基于微带传输线的皮秒脉冲采样系统及其采样方法
【专利摘要】本发明适用于数据采集领域，提供了基于微带传输线的皮秒脉冲采样系统，包括微带传输线、耦合电容C01、耦合电容C02、分压器件Ra、采样模块A1至Ak、触发器和方波产生器；所述分压器件Ra的一端接正电压，另一端同时接所述微带传输线的第一端和所述触发器的输入端，所述耦合电容C01的一端接被测信号端子，另一端接所述微带传输线的第一端；所述触发器的输出端与所述方波产生器的输入端相连，用于触发所述方波发生器产生方波信号；所述耦合电容C02的一端与微带传输线的第二端相连，另一端与所述方波产生器的输出端相连；所述k个接收点与采样模块A1至Ak一一对应连接。所述的皮秒脉冲采样系统不仅结构简单，而且选通信号简单。
【专利说明】基于微带传输线的皮秒脉冲采样系统及其采样方法
【技术领域】
[0001]本发明属于数据采集【技术领域】，尤其涉及基于微带传输线的皮秒脉冲采样系统及其采样方法。
【背景技术】
[0002]皮秒脉冲具有脉冲宽度极窄、不可重复再现等特性。要在皮秒量级的时间内将脉冲波完全采样非常困难。
[0003]现有的采用微带线的皮秒脉冲采样设备是以4个二极管构成的桥式电路作为采样模块，通过一系列选通信号开/关桥式电路以锁住脉冲信号的信息，所采用的选通信号必须是一对严格对称的窄脉冲信号。如果一条微带线上有N个采样点，则需要有N个桥式电路以及N对选通信号(严格对称的窄脉冲选通信号)，且N对选通信号必须保持严格的时序与严格的时间间隔。因此必须要求4N个二极管的特性一致性好，且2N个选通脉冲的参数(脉冲宽度与幅度)一致性好。这种方法在理论上来说是行得通的，但在现实操作中是非常困难的。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的第一个技术问题在于提供基于微带传输线的皮秒脉冲采样系统，旨在解决现有设备无法完整地对皮秒脉冲信号进行采样的问题。
[0005]本发明是这样实现的，基于微带传输线的皮秒脉冲采样系统，其中，该皮秒脉冲采样系统包括微带传输线、耦合电容C01、耦合电容C02、分压器件Ra、采样模块Al至采样模块Ak、触发器和方波产生器；
[0006]所述分压器件Ra的一端接正电压，另一端同时接所述微带传输线的第一端和所述触发器的输入端；所述耦合电容COl的一端接被测信号端子，另一端接所述微带传输线的第一端，用于耦合输入信号至所述微带传输线；所述触发器的输出端与所述方波产生器的输入端相连，用于触发所述方波发生器产生方波信号；所述耦合电容C02的一端与所述微带传输线的第二端相连，另一端与所述方波产生器的输出端相连，用于耦合方波至所述微带传输线；
[0007]所述微带传输线上分布有k个接收点，所述k个接收点与所述采样模块Al至采样模块Ak—一对应连接。
[0008]进一步地，所述采样模块Al至采样模块Ak中，每个采样模块均包括:二极管D、电容C和电阻Rb ；
[0009]所述二极管D的阳极与所述微带传输线上相应的接收点相连，所述二极管D的阴极分别与所述电容C的第一端、电阻Rb的一端相连,所述电容C的第一端作为米样点A,所述电容C的第二端、所述电阻Rb的另一端均接地。
[0010]进一步地，所述触发器包括一阈值调节器，所述阈值调节器用于调节所述触发器的触发阈值，当输入信号的幅度超过触发阈值时，触发器将输出一个信号至方波产生器，使其产生一个负极性的方波。
[0011]进一步地，所述方波产生器包含幅度调节器和延时调节器；
[0012]所述幅度调节器用于调节所述方波产生器所产生的方波的幅度；
[0013]所述延时调节器对所述方波产生器产生的方波进行延时。
[0014]进一步地，所述方波产生器为负极性方波产生器。
[0015]进一步地，所述方波产生器产生的方波的宽度为所述方波在所述微带传输线上的传输时间Tw。
[0016]本发明所要解决的第二个技术问题还在于提供如上所述的皮秒脉冲采样系统的采样方法，其中，所述采样方法包括下述步骤:
[0017]步骤A:向分压器件Ra的一端通入直流电压，使每个采样模块中的二极管D保持正向导通；
[0018]步骤B:从耦合电容COl的一端输入被测信号，当所述被测信号从微带传输线的第一端传输至微带传输线的第二端时，各个采样模块的电容C上均记录有对应时刻的信号电压数值；
[0019]步骤C:当被测信号达到微带传输线的第二端时，方波产生器从电容C02的一端输入负极性的方波，并由微带传输线的第二端向第一端传播；当负极性的方波达到二极管D时，使得二极管D反向截止，电容C进入保持状态，并保留被测信号的信息；随着负极性方波向所述微带传输线的第一端传输，采样模块Ak至采样模块Al依次完成对信号的采样保持工作；
[0020]步骤D:从采样模块Al至采样模块Ak中的各个采样点提取采样信息。
[0021]本发明所要解决的第三个技术问题还在于提供基于如上所述的皮秒脉冲采样系统的皮秒脉冲信号产生方法，其中，所述皮秒脉冲信号产生方法包括以下步骤:
[0022]步骤1:耦合电容COl的一端空置；
[0023]步骤2:通过分压器件Ra的一端向所述微带传输线提供一持续的正直流电压，使每一采样点上均有一正直流电平信号；采样点上的正直流电平即为所产生的皮秒脉冲信号的高电平。
[0024]步骤3:从耦合电容C02的一端输入关门方波信号，并由微带传输线的第二端向第一端传播，使采样点上的信号依次变为负直流电平信号；采样点上的负直流电平即为所产生的皮秒脉冲信号的低电平。输入的关门方波信号的宽度即为所产生的皮秒脉冲信号的低电平宽度。
[0025]步骤4:所述关门方波传播结束后，采样点上恢复为正直流电平信号；
[0026]步骤5:所述采样点上出现的负的、宽度为关门方波信号的为所述的皮秒脉冲方波信号。前一次关门方波信号的结束点与后一次关门方波信号的开始点之间的间隔即是所产生的皮秒脉冲信号的高电平宽度。
[0027]本发明与现有技术相比，有益效果在于:
[0028]1、结构简单，尤其是采样模块中的电路只使用了一个二极管；
[0029]2、选通信号简单，所述的皮秒脉冲采样系统只需要产生一个前、后沿快的信号，其宽度比较宽，产生比较容易，对幅度也没有严格的要求，避免了产生一对严格对称窄脉冲信号的问题；[0030]3、所述的皮秒脉冲采样系统中被测信号与关断信号是相对传输的，所以相同的采样间隔对应的微带线长度只有现有技术方案的一半，在设计与制作PCB电路时更加简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是本发明一实施例提供的皮秒脉冲采样系统的连接关系图；
[0032]图2是本发明另一实施例提供的皮秒脉冲采样系统的连接关系图；
[0033]图3是本发明又一实施例中各米样点上产生的皮秒脉冲信号与各皮秒脉冲信号之间时间差的示意图。
【具体实施方式】
[0034]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0035]如图1所示，基于微带传输线的皮秒脉冲采样系统，其中，该皮秒脉冲采样系统包括微带传输线101、稱合电容CO 1、稱合电容C02、分压器件Ra、米样模块Al至米样模块Ak、触发器102和方波产生器103。分压器件Ra为电阻，用来给采样模块中的二极管提供偏置电压。分压器件Ra的一端接正电压V，所述正电压为直流正电压，且保持所述分压器件Ra的一端处于直流电压上。另一端同时接微带传输线101的第一端和触发器102的输入端，使采样模块中的二极管处于平时导通状态，所述耦合电容COl的一端接被测信号端子Vin，另一端接微带传输线101的第一端，用于耦合输入信号至所述微带传输线101 ;所述触发器102的输出端与所述方波产生器103的输入端相连,用于触发所述方波发生器103产生方波信号。所述耦合电容C02的一端与所述微带传输线101的第二端相连，另一端与所述方波产生器103的输出端相连,用于稱合方波至所述微带传输线101。微带传输线101上分布有k个接收点，分别为接收点Xl至接收点Xk，k个接收点与采样模块Al至采样模块Ak —一对应连接。在待机状态时，+V通过电阻Ra和电阻Rbl至电阻Rbk使二极管Dl至二极管Dk保持正向导通，采样点Al至采样点Ak上有一定的直流正电压。
[0036]图2示出了采样模块的一种具体电路结构，采样模块Al至采样模块Ak中，每个采样模块均包括:二极管D、电容C和电阻Rb。例如，采样模块Al中的为二极管D1、电容Cl和电阻Rbl，采样点为Al ;采样模块A2中的为二极管D2、电容C2和电阻Rb2，采样点为A2 ;采样模块A3中的为二极管D3、电容C3和电阻Rb3，采样点为A3 ;依次类推，采样模块Ak中的为二极管Dk、电容Ck和电阻Rbk,采样点为Ak。
[0037]在采样模块Al中，微带传输线101的接收点Xl与二极管Dl的阳极相连，二极管Dl的阴极分别与电容Cl的第一端、电阻Rbl的一端相连，电容Cl的第一端作为米样点Al,电容Cl的第二端、电阻Rbl的另一端均接地。
[0038]在采样模块A2中，微带传输线101的接收点X2与二极管D2的正极相连，二极管D2的负极分别与电容C2的第一端、电阻Rb2的一端相连，电容C2的第一端作为米样点A2,电容C2的第二端、电阻Rb2的另一端均接地。
[0039]在采样模块A3中，微带传输线101的接收点X3与二极管D3的正极相连，二极管D3的负极分别与电容C3的第一端、电阻Rb3的一端相连，电容C3的第一端作为米样点A3,电容C3的第二端、电阻Rb3的另一端均接地。
[0040]依次类推，在采样模块Ak中，微带传输线101的接收点Xk与二极管Dk的正极相连，二极管Dk的负极分别与电容Ck的第一端、电阻Rbk的一端相连，电容Ck的第一端作为采样点Ak，电容Ck的第二端、电阻Rbk的另一端均接地。
[0041]与上述各实施例相结合，触发器102还可包括一阈值调节器201，所述阈值调节器201用于调节所述触发器102的触发阈值，所述触发器102在相应的阈值点产生启动信号。所述方波产生器103包含幅度调节器202和延时调节器203 ;所述幅度调节器202用于调节方波产生器103产生的方波的幅度；所述延时调节器203将所述方波产生器103产生的方波进行延时。
[0042]当被测信号进入微带传输线101时，向右传输。带有可调阈值的触发器102(Trigger)在一定的阈值点产生启动信号，推动后面的方波产生器103，产生的方波经过延时调节器203的一定延时后送至微带传输线101的末端。当被测信号传输至微带传输线101的末端，各个采样的电容Cl至电容Ck上均已记录了对应的信号电压数值。此时所述方波产生器103从电容C02的一端输入负极性的方波，并由微带传输线101的第二端向第一端传播。
[0043]当负极性的方波达到二极管Dk时，将令二极管Dk反向截止，采样的电容Ck进入保持状态，其上的直流电位将由正值转为很小的负值，并保留被测信号的信息。类似的，随着负极性方波向左传输，二极管将按照Dk、Dk-1、……、D2、Dl的顺序依次截止，对应的采样电容Ck、Ck-l、……、C2、C1依次进入保持状态，完成对整个信号的采样工作。
[0044]本发明中，方波产生器103为负极性方波产生器。负极性方波的宽度为其在微带传输线101上的传输时间Tw,从而可以保证每一路信号的米样、变换时间不小于Tw,直接实现了采样由“快速”向“慢速”的转变。
.[0045]本发明的基于微带传输线的皮秒脉冲米样系统不仅可以米样皮秒脉冲，同样也可以变为皮秒脉冲信号发生器。
[0046]对所述皮秒脉冲信号发生器的原理进一步说明如下:当微带传输线不输入任何信号，由分压器件Ra在微带传输线上提供一个适当的直流电压时，采样点上将出现一个正直流电平信号。当关门方波信号到达后，二极管关断，采样点上的信号将转变为一个负的直流电平。当关门方波信号过去后，又恢复为正性的直流电平。其结果是采样点上出现了一个负性的、宽度为关门方波信号的脉冲方波，各个采样点的皮秒脉冲信号波形如图3所示，皮秒脉冲信号的频率与占空比由方波产生器决定。其特点是:k个采样点上出现的方波的前沿(即下降沿)的时间差等于关门信号在微带线上两个相邻点之间传播的时间，即k个方波的时间差是皮秒量级的。通过控制关门方波的产生周期(这里还需要其他的电路作为辅助，如断开触发器与微带线的连接，另外在触发器的输入端接入一个周期可调的信号发生器)，可以控制皮秒脉冲的周期。如果再控制关门方波的宽度，可以控制皮秒脉冲的宽度。
[0047]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.基于微带传输线的皮秒脉冲采样系统，其特征在于，该皮秒脉冲采样系统包括微带传输线、稱合电容C01、稱合电容C02、分压器件Ra、米样模块Al至米样模块Ak、触发器和方波产生器； 所述分压器件Ra的一端接正电压，另一端同时接所述微带传输线的第一端和所述触发器的输入端；所述耦合电容COl的一端接被测信号端子，另一端接所述微带传输线的第一端，用于耦合输入信号至所述微带传输线；所述触发器的输出端与所述方波产生器的输入端相连，用于触发所述方波发生器产生方波信号；所述耦合电容C02的一端与所述微带传输线的第二端相连，另一端与所述方波产生器的输出端相连，用于耦合方波至所述微带传输线； 所述微带传输线上分布有k个接收点，所述k个接收点与所述采样模块Al至采样模块Ak——对应连接。
2.根据权利要求1所述的皮秒脉冲采样系统，其特征在于，所述采样模块Al至采样模块Ak中，每个采样模块均包括:二极管D、电容C和电阻Rb ; 所述二极管D的阳极与所述微带传输线上相应的接收点相连，所述二极管D的阴极分别与所述电容C的第一端、电阻Rb的一端相连,所述电容C的第一端作为米样点A,所述电容C的第二端、所述电阻Rb的另一端均接地。
3.根据权利要求1所述的皮秒脉冲采样系统，其特征在于，所述触发器包括一阈值调节器，所述阈值调节器用于调节所述触发器的触发阈值，当输入信号的幅度超过触发阈值时，触发器将输出一个信号至方波产生器，使其产生一个负极性的方波。
4.根据权利要求1所述的皮秒 脉冲采样系统，其特征在于，所述方波产生器包含幅度调节器和延时调节器； 所述幅度调节器用于调节所述方波产生器所产生的方波的幅度； 所述延时调节器对所述方波产生器产生的方波进行延时。
5.根据权利要求1所述的皮秒脉冲采样系统，其特征在于，所述方波产生器为负极性方波产生器。
6.根据权利要求1所述的皮秒脉冲米样系统，其特征在于，所述方波产生器产生的方波的宽度与所述方波在所述微带传输线上的传输时间相等。
7.基于权利要求2至6任一项所述的皮秒脉冲米样系统的米样方法,其特征在于，所述采样方法包括下述步骤: 步骤A:向分压器件Ra的一端通入直流电压，使每个采样模块中的二极管D保持正向导通； 步骤B:从耦合电容COl的一端输入被测信号，当所述被测信号从微带传输线的第一端传输至微带传输线的第二端时，各个采样模块的电容C上均记录有对应时刻的信号电压数值； 步骤C:当被测信号达到微带传输线的第二端时，方波产生器从电容C02的一端输入负极性的方波，并由微带传输线的第二端向第一端传播；当负极性的方波达到二极管D时，使得二极管D反向截止，电容C进入保持状态，并保留被测信号的信息；随着负极性方波向所述微带传输线的第一端传输，采样模块Ak至采样模块Al依次完成对信号的采样保持工作；步骤D:从采样模块Al至采样模块Ak中的各个采样点提取采样信息。
8.基于权利要求1至6任一项所述的皮秒脉冲采样系统的皮秒脉冲信号产生方法，其特征在于，所述皮秒脉冲信号产生方法包括以下步骤: 步骤1:耦合电容COl的一端空置； 步骤2:通过分压器件Ra向所述微带传输线提供一持续的正直流电压，使每一采样点上均有一正直流电平信号；采样点上的正直流电平即为所产生的皮秒脉冲信号的高电平。 步骤3:从耦合电容C02的一端输入关门方波信号，并由微带传输线的第二端向第一端传播，使采样点上的信号依次变为负直流电平信号；采样点上的负直流电平即为所产生的皮秒脉冲信号的低电平，输入的关门方波信号的宽度即为所产生的皮秒脉冲信号的低电平宽度。 步骤4:所述关门方波传播结束后，采样点上恢复为正直流电平信号； 步骤5:所述采样点上出现的负性、宽度为关门方波信号的为所述的皮秒脉冲方波信号，前一次关门方波信号的结束点与后一次关门方波信号的开始点之间的间隔即是所产生的皮秒脉冲信号的高 电平宽度。
【文档编号】H03K3/64GK103427802SQ201310314002
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年7月24日 优先权日:2013年7月24日
【发明者】陈羽, 尹林枫 申请人:深圳大学