一种脉宽可调的高压方波发生器及高压方波发生方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高压方波发生器及发生方法，尤其涉及一种适用像增强器阴极门控信号的产生方法和紧凑型电路。
【背景技术】
[0002]像增强器具有很高的增益，可以将微弱的光信号增强至适合人眼观察或图像传感器记录的亮度。像增强器主要由光阴极、MCPWicrochannelPlate，微通道板)和荧光屏组成。像增强器通过施加阴极门控信号，提升了分辨率与灵敏度，使其应用范围拓展至国防安全、工业、科研、医疗等领域。阴极门控像增强器仅在阴极门控脉冲为低时处于工作状态，门控脉冲为高时处于待机状态。这样一方面可以在高亮度环境下自适应成像、降低器件功耗；另一方面可以通过极窄的门控脉冲来捕获瞬态图像，以实现科研实验中所需要的高速摄影或选通成像。门控脉冲施加在像增强器的光阴极，对光阴极进行门控可以获得较高的效率，其阴极门控脉冲信号的宽度决定成像系统的时间分辨，光阴极正常工作时需要施加约200V的负电压，待机时需要施加50V正电压因此相应的门控脉冲为幅度在+50V至-200V左右的高压高速脉冲，且高压脉冲应具有快前沿与快后沿，门控高压脉冲发生器输出脉冲的宽度随输入脉冲宽度可调。
[0003]现有门控脉冲产生常用的主要有雪崩三极管(吴侃，邵冲，李新碗.用雪崩三极管电路生成高压负脉冲技术研究.电子技术，2009，46)、雪崩二极管结合三极管(蔡厚智，刘进元，超快脉冲电路的研制及应用.深圳大学学报理工版2010.01)和MOSFET (杜继业，宋岩，罗通顶，郭明安.像增强器高速选通脉冲发生器.现代应用物理2013.09;刘春平，李爽，李景镇，一种用于高速摄影仪的快门脉冲发生器.深圳大学学报理工版2013.02)等三种方式。雪崩管实现方式可产生较快的前后沿以及较小的脉宽，但存在脉宽靠电容或电缆长度调节的缺点，不能受触发脉冲调节；现有MOSFET实现方式可产生高重频脉冲、脉冲宽度受控调节的优点，但产生的脉冲宽度调节受限、采用单级或多级单路驱动以致前后沿较慢、最小脉冲宽度较大、需要外接高压电源、体积较大以及重复频率较低等缺点。
【发明内容】
[0004]为了解决现有高压方波发生器不受触发脉冲调节或脉冲宽度调节受限的技术问题，本发明公布了一种基于脉宽可调的脉宽可调的高压方波发生器及高压方波发生方法。
[0005]本发明的技术解决方案为:
[0006]—种脉宽可调的高压方波发生器，包括触发输入单元、电源输入单元、高压脉冲成形单元及驱动单元，其特殊之处在于:
[0007]所述高压脉冲成形单元包括MOSFET推挽电路，所述MOSFET推挽电路包括高压端电路和低压端电路，所述高压端电路的入口处设置有用于与驱动信号耦合和高压隔离的高压端耦合电容，所述低压端电路的入口设置有用于与驱动信号耦合和高压隔离的低压端耦合电容，
[0008]所述驱动单元利用触发输入单元的输出信号产生加速高压端电路中MOSFET管截止的中压驱动信号Q4、维持高压端电路中的MOSFET管截止的中压驱动信号Q2、高压端电路中的MOSFET管的中压驱动信号Q6 ;加速低压端电路中的MOSFET管导通的中压驱动信号Q3、维持低压端电路中的MOSFET管导通的中压驱动信号Q1及低压端电路中的MOSFET管的中压驱动信号Q5，
[0009]Q4连接在高压端电容的一端，Q2和Q6连接在高压端电容的另一端，
[0010]Q3连接在低压端电容的另一端，Q1和Q5连接子在低压端电容的另一端。
[0011]以上为本发明的基本方案，基于该基本方案，本发明还做出以下优化限定:
[0012]为了获得更加快的前后沿，高压脉冲成形单元的驱动单元包括初级驱动信号产生单元和次级驱动信号产生单元；
[0013]所述初级驱动信号产生单元包括8通道缓冲电路、单稳态电路及缓冲电路，所述8通道缓冲电路将触发信号分成8路并输出8路TTL信号，所述单稳态电路用于脉冲宽度展宽与延迟，所述缓冲电路用于增加输出电流；
[0014]8路TTL信号中的两路信号S1、S2由触发信号直接倒相，8路TTL信号中的另外3路信号的信号前沿利用单稳态电路形成前沿脉冲S3、后沿脉冲S4及S7，S3的前沿与S4及S7的后沿对齐，S4及S7的前沿与触发信号的前沿对齐；8路TTL信号中的其余3路信号的后沿利用单稳态电路形成前沿脉冲S5、S8及后沿脉冲S6，S5及S8的前沿与触发脉冲的后延对齐，S6的前沿与S5及S8的后沿对齐；
[0015]所述次级驱动信号产生单元包括2路推挽电路和4路单管MOSFET开关电路；S1、S2、S7、S8直接输出至4路单管MOSFET开关电路分别产生维持低压端电路中MOSFET管导通的中压驱动信号Q1、维持高压端电路中MOSFET管截止的中压驱动信号Q2、低压端电路中MOSFET管的中压驱动信号Q5、高压端电路中MOSFET管的中压驱动信号Q6 ;S3、S4输出至一个推挽电路产生加速低压端电路中MOSFET管导通的中压驱动信号Q3，S5、S6输出至一个推挽电路产生加速高压端电路中MOSFET管截止的中压驱动信号Q4。
[0016]进一步的，为了实现电源的紧凑型和小型化，本发明的电源输入单元包括12V直流电源和DC/DC电路，所述DC/DC电路用于将12V直流电源变换成5V、50V、-200V直流电源；所述5V直流电源送入初级驱动产生电路，50V直流电源和-200V直流电源用于次级驱动产生单元产生电路和高压脉冲成形单元的供电。
[0017]再进一步的，本发明的DC/DC电路包括二次电源调整电路、偏压产生电路和高压产生电路，分别用于将12V直流电源变换成5V、50V、-200V直流电源。
[0018]再进一步的，为了实现器件的小型化，本发明的高压方波发生器设置在采用层叠式结构三块电路板上，其中一块电路板采用四层设计，顶层放置电源输入单元和另外两块分别放置DC-DC电路的电路板，中间为电源分割层和地，底层为初级驱动产生单元、次级驱动产生单元和高压脉冲成形单元。
[0019]再进一步的，8通道缓冲电路为非门电路。
[0020]再进一步的，触发输入单元包括外部触发接口和匹配电路；所述外部触发接口用于连接计算机或信号源；所述匹配电路用于输入触发信号的匹配。
[0021]—种脉宽可调的紧凑型高压方波发生方法，其特殊之处在于:包括以下步骤:
[0022]1)触发输入:
[0023]输入具有一定脉冲宽度的外部触发信号；
[0024]2)产生初级驱动信号S1-S8:
[0025]利用D触发器，将外部触发信号转换为8路TTL脉冲信号作为初级驱动信号，
[0026]8路TTL脉冲信号中的两路信号S1、S2由触发信号直接倒向，8路TTL信号中的另外3路信号利用触发信号前沿形成前沿脉冲S3、后沿脉冲S4、S7，S3的前沿与S4及S7的后沿对齐，S4及S7的前沿与触发信号的前沿对齐；8路TTL信号中的其余3路信号利用触发信号后沿形成前沿脉冲S5、S8及后沿脉冲S6，S5及S8的前沿与触发脉冲的后延对齐，S6的前沿与S5及S8的后沿对齐；
[0027]3)产生次级驱动信号Q1-Q6:
[0028]第一路信号S1经过P通道MOSFET管开关电路产生中压驱动信号Q1，用于维持低压端电路中的MOSFET管的导通，Q1与S1时序关系相同，只是通过P通道MOSFET管开关电路加大了驱动功率，电压和电流增强；
[0029]第二路信号S2经过N通道MOSFET管开关电路产生中压驱动信号Q2，用于维持高压端电路中的MOSFET管的截止，Q2与S2时序关系相同，只是通过N通道MOSFET管开关电路加大了驱动功率，电压和电流增强；
[0030]第三路信号S3和第四路信号S4经过MOSFET对管构成的推挽电路产生中压驱动信号Q3，用于加速低压端电路中的MOSFET管的导通，Q3是S3与S4驱动经过MOSFET对管构成的推挽电路产生的信号，增加了功率和加速上升下降沿，Q3的宽度等于S4开，S3关；
[0031]第五路信号S5和第六路信号S6经过MOSFET对管构成的推挽电路产生中压驱动信号Q4，用于高压端电路中MOSFET管的截止，Q4是S5与S6驱动经过MOSFET对管构成的推挽电路产生的信号，同样是增加了功率和加速上升下降沿，Q4的宽度等于S5开，S6关；
[0032]第七路信号S7经过P通道MOSFET管开关电路产生高压驱动信号Q5 ；Q5与S7时序关系相同，只是通过P通道MOSFET管开关电路加大了驱动功率，电压和电流增强；
[0033]第八路信号S8经过N通道MOSFET管开关电路产生中压驱动信号Q6 ;Q6与S8时序关系相同，只是通过N通道MOSFET管开关电路加大了驱动功率，电压和电流增强；
[0034]4)高速高压脉冲成形:
[0035]次级驱动信号Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6驱动高压脉冲成形单元输出高速高压门控信号，具体步骤如下:
[0036]4.1)由高速高压增强型MOSFET对管构成高速高压推挽电路；
[0037]4.2)中压驱动信号Q4接于高速高压推挽电路高压端耦合电容的一端，中压驱动信号Q2和Q6接于高速高压推挽电路高压端耦合电容的另一端；中压驱动信号Q3接于高速高压推挽电路低压端耦合电容的