突变波形生成控制系统技术方案

提供一种突变波形生成控制系统，其包括：第一晶体管开关，包括第一端，用于接收第一波形，第二端，连接至负载，以及控制端；第二晶体管开关，包括第一端，连接至负载，第二端，用于接收第二波形，以及控制端；驱动器，包括，第一控制输入端和第二控制输入端，分别用于接收第一数字信号和第二数字信号；第一电源输入端和第二电源输入端，分别连接至第一电源和第二电源，以及第一输出端和第二输出端，分别连接至第一开关的控制端和第二开关的控制端；以及所述驱动器根据第一数字信号和第二数字信号控制第一晶体管开关和第二晶体管开关交替导通，以使输出至负载的波形在第一波形和第二波形之间切换。之间切换。之间切换。

【技术实现步骤摘要】
突变波形生成控制系统


[0001]本专利技术涉及电子电路领域，尤其涉及一种突变波形生成控制系统。

技术介绍

[0002]电压波形生成系统广泛地应用于自动化控制、信号激励和检测等领域。基于电压驱动的精密操控系统往往需要可精确调控的电压信号以实现自由操作。例如，扫描探针显微镜压电陶瓷电动马达的驱动依赖于突变的电压波形，电压幅度达百伏量级。电压从一个高压值快速变化到另一个电压值的时间往往要控制在1μs以内，否则压电陶瓷的驱动效率会大大降低，并且时间越短，驱动效率越高。另外，由于压电陶瓷有耐压极限，超过一定高压，压电陶瓷就会损坏，所以如果能实现高压波形在不同极性间的快速切换是比较理想的实施方案。目前市场上这种突变电压波形生成器往往成本高昂、使用复杂，且突变时间在数百纳秒左右。

技术实现思路

[0003]基于现有技术的上述缺陷，本专利技术提供一种突变波形生成控制系统，其包括：
[0004]第一晶体管开关，包括第一端，用于接收第一波形，第二端，连接至负载，以及控制端；
[0005]第二晶体管开关，包括第一端，连接至所述负载，第二端，用于接收第二波形，以及控制端；
[0006]驱动器，包括，第一控制输入端和第二控制输入端，分别用于接收第一数字信号和第二数字信号；第一电源输入端和第二电源输入端，分别连接至第一电源和第二电源，以及第一输出端和第二输出端，分别连接至所述第一开关的控制端和所述第二开关的控制端；以及
[0007]所述驱动器根据所述第一数字信号和所述第二数字信号控制所述第一晶体管开关和所述第二晶体管开关交替导通，以使输出至所述负载的波形在所述第一波形和所述第二波形之间切换。
[0008]优选地，所述第一波形与所述第二波形相反。
[0009]优选地，所述驱动器是双通道隔离式栅极驱动器，所述第一电源和所述第二电源是隔离式直流电源。
[0010]优选地，所述第一晶体管开关和所述第二晶体管开关是场效应管或三极管。
[0011]优选地，还包括：
[0012]波形生成电路，用于生成低压波形；
[0013]放大电路，用于将所述低压波形放大以生成所述第一波形和所述第二波形。
[0014]优选地，所述波形生成电路是现场可编程逻辑门阵列。
[0015]优选地，所述现场可编程逻辑门阵列的模拟输出端用于输出所述低压波形，所述现场可编程逻辑门阵列的数字输出端用于输出所述第一数字信号和所述第二数字信号。
[0016]优选地，所述放大电路包括第一运算放大器，第一电阻的一端连接至所述现场可编程逻辑门阵列的第一模拟输出端，另一端连接至所述第一运算放大器的反相输入端；
[0017]第一电容与第二电阻并联连接，其一端连接至所述第一运算放大器的反相输入端，另一端连接至所述第一运算放大器的输出端；
[0018]第三电阻的一端连接至所述现场可编程逻辑门阵列的第二模拟输出端，另一端连接至第二电容和第四电阻，所述第二电容的另一端接地，所述第四电阻的另一端连接至所述第一运算放大器的反相输入端；
[0019]所述第一运算放大器的同相输入端接地，其输出端输出所述第一波形。
[0020]优选地，所述放大电路包括第二运算放大器，第五电阻的一端连接至所述第一运算放大器的输出端，另一端连接至所述第二运算放大器的反相输入端；第三电容与第六电阻并联连接，其一端连接至所述第二运算放大器的反相输入端，另一端连接至所述第二运算放大器的输出端；所述第二运算放大器的同相输入端接地，其输出端输出所述第二波形。
[0021]优选地，所述第一模拟输出端输出低压波形，所述第二模拟输出端输出固定电压。
[0022]本专利技术的突变波形生成控制系统，利用两个晶体管开关作为两个波形的开关，以驱动器驱动两个晶体管开关交替导通，使得输出电压波形在两个波形之间快速切换，波形切换时间可达50纳秒左右。
[0023]本专利技术的突变波形生成控制系统还可以通过使用FPGA产生高精度低压波形，通过放大电路获得高电压波形，再通过高速波形切换电路实现突变的电压波形。其中，低压波形和控制时序可通过编程实现控制，使得系统具有很强的灵活性和可扩展性。
附图说明
[0024]图1是根据本专利技术一个实施例的突变波形生成控制系统的结构示意图；
[0025]图2是编程实现波形数据的产生和输出的示意图；
[0026]图3是根据本专利技术一个实施例的放大电路的示意图；
[0027]图4是根据本专利技术一个实施例的波形切换电路的输出示意图；
[0028]图5是根据本专利技术一个实施例的波形切换电路的示意图；
[0029]图6是根据本专利技术另一实施例的波形切换电路的示意图；
[0030]图7A是容性负载为1nF电容时所测量的电压切换曲线；
[0031]图7B是加入20欧姆限流电阻之后所测量的电压切换曲线；
[0032]图7C是加入200欧姆限流电阻之后所测量的电压切换曲线；
[0033]图8A示出三路快速切换通道在快速切换时的波形图；
[0034]图8B示出三路快速切换通道在给定每一路间隔10微秒进行高压切换时的波形图。
具体实施方式
[0035]为了使本专利技术的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面将结合附图通过具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当注意，本专利技术给出的实施例仅用于说明，而不限制本专利技术的范围。
[0036]图1是根据本专利技术一个实施例的突变波形生成控制系统的结构示意图。突变波形生成控制系统包括波形生成电路101、放大电路102以及波形切换电路103。其中，波形生成
电路101用于生成低压波形；放大电路102用于对波形生成电路101所生成的低压波形进行放大以生成高压波形；波形切换电路103用于生成在第一高压波形和第二高压波形之间快速切换的高压波形。其中，波形生成电路101和放大电路102可以省略，可以通过其他装置直接提供第一高压波形和第二高压波形。在本专利技术中，可以不对高压和低压的范围进行限定，但是为了便于理解，可以将低压定义为大于等于
‑
10V且小于等于+10V，高压定义为大于+10V或小于
‑
10V。
[0037]波形生成电路101优选地可以与外界通信，通过程序控制产生相应的波形。波形生成电路101可以例如是现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、专用集成电路以及单片机等。为了便于描述和理解，本专利技术的波形生成电路选用NI公司的型号为USB7856R的FPGA板进行介绍，但本专利技术不以此为限，本领域技术人员可以容易地替换为其他的波形生成电路。上述FPGA板具有32个数字信号输出端口，输出频率能达到80MHz；8个模拟信号输出端口，最高更新率为1MSa/s，16位精度，输出电平能达到
±
10V。数字信号控制电路能达到的最大反应速度是12.5ns，输出的低压模拟信号波形的时间控制精度为1μs，电压控制精度为0.3mV。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种突变波形生成控制系统，其包括：第一晶体管开关，包括第一端，用于接收第一波形，第二端，连接至负载，以及控制端；第二晶体管开关，包括第一端，连接至所述负载，第二端，用于接收第二波形，以及控制端；驱动器，包括，第一控制输入端和第二控制输入端，分别用于接收第一数字信号和第二数字信号；第一电源输入端和第二电源输入端，分别连接至第一电源和第二电源，以及第一输出端和第二输出端，分别连接至所述第一开关的控制端和所述第二开关的控制端；以及所述驱动器根据所述第一数字信号和所述第二数字信号控制所述第一晶体管开关和所述第二晶体管开关交替导通，以使输出至所述负载的波形在所述第一波形和所述第二波形之间切换。2.根据权利要求1所述的突变波形生成控制系统，其中，所述第一波形与所述第二波形相反。3.根据权利要求1所述的突变波形生成控制系统，其中，所述驱动器是双通道隔离式栅极驱动器，所述第一电源和所述第二电源是隔离式直流电源。4.根据权利要求1所述的突变波形生成控制系统，其中，所述第一晶体管开关和所述第二晶体管开关是场效应管或三极管。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的突变波形生成控制系统，还包括：波形生成电路，用于生成低压波形；放大电路，用于将所述低压波形放大以生成所述第一波形和所述第二波形。6.根据权利要求5所述的突变波形生成控制系统，其中，所述波形生成电路是现场可编程逻辑门阵列。7.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐向前，安旸，郝东，王文宇，叶霞，单欣岩，陆兴华，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：