一种基于PA119 放大器的大电流脉冲发生器设计

2022-08-26徐碧辉秦友伦唐治海

机电产品开发与创新 2022年4期

徐碧辉，贾阳，秦友伦，唐治海

（1.中国兵器装备集团自动化研究所有限公司，四川绵阳 621000；2. 陆军装备部驻广元地区军事代表室，四川广元 628017）

0 引言

随着科学技术的飞速发展，芯片的性能得到了快速提升，现阶段已出现许多芯片可用于模拟信号的产生。在脉冲信号发生领域，也出现了大量可用于脉冲信号产生的芯片，用这些芯片设计的脉冲信号发生器，可广泛的用于各种信号模拟场合，例如干扰脉冲矩阵、引信模拟、振动模拟、碰撞模拟等。脉冲信号的幅度、边沿、负载能力都直接影响到模拟试验的结果。

现阶段，脉冲信号发生器大都采用功能MOSFET 搭建而成，这类脉冲发生器产生的脉冲信号或负载能力有限，或体积庞大，或幅度、边沿不可控，不利于重载模拟试验的开展。本文针对上述缺点，提出了一种负载能力强的高速脉冲发生器的方法，根据这种方法，可制造出一种信号边沿陡峭、负载能力强、幅度脉宽周期可调的脉冲信号发生器，该脉冲发生器适用于中各种低压的信号模拟场所，具有非常大的实用价值。

1 系统总体架构概述

本脉冲信号发生器前端采用ARM 芯片作为主控制器，搭配外围最小系统，实现设置所需信号的幅度、宽度等信息。后端用功率放大器、模拟开关、模数转换器、储能电路等电路对信号进行调理，最终可得所需信号。基于该方法设计的脉冲信号发生器，可产生一种信号幅度、信号宽度、信号周期均可调，且信号边沿不大于50ns，驱动能力可达4A 的信号发生器。图1 为系统结构示意图。

图1 系统结构示意图

2 系统硬件电路设计

从图1 中可以看出，该大电流脉冲发生器主要由ARM 芯片及周围器件、数模转换芯片、模拟开关、放大器、脉冲幅度控制等组成。

2.1 ARM 及周边电路介绍

在本设计的大电流脉冲信号发生器，主要采用ARM芯片来作为该脉冲发生器的核心处理器，该处理器的作用为接收外界的设置命令，运算处理，控制输出相应的指令，让后端电路响应该指令，输出所需的脉冲信号，具体实现方式如下：

图1 中，时钟为ARM 的系统时钟，主要是为ARM 的工作提供一个时间刻度，ARM 处理器能根据这个时钟刻度，进行数数，对脉冲周期、脉冲宽度、信号开关等信息进行设置。按键为系统的外置人机交互接口，通过该接口可对脉冲的幅度、周期、宽度等信息进行设置，用户可在该接口上对所需的信号进行参数设定。 JTAG 接口为ARM 的程序烧录接口，在脉冲信号发生器出厂前，可通过该接口对ARM进行初始化程序烧写，让ARM 在通电后可根据既定的程序逻辑进行运转。显示接口为用户互动接口，该接口为一个触控屏，用户可在该接口上对信号参数设定与查看，该接口是与上述的按键接口互为并列关系，用户根据自己的喜好，两种方式均可对信号参数进行设置。 ARM 为该大电流脉冲发生器收到按键或触控显示接口设置的脉冲相关信息后，在内部进行计算，将脉冲的幅度信息通过SPI 总线传输至数模转换器，将所需的脉冲开关指令、宽度指令发送至模拟开关，再经过后端的调理电路获得所需的信号。

2.2 数模转换电路介绍

在该大电流脉冲发生器中，数模转换电路主要是将数字信号转换为模拟电平信号。

这里数模转换芯片采用AD5620 芯片，AD5620 是一个12 位的数模转换芯片，采用单5V 电源供电，数字接口为SPI 接口，模拟输出为轨道轨的输出，其分辨率可达1.2mV，经过后端的低倍数放大，在本设计中，运算放大器的设计倍数为几倍，电压经后端运算放大器放大后，幅度的控制精度高于10mV，因此，在脉冲信号发生器前端，采用数模转换芯片来实现脉冲信号的原始电平，可大幅度提高输出脉冲信号的幅度精确度。

在本设计中，采用ARM 芯片设置参数，控制数模转换芯片输出的产生一个固定的参考电源，经后端运算放大电路放大，实现输出电压可设置的功能。

同时，在数模转换芯片后设计了超级电容，对数字信号经过数模转换器产生所需电压进行滤波储能，当后端模拟开关瞬间打开时，提供足够的电荷量，满足模拟开关打开所需的瞬态能力，防止模数转换芯片输出的参考电压源出现电源坍塌现象。

2.3 模拟开关

在本设计中，模拟开关的作用主要是用于原始脉冲信号的产生，这里的原始脉冲信号已具备输出脉冲信号所需的陡峭的边沿、脉冲的宽度、脉冲的周期等参数。具体电路图实现方式见图2。

图2 原始脉冲产生电路

选用TI 公司的TSA63157 芯片，具有体积小、价格低廉、开关速度快、控制简单等特点，在本设计中，主要选取该芯片的开关速率参数，该芯片在的打开与关断时间分别为5.7ns 和3.8ns，在这样极短的时间进行开关状态切换，为后续脉冲信号的陡峭边沿提供了有力的保障。如图2 所示，将前端数模转换电路、储能电路产生的电源参考接在模拟开关的常开管脚NO 处，模拟开关的常闭管脚NC 接地。在可视化软件中设置所需脉冲宽度、周期等信息，通过ARM 芯片的IO 脚控制开关接触点的接触位置，实现脉冲信号的原始脉冲。当ARM 芯片控制模拟开关的COM 脚接在模拟开关的常开NO 管脚时，COM 端输出高电平，且电平幅度等于NO 管脚的电压，当ARM 芯片控制模拟开关的COM 脚接在常闭NC 管脚时，COM 端输出低电平，且电平幅度等于NC 管脚的电压，且电平幅度为0V，依次类推，不断切换，那么在模拟开关的COM 脚端即可得到一个边沿陡峭的原始脉冲信号，实测模拟开关的信号边沿可达4.8ns，开关信号输出的波形图见图3。

图3 原始波形的信号边沿图

在脉冲信号的控制过程中，通过参数设定，控制ARM 芯片的IO 脚的高低切换频率，可实现模拟开关的输出高低切换。所需的脉冲周期、频率与ARM芯片控制模拟开关的触点切换频率、切换时间一致，即ARM 的IO 控制周期、频率就是输出脉冲信号的周期、频率，本设计中，脉冲信号的频率设定原则为脉冲前沿与脉冲后沿的时间差需大于200ns，满足该条件，脉冲的参数值可任意设置。

2.4 放大器电路及幅度控制介绍

在前述模拟开关章节中，已实现了具备边沿陡峭、周期频率可设的原始脉冲信号，但是该脉冲信号的驱动能力较弱，因此，在后端采用功率运算放大器电路，对原始脉冲进行放大，提高脉冲的驱动能力。在本设计中，运算放大器选用APEX公司的PA119，该放大器供电电源范围为±15V 到±40V，保证了输出脉冲信号的幅度范围，实现信号在-40V～40V之间控制。同时，PA119 具备4A 的输出能力，让输出的脉冲信号具备较强的负载能力。PA119 的压摆率高达900V/us，在对原始脉冲放大时，可最大程度的降低边沿的损耗。经过实践证明，初始脉冲经过该放大器后，可产生边沿为49ns 的±40V 脉冲信号。

3 软件设计

在大电流脉冲信号发生器设计中，软件主要是ARM内部初始程序的编写。ARM 的初始配置程序由C 语言进行软件设计。软件在上电初始化后，等待人机交互接口的参数设定，待参数设定好后，对数模转换芯片、模拟开关等硬件电路进行控制，实现信号的输出，并且在显示接口上显示参数设定的结果，其逻辑框图见图4，上位机控制示意程序见图5。