基于CPLD+LVPECL可调窄脉冲发生器的设计与实现

摘 要： 采用CPLD和具有速度极快的LVPECL门电路来实现脉宽可调的窄脉冲信号。利用CPLD提供的10 MHz激励信号和对延时芯片进行写延时控制字来产生所需脉宽。测试结果表明，该可调窄脉冲发生器能产生500 ps~20 ns范围内的脉宽可调、幅度约为400 mV的脉冲信号。
关键词： 超宽带；窄脉冲发生器；LVPECL门电路；脉宽可调

　超宽带无线通信技术是目前无线通信领域先进的通信技术之一，它利用极宽频带的超窄脉冲进行无线通信，在无载波脉冲体制雷达中被广泛应用，多年来一直被限定为军用技术。近年来，随着电子技术的飞速发展，在无线通信用户急增，频谱资源越来越稀缺，通信容量越来越大以及传输速率越来越来高的形势下，人们对超宽带技术的认识也更加清楚，它逐步转入民用阶段，用于实现高性能、低成本的无线通信系统。在20世纪60年代，时域电磁学研究工作广泛开展，人们在对微波网络由时域脉冲响应所反映的瞬时特性的研究过程中逐渐发现了超宽带技术。1962年，惠普公司开发出取样示波器，纳秒级脉冲的产生方法才得以发展，当时普遍采用雪崩晶体管或隧道二极管产生脉宽为纳秒级的脉冲信号，提供可供分析用的冲激激励信号，这使得人们能够正确地观察和测量微波网络的冲激响应。能产生几百毫伏窄脉冲的高速器件有隧道二极管和ECL集成电路，能产生几十伏到几百伏的高速器件有雪崩晶体三极管、阶越恢复二极管和俘越二极管。但是这些方法设计的窄脉冲发生器脉宽固定，不能调节脉宽，给应用带来不便。为满足不同应用场合对脉宽的需要，本文设计了基于CPLD和LCPECL的可调窄脉冲发生器，给实际应用带来了灵活性而且节约了成本。
1 窄脉冲的技术要求及产生方案
　由于超宽带技术广泛应用于雷达系统，因此其应用环境就决定了窄脉冲的技术要求。脉冲源性能指标的衡量主要是幅度和脉宽这两个指标，一般要求幅度要大，这样探测距离才远；脉宽要窄，这样分辨率才高。因此，窄脉冲产生电路的性能与所使用器件的速度有很大关系。
　目前，产生超宽带窄脉冲的方法主要有模拟和数字两种方法。模拟的方法主要是采用高速的阶跃二极管、隧道二极管、雪崩三级管或者微带线合成的方法产生纳秒级、皮秒级的窄脉冲。但由于受管子杂散的影响而导致脉冲不够理想，加上微带电路不好调试的原因，数字方法应运而生。在数字集成电路中，ECL门电路是速度最快的一种，其优点是开关速度高、负载能力强、内部噪声低，缺点是噪声容限小、功耗大、需负电源以及输出电平受温度影响大。由ECL发展而来的LVPECL门电路克服了ECL的缺点，采用低电压正电源、差分输入输出传输的特点，使其在产生窄脉冲电路方面具有很大优势。同时考虑到适应不同应用场合对脉冲发生器脉宽的要求，脉宽可调是本设计的一大亮点。因此，本文采用CPLD和LCPECL门电路器件来设计可调窄脉冲发生器。
　本方案包括LVPECL窄脉冲产生电路和CPLD控制电路两部分，利用CPLD提供10 MHz的激励信号和对延时芯片进行写延时控制字来产生所需脉宽的窄脉冲信号。系统结构框图如图1所示。

2.2 LVPECL窄脉冲硬件电路设计
　经分析比较，LVPECL窄脉冲硬件电路选择的器件如下：时钟分配器起到电平转换和时钟分配的作用，采用Maxim公司的MAX9323；可编程延时器件采用ON Semiconductor公司的MC100EP195；高速比较器选择ADI公司的ADCMP567；与门选择ON Semiconductor公司的MC100EP05作为亚纳秒脉冲产生器。LVPECL窄脉冲硬件电路通过两路实现：一路采用两片MC100EP195级联产生固定延时；另一路采用两片MC100EP195级联产生20 ns范围内的可编程延时，即可产生20 ns内脉宽可调的窄脉冲信号。
　（1）时钟分配及电平转换电路
　时钟分配及电平转换电路如图4所示。由于CPLD控制电路产生的10 MHz方波时钟信号是LVCMOS电平，本脉冲电路采用LVPECL电平，因此需先将LVCMOS电平转换为LVPECL电平，又由于本电路有两路信号，因此需进行时钟分配得到两路时钟。Maxim公司的MAX9323的主要功能和特性为低偏移、低抖动，2个LVCMOS输入时钟信号中的1个被分配到4个差分LVPECL输出。1个单逻辑控制信号CLK_SEL选择2个输入中的1个。器件工作在3.0 V~3.6 V范围内，如果采用3.3 V供电，则最多仅消耗25 mA的供电电流。此电路中，CLK_SEL被设置为接地，选择CLK0时钟信号输入，CLK_EN被设置高电平使能4路差分LVPECL 输出，本电路中只用到2路。根据LVPECL电平驱动要求，其输出端应通过50 Ω上拉电阻拉到VCC-2 V，即拉到1.3 V。此外，为确保电源稳定，采用多个电容旁路对电源去耦。