一種高頻窄脈沖能量的測量裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種高頻窄脈沖能量的測量裝置及方法，相關裝置包括：信號取出電路、階梯積分電路、延時階梯積分電路、延時電路，以及數據采集控制和處理電路；其中，所述信號取出電路的輸出端分別與所述階梯積分電路及延時階梯積分電路的輸入端相連；所述階梯積分電路與延時階梯積分電路的輸出端均與數據采集控制和處理電路的輸入端相連；所述數據采集控制和處理電路的控制輸出端與延時電路的控制輸入端相連；所述延時電路的控制輸出端分別與所述階梯積分電路及延時階梯積分電路的控制輸入端相連。本發明公開的裝置及方法利用電容的采樣特性，對高頻率的窄脈沖進行連續的積分采樣，配合數據采集控制和處理電路實現了高頻窄脈沖能量的測量。
【專利說明】
一種局頻窄脈沖能量的測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及脈沖測量【技術領域】，尤其涉及一種高頻窄脈沖能量的測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在很多的儀器設備中需要測量高頻率窄脈沖的能量，特別在光學儀器領域，比如在量子密鑰分發系統中，如果能測量到發射光強度的變化，就能分析量子密鑰分發系統發射端的發射情況。
[0003]然而，由于窄脈沖信號脈寬窄，頻率高，用傳統的單信號峰值采樣保持電路無法做到單個信號的幅度測量測量；因而研發一種能夠對每個高頻窄脈沖信號進行測量的方案顯得尤為重要。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種高頻窄脈沖能量的測量裝置及方法，其利用電容的采樣特性，對高頻率的窄脈沖進行連續的積分采樣，配合數據采集控制和處理電路實現了高頻窄脈沖能量的測量。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]一種高頻窄脈沖能量的測量裝置，該裝置包括:
[0007]信號取出電路、階梯積分電路、延時階梯積分電路、延時電路，以及數據采集控制和處理電路；
[0008]其中，所述信號取出電路的輸出端分別與所述階梯積分電路及延時階梯積分電路的輸入端相連；所述階梯積分電路與延時階梯積分電路的輸出端均與數據采集控制和處理電路的輸入端相連；所述數據采集控制和處理電路的控制輸出端與延時電路的控制輸入端相連；所述延時電路的控制輸出端分別與所述階梯積分電路及延時階梯積分電路的控制輸入端相連。
[0009]進一步的，所述階梯積分電路與延時階梯積分電路均包括:輸入端、反向放大器、可控有源積分模塊與控制輸入端；
[0010]其中，所述輸入端、反向放大器與可控有源積分模塊依次相連；所述可控有源積分模塊的控制端還與所述控制輸入端相連。
[0011]進一步的，所述數據采集控制和處理電路包括:輸入端、高速仙轉換模塊、數據處理模塊、控制模塊、接口模塊與控制輸出端；
[0012]其中，輸入端、高速八0轉換模塊、數據處理模塊與接口模塊依次相連；所述控制模塊控制端還分別與高速仙轉換模塊、數據處理模塊與接口模塊依次相連，其輸出端與控制輸出端相連。
[0013]進一步的，該裝置還包括:
[0014]閾值甄別電路，其輸入端與所述階梯積分電路輸出端相連，其輸出端與延時電路輸入端相連。
[0015]進一步的，所述閾值甄別電路包括:輸入端、比較器、閾值設置模塊與輸出端；
[0016]其中，輸入端與閾值設置模塊分別與比較器的比較信號輸入端相連，該比較器的閾值信號輸出端與所述輸出端相連。
[0017]一種前述裝置實現高頻窄脈沖能量測量的方法，該方法包括:
[0018]信號取出電路取出高頻窄脈沖信號后，分別輸入至階梯積分電路與延時階梯積分電路；
[0019]所述階梯積分電路與延時階梯積分電路分別對接收到的高頻窄脈沖信號進行連續積分，形成階梯狀信號，并輸出至數據采集控制和處理電路；
[0020]其中，延時電路分別向階梯積分電路與延時階梯積分電路根據輸出控制信號，來控制階梯積分電路與延時階梯積分電路的時延；該控制信號控制延時階梯積分電路在階梯積分電路開始積分后再進行積分，并控制延時階梯積分電路在階梯積分電路放電結束后開始放電；
[0021]所述控制信號由延時電路根據數據采集控制和處理電路輸出的延時控制信號來輸出。
[0022]進一步的，所述階梯積分電路與延時階梯積分電路的輸入端接收到信號取出電路輸出的信號后，通過一級反向放大，驅動隔離之后，進入可控有源積分模塊進行積分，在所述可控有源積分模塊接收到開關關閉控制信號之前，所接收到的信號均積分在可控有源積分模塊中的電容上，形成階梯狀信號；
[0023]當所述可控有源積分模塊接收到開關關閉控制信號時，電容上的電荷進行放電，放電結束，開關將打開，對信號繼續進行積分。
[0024]進一步的，數據采集控制和處理電路接收階梯積分電路與延時階梯積分電路輸出的信號，并在控制模塊的控制下經由高速仙轉換模塊進行模數轉換，利用數據處理模塊進行數據處理，再經過接口模數輸出給外部設備；
[0025]并且，該控制模塊還用于向延時電路輸出延時控制信號。
[0026]進一步的，該方法還包括:所述階梯積分電路的輸出端還與閾值甄別電路相連，由閾值甄別電路甄別階梯積分電路的輸出信號，當該輸出信號達到預定條件時，閾值甄別電路輸出一個閾值信號至延時電路；
[0027]由所述延時電路根據該閾值信號與數據采集控制和處理電路輸出的延時控制信號來輸出控制信號。
[0028]進一步的，所述由閾值甄別電路甄別階梯積分電路的輸出信號，當該輸出信號達到預定條件時，閾值甄別電路輸出一個閾值信號至延時電路包括:
[0029]所述甄別電路接收階梯積分電路的輸出信號，并將該輸出信號與預先設定的閾值進行比較；
[0030]當該輸出信號的電壓幅度高于閾值時，閾值題別電路輸出一個閾值信號至延時電路。
[0031]由上述本發明提供的技術方案可以看出，利用電容的采樣保持特性以及利用模擬開關的開關特性進行快速放電和交叉采樣，來完成高重復頻率下對每個窄脈沖的能量積分和幅度采樣，并進行高速八0(模數)轉換及數據處理，進而實現高頻窄脈沖能量的測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
[0033]圖1為本發明實施例一提供的一種高頻窄脈沖能量的測量裝置的示意圖；
[0034]圖2為本發明實施例一提供的階梯積分電路與延時階梯積分電路的示意圖；
[0035]圖3為本發明實施例一提供的數據采集控制和處理電路的示意圖；
[0036]圖4為本發明實施例一提供的又一種高頻窄脈沖能量的測量裝置的示意圖；
[0037]圖5為本發明實施例一提供的閾值甄別電路的示意圖；
[0038]圖6為本發明實施例二提供的信號處理時序的示意圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。
[0040]實施例一
[0041]圖1為本發明實施例一提供的一種高頻窄脈沖能量的測量裝置的示意圖。如圖1所示，該裝置主要包括:
[0042]信號取出電路、階梯積分電路、延時階梯積分電路、延時電路，以及數據采集控制和處理電路；
[0043]其中，所述信號取出電路的輸出端分別與所述階梯積分電路及延時階梯積分電路的輸入端相連；所述階梯積分電路與延時階梯積分電路的輸出端均與數據采集控制和處理電路的輸入端相連；所述數據采集控制和處理電路的控制輸出端與延時電路的控制輸入端相連；所述延時電路的控制輸出端分別與所述階梯積分電路及延時階梯積分電路的控制輸入端相連。
[0044]為了便于理解，下面針對以上每一電路做詳細說明。
[0045]1)信號取出電路用于取出高頻窄脈沖信號并作為后續電路的輸入，高頻窄脈沖可以采用各種原理產生，比如對窄脈沖光源進行光電轉換之后得到，最終得到電壓信號輸出；從高頻窄脈沖取出電路輸出的信號，分成兩路，分別輸入至階梯積分電路和延時階梯積分電路。
[0046]2)階梯積分電路與延時階梯積分電路的結構一致，其區別僅在于延時階梯積分電路是在階梯積分電路進行積分之后延遲一段時間進行積分，確保在階梯積分電路放電的時候可能漏掉的脈沖，由延時階梯積分電路來積分測量，確保每個脈沖都被測量到，階梯積分電路與延時階梯積分電路均使用電容對輸入的電流信號進行積分，并形成階梯狀積分電壓信號。
[0047]如圖2所示，所述階梯積分電路與延時階梯積分電路均包括:輸入端、反向放大器、可控有源積分模塊與控制輸入端；其中，所述輸入端、反向放大器與可控有源積分模塊依次相連；所述可控有源積分模塊的控制端還與所述控制輸入端相連。
[0048]3)延時電路用于向階梯積分電路與延時階梯積分電路分別輸出控制信號，來控制階梯積分電路與延時階梯積分電路的時延；所述控制信號由延時電路根據數據采集控制和處理電路輸出的延時控制信號來輸出。
[0049]4)數據采集控制和處理電路，用于將接收到的積分信號進行模數轉換后再進行處理，獲得每個高頻窄脈沖的能量值；同時，還向延時電路輸出延時控制信號。
[0050]如圖3所示，所述數據采集控制和處理電路包括:輸入端、高速仙轉換模塊、數據處理模塊、控制模塊、接口模塊與控制輸出端；
[0051]其中，輸入端、高速八0轉換模塊、數據處理模塊與接口模塊依次相連；所述控制模塊控制端還分別與高速仙轉換模塊、數據處理模塊與接口模塊依次相連，其輸出端與控制輸出端相連。
[0052]進一步的，該裝置還可以包括:閾值甄別電路，其輸入端與所述階梯積分電路輸出端相連，其輸出端與延時電路輸入端相連，具體的請參見圖4所示的示意圖。
[0053]閾值甄別電路甄別階梯積分電路的輸出信號，當該輸出信號達到預定條件時(例如，輸出信號的電壓幅度高于閾值時，而閾值的設定一般在積分峰值的一半左右)，閾值甄別電路輸出一個閾值信號至延時電路；由所述延時電路根據該閾值信號與數據采集控制和處理電路輸出的延時控制信號來輸出控制信號，即階梯積分電路的放電控制信號是閾值信號之后延時一設定值之后給出，延時階梯積分電路的放電控制信號是閾值信號之后的延時另一設定值之后給出，此延時設定值比前一延時設定要長，并確保兩個積分電路放電時間區間不重合即可。
[0054]如圖5所示，所述閾值甄別電路包括:輸入端、比較器、閾值設置模塊與輸出端；
[0055]其中，輸入端與閾值設置模塊分別與比較器的比較信號輸入端相連，該比較器的閾值信號輸出端與所述輸出端相連。
[0056]本發明實施例利用電容的采樣保持特性以及利用模擬開關的開關特性進行快速放電和交叉采樣，來完成高重復頻率下對每個窄脈沖的能量積分和幅度采樣，并進行高速八0轉換及數據處理，進而實現了高頻窄脈沖能量的測量。
[0057]實施例二
[0058]本發明實施例提供一種高頻窄脈沖能量的測量方法，該方法可以基于實施例一所提供的裝置來實現，最終獲得每個高頻窄脈沖的能量值，其主要包括:
[0059]信號取出電路取出高頻窄脈沖信號后，分別輸入至階梯積分電路與延時階梯積分電路；
[0060]所述階梯積分電路與延時階梯積分電路分別對接收到的高頻窄脈沖信號進行連續積分，形成階梯狀信號，并輸出至數據采集控制和處理電路；
[0061]其中，延時電路分別向階梯積分電路與延時階梯積分電路根據輸出控制信號，來控制階梯積分電路與延時階梯積分電路的時延；該控制信號控制延時階梯積分電路在階梯積分電路開始積分后再進行積分，并控制延時階梯積分電路在階梯積分電路放電結束后開始放電；
[0062]所述控制信號由延時電路根據數據采集控制和處理電路輸出的延時控制信號來輸出。
[0063]為了便于理解，下面針對該方法做詳細說明。
[0064]1)高頻窄脈沖信號取出并輸出。
[0065]信號取出電路為信號處理源頭，高頻窄脈沖可以通過各種傳感器產生，或者從其它裝置和設備輸入，并進行預處理，比如對于極窄脈沖的光信號，通過高速響應的光電二極管爪管)進行光電信號的轉換，并進行預放大，本發明實施例主要針對信號間隔小于25118的窄脈沖信號。
[0066]信號取出電路將取出的信號分為兩路，一路輸入至階梯積分電路，另一路輸入至延時階梯積分電路，均記為VI。
[0067]2)雙路階梯積分電路積分。
[0068]階梯積分電路與延時階梯積分電路分別對接收到的高頻窄脈沖信號進行連續積分，形成階梯狀信號；具體來說，所述階梯積分電路與延時階梯積分電路的輸入端接收到信號取出電路輸出的信號后，通過反向放大，驅動隔離之后，進入可控有源積分模塊進行積分，在所述可控有源積分模塊接收到開關關閉控制信號之前，所接收到的信號均積分在可控有源積分模塊中的電容上，形成階梯狀信號；當所述可控有源積分模塊接收到開關關閉控制信號時，電容上的電荷進行放電，放電結束，開關將打開，對信號繼續進行積分。
[0069]所述階梯積分電路與延時階梯積分電路的區別在于延時階梯積分電路在階梯積分電路開始積分后再進行積分，并階梯積分電路放電結束后開始放電；即，延時階梯積分電路是在階梯積分電路進行積分之后延遲一段時間進行積分，確保在階梯積分電路放電的時候可能漏掉的脈沖，由延時階梯積分電路來積分測量，確保每個脈沖都被測量到，階梯積分電路與延時階梯積分電路均使用電容對輸入的電流信號進行積分，并形成階梯狀積分電壓信號。
[0070]其中，階梯積分電路與延時階梯積分電路的時延由延時電路輸出的控制信號來控制；具體來說，該延時電路根據接收到的數據采集控制和處理電路輸出的延時控制信號30，分別向階梯積分電路與延時階梯積分電路輸出控制信號01與02，控制信號01與02要保證在階梯積分電路放電的時候，延時積分電路能正常積分，反之亦然，確保信號沒有漏測；對于能在信號間隔時間內放完電的窄脈沖信號，可以使用階梯積分電路進行積分放電，同時把延時階梯積分電路關閉，可以減少后續八0轉換電路中八IX:采樣的路數。
[0071]其中，控制信號01與02均可以存在一定的時延，分別記為(11與(12,(11與(12的時延量可根據實際情況來確定。
[0072]優選的，還可以引入閾值甄別電路，閾值甄別電路甄別階梯積分電路的輸出信號，當該輸出信號達到預定條件時(例如，輸出信號的電壓幅度高于閾值時)，閾值甄別電路輸出一個閾值信號I至延時電路；由所述延時電路根據該閾值信號I與數據采集控制和處理電路輸出的延時控制信號30來輸出控制信號01與02。
[0073]其中，延時功能可以有不同的實現方式，比如使用獨立的模擬延時線或者數字延時線元件，或者把I信號直接輸入？?以，在中使用計數器實現延時功能，由數據采集控制和處理來提供設定控制30信號。
[0074]3)階梯積分信號采集、仙轉換及數據處理。
[0075]數據采集控制和處理電路接收階梯積分電路與延時階梯積分電路輸出的信號；其中，階梯積分電路輸出信號記為^01，延時階梯積分電路輸出信號記為乂02。
[0076]然后，在控制模塊的控制下經由高速仙轉換模塊進行模數轉換，并利用數據處理模塊進行數據處理，再經過接口模數輸出給外部設備。
[0077]上述方法中涉及多個信號:信號取出電路輸出的信號VI，階梯積分電路與延時階梯積分電路的輸出信號％1與乂02，數據采集控制和處理電路輸出的延時控制信號30，閾值甄別電路輸出的閾值信號I，延時電路輸出的控制信號01與02 ；上述信號的處理時序如圖6所示，
[0078]本發明實施例利用電容的采樣保持特性以及利用模擬開關的開關特性進行快速放電和交叉采樣，來完成高重復頻率下對每個窄脈沖的能量積分和幅度采樣，并進行高速八0轉換及數據處理，進而實現了高頻窄脈沖能量的測量。
[0079]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種高頻窄脈沖能量的測量裝置，其特征在于，該裝置包括: 信號取出電路、階梯積分電路、延時階梯積分電路、延時電路，以及數據采集控制和處理電路； 其中，所述信號取出電路的輸出端分別與所述階梯積分電路及延時階梯積分電路的輸入端相連；所述階梯積分電路與延時階梯積分電路的輸出端均與數據采集控制和處理電路的輸入端相連；所述數據采集控制和處理電路的控制輸出端與延時電路的控制輸入端相連；所述延時電路的控制輸出端分別與所述階梯積分電路及延時階梯積分電路的控制輸入端相連。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述階梯積分電路與延時階梯積分電路均包括:輸入端、反向放大器、可控有源積分模塊與控制輸入端； 其中，所述輸入端、反向放大器與可控有源積分模塊依次相連；所述可控有源積分模塊的控制端還與所述控制輸入端相連。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述數據采集控制和處理電路包括:輸入端、高速AD轉換模塊、數據處理模塊、控制模塊、接口模塊與控制輸出端； 其中，輸入端、高速AD轉換模塊、數據處理模塊與接口模塊依次相連；所述控制模塊控制端還分別與高速AD轉換模塊、數據處理模塊與接口模塊依次相連，其輸出端與控制輸出端相連。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括: 閾值甄別電路，其輸入端與所述階梯積分電路輸出端相連，其輸出端與延時電路輸入端相連。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述閾值甄別電路包括:輸入端、比較器、閾值設置模塊與輸出端； 其中，輸入端與閾值設置模塊分別與比較器的比較信號輸入端相連，該比較器的閾值信號輸出端與所述輸出端相連。
6.一種利用權利要求1-5任一項所述裝置實現高頻窄脈沖能量測量的方法，其特征在于，該方法包括: 信號取出電路取出高頻窄脈沖信號后，分別輸入至階梯積分電路與延時階梯積分電路； 所述階梯積分電路與延時階梯積分電路分別對接收到的高頻窄脈沖信號進行連續積分，形成階梯狀信號，并輸出至數據采集控制和處理電路； 其中，延時電路分別向階梯積分電路與延時階梯積分電路根據輸出控制信號，來控制階梯積分電路與延時階梯積分電路的時延；該控制信號控制延時階梯積分電路在階梯積分電路開始積分后再進行積分，并控制延時階梯積分電路在階梯積分電路放電結束后開始放電； 所述控制信號由延時電路根據數據采集控制和處理電路輸出的延時控制信號來輸出。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于， 所述階梯積分電路與延時階梯積分電路的輸入端接收到信號取出電路輸出的信號后，通過一級反向放大，驅動隔離之后，進入可控有源積分模塊進行積分，在所述可控有源積分模塊接收到開關關閉控制信號之前，所接收到的信號均積分在可控有源積分模塊中的電容上，形成階梯狀信號； 當所述可控有源積分模塊接收到開關關閉控制信號時，電容上的電荷進行放電，放電結束，開關將打開，對信號繼續進行積分。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于， 數據采集控制和處理電路接收階梯積分電路與延時階梯積分電路輸出的信號，并在控制模塊的控制下經由高速AD轉換模塊進行模數轉換，利用數據處理模塊進行數據處理，再經過接口模數輸出給外部設備； 并且，該控制模塊還用于向延時電路輸出延時控制信號。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，該方法還包括: 所述階梯積分電路的輸出端還與閾值甄別電路相連，由閾值甄別電路甄別階梯積分電路的輸出信號，當該輸出信號達到預定條件時，閾值甄別電路輸出一個閾值信號至延時電路； 由所述延時電路根據該閾值信號與數據采集控制和處理電路輸出的延時控制信號來輸出控制信號。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述由閾值甄別電路甄別階梯積分電路的輸出信號，當該輸出信號達到預定條件時，閾值甄別電路輸出一個閾值信號至延時電路包括: 所述甄別電路接收階梯積分電路的輸出信號，并將該輸出信號與預先設定的閾值進行比較； 當該輸出信號的電壓幅度高于閾值時，閾值甄別電路輸出一個閾值信號至延時電路。
【文檔編號】G01J11/00GK104458017SQ201410752484
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月9日 優先權日:2014年12月9日
【發明者】王堅, 張鴻飛, 楊東旭, 唐騏杰, 馮譯, 陳騰云 申請人:中國科學技術大學