專利名稱：基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬ttl信號的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及距離選通成像技術領域，尤其涉及一種基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬邏輯門電路CTransistor-Transistor Logic, TTL)信號的方法。
背景技術：
距離選通成像的關鍵技術之一是同步控制技術，即讓激光器與增強型電荷耦合元件(ICCD)的選通門的開關同步，當目標反射的信號光還沒有到達選通門時，選通門一直處于關閉狀態(tài)，當信號光到達選通門時，選通門突然打開，從而成像。選通門的打開時間和持續(xù)時間分別決定了成像的距離和成像的景深。高精度的延時技術和脈寬技術是選通成像特別是三維成像時序控制技術的關鍵。 在選通三維成像技術中，測距精度和脈寬精度需要在厘米量級甚至更小，所以需要采用納秒級、皮秒級的時序控制技術。目前在選通成像領域，獲得窄脈寬的TTL信號主要有以下幾種方法，分別為基于數(shù)字延時脈沖發(fā)生器、基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)和基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。其中1)基于數(shù)字延時發(fā)生器基于數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器(以典型的DG535為例)的時序控制技術由于采用了延遲精度在5皮秒量級的DG535數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器，時序控制精度高，近幾年被應用到選通成像試驗中。DG535能夠同時提供4路可編程延時輸出，延時范圍為O 1000s，脈寬最小為^s，每路最小步長是5ps。采用DG535雖然能夠達到較高的控制精度，但系統(tǒng)復雜，體積大、負載重，一臺普通的DG535尺寸為8. 5〃 X 4. 75〃 X 14〃(WHD)，質(zhì)量lOlbs，另外DG535 的參數(shù)設置是通過手工按鈕操作，操作機械化，降低了系統(tǒng)的靈活性和便攜性，對選通成像控制參數(shù)的設置產(chǎn)生較大影響。2)基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)基于CPLD技術采用的是復雜可編程邏輯器件，由于CPLD是將多個可編程陣列邏輯(PAL)器件集成到一個芯片，具有類似PAL的結(jié)構(gòu)。CPLD通過修改具有固定內(nèi)連電路的邏輯功能來編程以達到產(chǎn)生脈沖信號的目的。但CPLD的組合邏輯資源比較豐富、時序邏輯資源相對較少，存在延遲時間大，控制精度不高等問題，目前時鐘精度基本在10納秒量級， 少數(shù)在納秒量級，器件延遲時間為幾個納秒。以ALTERA公司的MAXII系列CPLD為例，支持的最高時鐘頻率為300MHz，實際應用中，這一頻率還要往下降，時鐘精度會繼續(xù)降低。3)基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)FPGA又稱現(xiàn)場可編程門陣列，是一種高密度的可編程邏輯器件，內(nèi)含大量時序邏輯資源，并含有鎖相環(huán)，適合于觸發(fā)器豐富的時序電路，時序控制精度高，體積小，重量輕， 是選通時序控制技術采用的理想器件，用來產(chǎn)生精確的時鐘信號。但目前基于FPGA的時序控制系統(tǒng)的時鐘控制精度大多在納秒量級，這主要是由于FPGA本身的硬件特性使得時鐘頻率難以繼續(xù)增加，目前以XILINX公司最新推出的Virtex-6系列FPGA為例，最高時鐘頻率為600MHZ，也即時鐘控制精度最高為1. 67ns,實際使用時綜合出的頻率將會小于這一
以上幾種方法除數(shù)字延時脈沖發(fā)生器以外，其余的控制精度都在納秒量級或亞納秒量級，難以滿足選通三維成像和水下成像等有高精度的時序要求。數(shù)字延時脈沖發(fā)生器雖然延時精度較高，以DG535為例，其延時精度為5ps，但最小脈寬為如8，體積大，不利于系統(tǒng)的小型化發(fā)展。因此針對選通成像的高時序精度的要求和選通系統(tǒng)小型化、集成化的趨勢，本發(fā)明提出了一種基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，其最小脈寬可以接近于TTL信號的脈寬極限，即Ins左右，并且脈寬的精度為皮秒量級。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題針對上述現(xiàn)有技術存在的不足之處，本發(fā)明的主要目的在于提出一種基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，以獲得更窄的TTL信號脈寬和更高的脈寬精度，從而為距離選通成像領域提供高精度的時序信號。(二)技術方案為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下一種基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，該方法使用多路信號發(fā)生器將待壓縮的起始TTL信號一分為二，得到兩路相位、幅度完全相等的TTL信號，其中起始TTL信號包括脈沖激光器觸發(fā)信號或ICCD觸發(fā)信號；然后采用皮秒級精度的延時線技術對得到的兩路TTL信號中的一路TTL信號進行延時，使兩路TTL信號產(chǎn)生相移；然后將這兩路產(chǎn)生相移的TTL信號通過邏輯與門，進行相與操作，實現(xiàn)對距離選通成像中脈沖激光器觸發(fā)信號或ICCD觸發(fā)信號的脈寬壓縮。上述方案中，所述對距離選通成像中脈沖激光器觸發(fā)信號或ICXD觸發(fā)信號的脈寬壓縮，壓縮精度為皮秒量級。上述方案中，所述起始TTL信號表示為/(O=Ji Kt- nka)，其中h(t)=
n=0
c(t)-c(t-pa), c(t) = l,0#tka;c(t) = 0，t < 0，A 為信號的幅度，ρ 為脈寬計數(shù)值，k 為分頻計數(shù)值，α為起始TTL信號的時鐘精度；由于選通成像的工作頻率要遠遠小于初始時序信號產(chǎn)生模塊的時鐘頻率，所以k >> ρ。初始信號與其模塊時鐘的關系如

圖1所示。上述方案中，所述采用皮秒級精度的延時線技術對得到的兩路TTL信號中的一路 TTL信號進行延時，使兩路TTL信號產(chǎn)生相移，即f\(t) =f(t)，f2(t) =€&-油)，其中(1為
延時線的延時計數(shù)值，β為延時線的延時精度；經(jīng)延時后，相移/ =^lp。延時移相原理如
ka
圖2所示。上述方案中，所述延時線的延時精度在皮秒量級，且具體延時可控、可編程置數(shù)，
即q可調(diào)，可發(fā)生可控的相移孕，φ與q成線性關系。
ka上述方案中，所壓縮的脈沖寬度隨延時線的延時計數(shù)值的改變而改變，S時￡尸| 時，脈寬W3O,反之，當？>尸|時，w <0，此時物理上表現(xiàn)為脈寬為0，脈沖信號消失，所以實際應用中
權(quán)利要求
1.一種基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，其特征在于，該方法使用多路信號發(fā)生器將待壓縮的起始TTL信號一分為二，得到兩路相位、幅度完全相等的TTL信號，其中起始TTL信號包括脈沖激光器觸發(fā)信號或ICCD觸發(fā)信號；然后采用皮秒級精度的延時線技術對得到的兩路TTL信號中的一路TTL信號進行延時，使兩路TTL信號產(chǎn)生相移； 然后將這兩路產(chǎn)生相移的TTL信號通過邏輯與門，進行相與操作，實現(xiàn)對距離選通成像中脈沖激光器觸發(fā)信號或ICCD觸發(fā)信號的脈寬壓縮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，其特征在于，所述對距離選通成像中脈沖激光器觸發(fā)信號或ICCD觸發(fā)信號的脈寬壓縮，壓縮精度為皮秒量級。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，其特征在于，所述起始 TTL 信號表示為/(/)=^4 //(/-ia)，其中 h(t) = c(t)-c(t-pa), c (t)=
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，其特征在于，所述采用皮秒級精度的延時線技術對得到的兩路TTL信號中的一路TTL信號進行延時，使兩路TTL信號產(chǎn)生相移，即f“t) =f(t)，f2(t) = f(t-qb)，其中q為延時線的延時計數(shù)值，β為延時線的延時精度；經(jīng)延時后，相移孕0ka
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，其特征在于，所述延時線的延時精度在皮秒量級，且具體延時可控、可編程置數(shù)，即q可調(diào)，可發(fā)生可控的相移/年沖，Φ與q成線性關系。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，其特征在于，所壓縮的脈沖寬度隨延時線的延時計數(shù)值的改變而改變，即？￡尸|時，脈寬w3o，反之，當？>尸|時，W < 0，此時物理上表現(xiàn)為脈寬為0，脈沖信號消失，所以實際應用中
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，其特征在于，所述將這兩路產(chǎn)生相移的TTL信號通過邏輯與門進行相與操作，使得對脈寬進行壓縮，壓縮后的信號為/3⑴⑴Mt-nka)，其中ti3(t) = {c(t)-
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，其特征在于，脈寬壓縮的邏輯操作是基于與門實現(xiàn)的，其中與門的硬件結(jié)構(gòu)是基于可編程器件的門陣列或是基于分立器件搭建而成；與門的工作帶寬要高于信號的帶寬，與門在邏輯上等效于一開關，開關在延時后的脈沖信號的高電平時打開，低電平時關閉。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，其特征在于，被壓縮后的脈沖信號會由于壓縮的脈寬過窄，信號的電平幅度有所下降，此時后接幅度放大電路，使用超帶寬的三極管即可完成。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法，其特征在于，所述脈寬壓縮極限接近TTL信號的脈寬極限即1ns，脈寬的繼續(xù)壓縮則受限于TTL信號固有的上升、下降時間。
全文摘要
本發(fā)明涉及距離選通成像技術領域，公開了一種基于移相相與獲取皮秒精度窄脈寬TTL信號的方法。該方法使用多路發(fā)生器使距離選通中的每路TTL脈沖觸發(fā)信號(包括脈沖激光器觸發(fā)信號和ICCD的觸發(fā)信號)一分為二，形成兩路相位和幅度完全相同的時序信號；采用皮秒級精度延時線技術對分路后的其中一路信號進行延時，使兩路信號產(chǎn)生相移；然后使這兩路信號經(jīng)過邏輯與門，進行邏輯相與操作，從而壓縮脈寬。本發(fā)明通過對兩路信號相移的精確控制可以得到高精度的脈寬信號和脈寬壓縮精度，壓縮的脈寬可以接近TTL信號的極限，即1ns量級，可用于距離選通三維成像和水下成像等有高精度時序要求的選通應用領域。
文檔編號H03K3/02GK102170277SQ201110023140
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者周燕, 楊金寶 申請人:中國科學院半導體研究所