低保持电容容值参数，则会降低保持时长。对二极管选型时，要优先选取反向漏电流、正向压降、PN结等效结电容小的。

4 电路测试与分析

根据跟随保持电路原理图，不仅完成了实际电路及电路的测量，而且得出了信号波形和测量数据，实测波形如图5所示，实际测量数据如表1所示。从图5(a)中可以看出，输入的窄脉冲信号峰值1.0 V、脉宽为300 ns；经过第一级信号跟随，从图5(b)中可以看出，需要保持的信号(CH1)基本对窄脉冲信号(CH2)进行了跟随，波形没有出现相位差和失真；经过第二级电路峰值保持后，从图5(c)中可以看出，信号幅值为0.97 V、脉宽为1 ms，保持精度误差为0.97%，待峰值保持1 ms后，电路输出恢复低电平，基本达到预先设计目标。因此，由以上电路及图形所得出的测试结果可以基本说明，改进型电压型峰值保持电路是可行的、正确的、稳定的。

图5 实测波形图Fig.5 Measured waveform

根据表1脉冲信号输入和输出的测试结果，可以得出18组不同的数据，经过数据结果可以推算出脉冲最大输出、最小输出的误差。脉冲测试次数和测试点数越多，对整个峰值保持电路精度的标定结果就越可信，因此对18组输出最小和最大误差数据进行标准误差数学分析。该峰值保持总精度的误差按下式计算：

(3)

经过计算后可以得出输出最小标准误差为0.968，最大标准误差为0.973，误差范围基本满足指标，达到了窄脉冲峰值保持的功能。

在实际测量时发现二极管在开断时存在反向漏电流，具体实际电路如图6所示，它的大小直接影响电路下垂速率；而且，二极管在正向导通期间，存在正向压降，它的数值也对保持电压产生影响。因此，应选择正向导通电压小、开关速度快、恢复时间短以及结电容小的二极管。对于保持电容而言，要选取绝缘电阻和容值较大的，这样不仅可以减缓电压的下垂速率，而且增加响应时间，从而达到峰值保持的功能。

表1 脉冲信号输入、输出及误差测试结果

图6 跟随与保持实际电路Fig.6 Follows and maintains the actual circuit

5 结论

本文提出了激光制导信号的跟随与保持电路，该电路结构简单、跟随性良好、工作稳定、性能完备、线性度好、响应速度快、保持精度高，而且具有一定的通用性，为其他相关设计提供了参考，可广泛应用于各种激光制导武器。理论分析与仿真验证结果表明，该电路可以实现将纳秒级脉宽的激光信号进行跟随与峰值保持，总误差不超过3%～4%，保持精度误差为0.97%，满足设计指标。