本發明屬于電子技術的技術領域。特別涉及一種有外調制輸入功能的大功率脈沖電流產生電路。

背景技術：

脈沖驅動式半導體激光器在激光雷達、激光測距、光纖通信、3D圖像處理等很多領域內都有重要的應用。其性能直接影響它在實際應用效果，例如：在脈沖式半導體激光測距機和激光雷達中，脈沖激光的上升時間和測量精度密切相關，上升時間越短，越有利于提高測量精度；脈沖激光的峰值功率和測量距離密切相關，峰值功率越大，越有利于增加測量距離。而脈沖式半導體激光器的性能主要取決于為其提供驅動信號的脈沖電流源，因此脈沖電流源的研發設計具有重要的應用價值。

目前與本發明最接近的現有技術是于2013年獲得授權的發明專利“大功率半導體激光器脈沖驅動電源”，專利號為ZL201210120267.5的中國專利。該文獻中，給出了一種半導體激光器脈沖驅動電源的設計方案，使該驅動電源能在輸出較大脈沖峰值電流的同時保持較短的輸出脈寬和脈沖電流上升時間。

但專利ZL201210120267.5所公開的技術還存在諸多缺點：首先，其搭建成的脈沖觸發電路其重復頻率易受溫度等環境因素的影響，從而影響驅動電源的頻率穩定性；其次，專利ZL201210120267.5中所使用的高速開關電路容易受到末級功率場效應管的柵極等效電容的影響，使得電路的高頻響應差，表現為脈沖的上升時間長，當需要輸出特別窄的脈沖電流時，輸出的脈沖電流波形不好；再次，專利ZL201210120267.5的最高輸出電壓有限，當負載阻抗較大時，無法達到預定的輸出電流；最后，專利ZL201210120267.5的設計中不具備外調制功能，不能在一個復雜系統中與其它設備同步使用。因此，目前已公開的半導體激光器脈沖驅動器技術還需要進一步完善。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是，針對現有技術存在的不足，提供一種有外調制功能的大功率脈沖電流產生電路。

本發明的技術問題通過以下技術方案解決：

一種有外調制功能的大功率脈沖恒電流產生電路，結構有脈沖產生電路1、脈寬調節電路3和功率輸出電路6，其特征在于，結構還有外調制輸入電路2、脈沖驅動電路4和能量控制及儲蓄電路5；

所述的脈沖產生電路1的結構為，555定時器T1的1腳接地，4腳、8腳接+12V電源，2腳、6腳一起接二極管D1負極、電容C1的一端和二極管D2的正極，電容C2的另一端接地，二極管D2的負極接可調電阻R2的一端，可調電阻R2的另一端和二極管D1的正極一起接555定時器T1的7腳，還接可調電阻R1的一端，可調電阻R1的另一端接PNP型三極管Q1的發射極和+12V電源，555定時器T1的5腳通過電容C2接地，3腳接三極管Q1的基極，三極管Q1的集電極通過電阻R3接地，三極管Q1的集電極作為脈沖產生電路1的信號輸出端，記為端口Port-out1；

所述的外調制輸入電路2的結構為，二孔插針P1的1孔通過電阻R4與運放U1A的反相輸入端相連，2孔接地，運放U1A的輸出端連接電阻R5，電阻R5連接電阻R6，R6接地，運放U1A的同相輸入端連接在R5、電阻R6之間，二極管D3負極正極，二極管D3負極與運放U1A的反相輸入端相連，二極管D4的負極接+5V電源，正極接運放U1A的反相輸入端，二極管D5正極連接到電阻R7和二極管D6負極，電阻R7與運放U1A的輸出端相連，二極管D6正極接地，二極管D5負極接+5V電源，在二極管D5、二極管D6之間引出外調制輸入電路2的輸出端，記為端口Port-out2；

所述的脈寬調節電路3的結構為，單刀雙擲開關SW-SPDT的1端口通過電阻R8接+12V電源，3端口接地，2端口接NMOS管Q2柵極，NMOS管Q2源極接地，漏極接繼電器K1左端，繼電器K1右端接+12V電源，觸發器U2A的1腳接+5V電源，2腳接+12V電源，3腳連接繼電器K1的公共端，繼電器K1的兩個選擇端分別接端口Port-in1和端口Port-in2，觸發器U2A的4腳接滑動變阻器W2滑線端，5腳連接到滑動變阻器W1滑線端，6腳作為輸出端，記為端口Pulse-LC，滑動變阻器W1和滑動變阻器W2相連；

所述的脈沖驅動電路4的結構為，滑動變阻器W3的一端通過電容C3接地，滑線端接端口Pulse-LC，電容C3未接地的一端接到MOSFET驅動器U3A的2、4引腳，電容C4、電容C5并聯后一端接地，另一端接MOSFET驅動器U3A的1、6、8引腳及+12V電源，MOSFET驅動器U3A的3腳接地，5腳和7腳相連后連接到二極管D7正極和三極管Q3基極，三極管Q3集電極接地，二極管D7負極接二極管D8正極，二極管D8負極與三極管Q3發射極相連，三極管Q3發射級接電容C6一端，電容C6另一端接電感L1，電感L1與電感L2連接，電感L2接電阻R9，電阻R9接地，電感L1、電感L2之間引出端口作為輸出端，記為端口Port-out3；

所述的能量控制及儲蓄電路5的結構為：555定時器T2的1腳接數字地，2、6腳通過電容C7接數字地，4、8腳接+5V電源，5腳通過電容C8接數字地，2、6腳還通過電阻R10接7腳，7腳通過電阻R11接8腳，3腳接二輸入與非門U4A的一個輸入端和二輸入與非門U4B的一個輸入端，二輸入與非門U3A的另一個輸入端接二輸入與非門U4C的輸出端和N溝道場效應管Q4的柵極，二輸入與非門U4A的輸出端接二輸入與非門U4C的一個輸入端，二輸入與非門U4C的另一個輸入端接二輸入與非門U4B的輸出端，二輸入與非門U4B的另一個輸入端接運放U1B的輸出端，運放U4A的8腳和4腳分別接+5V電源和數字地，同相輸入端接穩壓二極管D9的負極，還經電阻R12接+5V電源，穩壓二極管D9的正極接數字地，運放U1B的反相輸入端通過電阻R14接模擬地并通過電阻R13接滑動變阻器W4的一端，滑動變阻器W4的另一端接模擬地，滑線端接N溝道場效應管Q4的漏極、肖特基二極管D10的正極并通過電感L3接+12V電源，N溝道場效應管Q4的源極接模擬地，肖特基二極管D10的負極作為能量控制及儲蓄電路5的輸出端記為端口H_Vdc并通過相互并聯的電容9、C10、C11、C12、C13接模擬地；

所述的功率輸出電路6的結構為，MOSFET管U5A的1、3、4、6腳接地，2腳作為輸入端口記為端口Port-in3，與端口Port-out3相連，5腳接二孔插針P2的2孔，二孔插針P2的1孔接端口H-Vdc。

本發明有外調制功能的大功率脈沖電流產生電路中，各元件優選參數為：電位器R1為100kΩ可調電阻，電位器R2為50kΩ可調電阻，電阻R3為5kΩ，電容C1為1uF，電容C2為10nF，二極管D1、二極管D2的型號均為1N4007，三極管Q1選用PNP型三極管S9012，電阻R4為20kΩ，R5為51kΩ，R6為5.1kΩ，R7為20kΩ，二極管D3、二極管D4、二極管D5、二極管D6的型號均為1N5817，電阻R8為2kΩ，N溝道場效應管Q2型號為2SK1482，繼電器K1的型號為HRS4-S-DC12V，D觸發器U2A型號為74LS74，電位器W1為10kΩ，電位器W2為50kΩ，電阻R9為10kΩ，電容C3為10pF，電容C4為100nF，電容C5為10uF，電容C6為100pF，二極管D7和二極管D8型號均為1N4148，PNP型三極管Q3型號為S9012，電位器W3為1kΩ，電感L1為10uH、電感L2為10uH，場效應管驅動器芯片型號為IXDD404，電阻R10為5.1kΩ，電阻R11為24kΩ，電容C7為1.2nF，電容C8為10nF，二輸入與非門U4A、二輸入與非門U4B、二輸入與非門U4C是型號為CD4011的集成二輸入與非門的3個工作單元，運放U1A、運放U1B是型號為TLC2252集成運放的2個工作單元，電感L3為560uH，電阻R12為5.1kΩ，電阻R13為15kΩ精密電阻，電阻R14為3.3kΩ精密電阻，N溝道場效應管Q4型號為IRF530，電位器W4為100kΩ，二極管D9為穩壓二極管，穩定電壓為2.5V，二極管D10的型號為SB5200，電容C9為4.7uF/150V滌綸電容，電容C10為4.7uF/150V滌綸電容，電容C11為100nF/150V滌綸電容，電容C12為10nF/150V滌綸電容，電容C13為4.7nF/150V滌綸電容，場效應管U5A型號為DE275-201N25A。

有益效果：

1、本發明能穩定輸出的大幅度窄脈沖，能為半導體激光器提供穩定的大功率激勵源。

2、本發明能在脈寬調節電路和功率輸出電路之間增加了脈沖驅動電路，有效地解決前后級之間相互影響導致的窄脈沖輸出波形不好的問題。

3、本發明設有外調制輸入功能，可實現在復雜系統中與其它設備同步使用的功能。

4、本發明設計了能量控制及儲能電路，有效提高了電路的輸出電壓。

附圖說明：

圖1是本發明的系統整體原理框圖。

圖2是本發明的脈沖產生電路1的原理電路圖。

圖3是本發明外調制輸入電路2的原理電路圖。

圖4是本發明的脈寬調節電路3的原理電路圖。

圖5是本發明的脈沖驅動電路4的原理電路圖。

圖6是本發明能量控制及儲蓄電路5的原理電路圖。

圖7是本發明的功率輸出電路6的原理電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖，說明本發明各部分電路的具體結構和工作原理。附圖中各原件參數為各實施例的優選電路參數。

實施例1 系統整體結構

如圖1所示，系統結構有脈沖產生電路1、外調制輸入電路2、脈寬調節電路3、脈沖驅動電路4、能量控制與儲能電路5、功率輸出電路6構成，脈沖產生電路1產生一路頻率可調的方波信號作為脈寬調節電路3的一路輸入，外調制電路2接收外部調制信號的輸入并作為脈寬調節電路3的另一路輸入，脈寬調節電路3根據需要從脈沖產生電路1和外調制輸入電路2中選擇一路信號并將其變換成脈寬可調的窄脈沖輸出到脈沖驅動電路4，脈沖驅動電路4可實現前后級之間的阻抗匹配，同時隔離了后級對前級的影響，功率輸出電路6將脈寬調節電路3輸出的超短電壓脈沖轉換成超短電流脈沖輸出到負載，能量控制及儲能電路5將普通的直流電源轉換成能量很高的高壓源為功率輸出電路6提供能量，以保證大負載下功率輸出電路6能夠輸出有效的脈沖電流。

實施例2 脈沖產生電路

本發明的脈沖產生電路部分如圖2所示，所述的脈沖產生電路1的結構為，芯片TLC555的1腳接地，4腳、8腳接+12V電源，2腳、6腳一起接二極管D1負極、電容C1的一端和二極管D2的正極，電容C2的另一端接地，二極管D2的負極接可調電阻R2的一端，可調電阻R2的另一端和二極管D1的正極一起接芯片TLC555的7腳，還接可調電阻R1的一端，可調電阻R1的另一端接PNP型三極管Q1的發射極和+12V電源，芯片TLC555的5腳通過電容C2接地，3腳接三極管Q1的基極，三極管Q1的集電極通過電阻R3接地，三極管Q1的集電極作為脈沖產生電路1的信號輸出端，記為端口Port-out1。當系統工作在內觸發模式時，該模塊可產生一個頻率可調的方波信號提供給脈寬調節電路3，通過調節該模塊中的可調電阻R1、R2可改變方波的頻率。

實施例3 外調制輸入電路部分

本發明的外調至輸入電路部分如圖3所示，二孔插針P1的1孔通過電阻R4與運放U1A的反相輸入端相連，2孔接地，運放U1A的輸出端連接電阻R5，電阻R5連接電阻R6，R6接地，運放U1A的同相輸入端連接在R5、電阻R6之間，二極管D3負極正極，二極管D3負極與運放U1A的反相輸入端相連，二極管D4的負極接+5V電源，正極接運放U1A的反相輸入端，二極管D5正極連接到電阻R7和二極管D6負極，電阻R7與運放U1A的輸出端相連，二極管D6正極接地，二極管D5負極接+5V電源，在二極管D5、二極管D6之間引出外調制輸入電路2的輸出端，記為端口Port-out2。當系統工作在外調制模式時，該模塊可接收外部調制信號，并調整到適合后級使用的幅度，輸出給脈寬調節電路3。

實施例4 脈寬調節電路

本發明的脈寬調節電路部分如圖4所示，單刀雙擲開關SW-SPDT的1端口通過電阻R8接+12V電源，3端口接地，2端口接NMOS管Q2柵極，NMOS管Q2源極接地，漏極接繼電器K1左端，繼電器K1右端接+12V電源，觸發器U2A的1腳接+5V電源，2腳接+12V電源，3腳連接繼電器K1的公共端，繼電器K1的兩個選擇端分別接端口Port-in1和端口Port-in2，觸發器U2A的4腳接滑動變阻器W2滑線端，5腳連接到滑動變阻器W1滑線端，6腳作為輸出端，記為端口Pulse-LC，滑動變阻器W1和滑動變阻器W2相連。通過單刀雙擲開關SW-SPDT可以使繼電器選擇不同的輸入信號，以實現內觸發或外調制，由觸發器U2A及滑動變阻器W1和滑動變阻器W2構成的脈沖整形電路將前級的普通方波變換成超窄脈沖，且脈沖寬度可以由滑動變阻器W1和滑動變阻器W2進行調節。

實施例5 脈沖驅動電路部分

本發明的脈沖驅動電路部分如圖5所示，滑動變阻器W3的一端通過電容C3接地，滑線端接端口Pulse-LC，電容C3未接地的一端接到MOSFET驅動器U3A的2、4引腳，電容C4、電容C5并聯后一端接地，另一端接MOSFET驅動器U3A的1、6、8引腳及+12V電源，MOSFET驅動器U3A的3腳接地，5腳和7腳相連后連接到二極管D7正極和三極管Q3基極，三極管Q3集電極接地，二極管D7負極接二極管D8正極，二極管D8負極與三極管Q3發射極相連，三極管Q3發射級接電容C6一端，電容C6另一端接電感L1，電感L1與電感L2連接，電感L2接電阻R9，電阻R9接地，電感L1、電感L2之間引出端口作為輸出端，記為端口Port-out3。該模塊實現前后級之間的阻抗匹配，有效地將前級的超窄脈沖電壓信號輸出到后級的功率輸出電路5，同時隔離了后級對前級的影響。

實施例6 能量控制及儲蓄電路部分

本發明的能量控制及儲能電路部分如圖6所示，電容C7、C8、C9、C10、C11并聯后一端接地，另一端作為輸出端記為端口H-Vdc，還接二極管D9負極，二極管D9正極接變壓器T1初級線圈一端，變壓器T1初級線圈另一端接地，次級線圈左端口接電阻R10，電阻R10接+12V電源后與DC-DC變換器U4A的6腳相連，DC-DC變換器U4A的6腳接電容C12，電容C12另一端接地，DC-DC變換器U4A的6腳還接電阻R12，電阻R12接DC-DC變換器U4A的1腳，變壓器T1次級線圈左端口還通過電阻R11與DC-DC變換器U4A的8腳連接，變壓器T1次級線圈左端口還與DC-DC變換器U4A的7腳相連，DC-DC變換器U4A的5腳接電阻R13，電阻R13另一端同時接地和DC-DC變換器U4A的4腳，變壓器T1次級線圈右端口接NMOS管Q4漏極，NMOS管Q4源極接地，柵極接DC-DC變換器U4A的2腳并通過電阻R14接地，DC-DC變換器U4A的3腳通過電容C13接地，二極管D9的正極通過電阻R15連接到滑動變阻器W4滑線端，滑動變阻器W4的一端接DC-DC變換器U4A的5腳。該模塊將普通的直流電壓源的能量和電壓提高到百伏級別(類似于憋壩效應)，在功率輸出電路5輸出窄脈沖的瞬間，為其提供足夠的能量，以實現大負載的條件下仍能輸出設定電流。

實施例7 功率輸出電路部分

本發明的功率輸出電路部分如圖7所示，MOSFET管U5A的1、3、4、6腳接地，2腳作為輸入端口記為端口Port-in3，與端口Port-out3相連，5腳接二孔插針P2的2孔，二孔插針P2的1孔接端口H-Vdc。該模塊將前級產生的窄脈沖電壓信號變換為窄脈沖電流信號輸出到負載。