超高速数字分幅相机中快门控制电路设计

    超高速数字分幅相机通过镜头后部的光学分幅系统分束，影像光束被均匀分为 8 路，每一路投射到像增强器的光电阴极表面成像，快门控制电路产生极快脉冲选通开启和关闭像增强器［1－2］，从而实现分幅高速摄影。像增强器从选通开启到关闭的时间就是曝光时间。超高速数字分幅相机的拍摄速度由选通像增强器的脉冲直接决定。因此，快门控制系统就是相机实现超高速摄影的核心模块。选用脉冲电路作为快门的控制系统，可以将电脉冲的优点转移到相机快门上，主要表现在: 脉冲速度快，对应快门动作迅速; 电路集成度高，占用空间小; 系统受物理环境影响较小，稳定度高; 脉冲承载能量少，功耗较低。当然脉冲电路也存在时序控制复杂的缺点。

    1 超高速数字分幅相机快门电路系统设计方案

    由于电路的最终输出是一个正脉冲，而在实际应用直接对高压信号进行幅值、脉宽调节并不方便，所以我们选择操作灵活的数字电路对触发信号进行延时处理，以获得合适宽度的低压脉冲。因此整个快门控制电路由配置模块和调节脉冲的延时电路两大块组成。如图 1 所示。

    为满足超高速分幅相机快门 ns 级曝光时间参数要求，并保证相机功能的完整性，则快门控制电路的具体要求如下:

    ( 1) 输出脉冲幅值为+5 V;

    ( 2) 输出脉冲宽度最小达 10 ns;

    ( 3) 脉冲宽度 10 ns 可调;

    ( 4) 系统数据掉电不丢失，再次上电时电路功能不变;

    ( 5) 可实现与外部通信。

    1． 1 控制信号脉冲形成方案

    在数字电路中，输入到输出经历的时间与其工作的系统时钟周期存在逻辑关系，可以通过定义不同的数字逻辑来改变延迟时间; 模拟电路中，模拟器件会对传输信号产生固有延迟，这两种延迟时间可用来实现脉冲的延时。因此实现脉冲延时有两种方法即数字方法和模拟方法，我们称之为数字延时和模拟延时。下面将对这两种延时实现进行介绍。

    ( 1) 数字延时

    数字延时通常通过计数器法和存储器法实现。

    计数器延时的方法类似于分频的方法，当计数器计数到设定值( N) 时，计数时间等于延迟时间( t) ，延时完成。延迟时间的运算表达式如下:

t = NT = N( 1 / f) ( 1)

    式( 1) 中 T 为计数器工作时钟周期，f 为时钟频率。

    例如若需延迟时长 0． 5 μs，系统时钟为 100MHz，则由上式计算得设定值 N = 50。以加法器为例，首先将 N=50 设置到计数器内，计数器清零等待计数，当需要延迟的脉冲信号到来时，以脉冲上升沿触发计数器开始计数，每经过一个系统时钟计数器加一，直到到达设定值 50，停止计数并清零，在第 51个系统时钟的上升沿输出一个与原始脉冲等脉宽的脉冲信号，即完成脉冲的延时，输出的延迟时间是0． 5 μs。如图 2 所示。