01 矩形高压脉冲

  昨天看到有同学在公众号（TSINGHUAZHUOQING）留言提出了一个有趣的问题。

如何将脉冲整成高压矩形脉冲？

  卓大大，怎么将一个电压比较高的尖脉冲整形成矩形脉冲啊？我想把如图所示的脉冲整成脉宽为100ns，幅值为250V的矩形脉冲。

  卓老师，我是准备用一幅值250V，脉宽100ns的矩形脉冲激励超声波探头，但目前产生的脉冲是尖脉冲。矩形脉冲与触发脉冲同步。负载是超声波探头，可以看成一电容负载，等效阻抗较小。

问题分析

  实际上，如果仅仅是产生一个幅值达到250V，脉宽为100ns的矩形脉冲，这在电子学工程上实现的确是一个挑战，它涉及到：

• 高频电子：根据脉冲宽度，可以看到它的频谱主瓣已经达到10MHz了。
• 功率电子：脉冲幅度达到250V，这也达到并超出了一般功率电子器件耐压范围。

  说实在，我在这方面设计经验也不足。在网络上，通过检索“high power pulse generator ”, 以及“Micro second high voltage pulse”，可以查看到一些相关文献。

  在  Simple MOSFET-Based High-Voltage Nanosecond  Pulse Circuit^[1] 给出了基于MOSFET的高压高速脉冲电路设计。

  电路中采用了普通逻辑器件产生脉宽 200ns的脉冲波形，通过MOSFET专用驱动芯片  MC33151^[2] 驱动 射频功率MOSFET DE275-501N16A^[3] ，输出高压脉冲。

  下面是该论文给出的实验测试结果。可以看出电路输出了峰值为375V，脉宽为125ns的反向高压脉冲。

  还有一些专门的高功率脉冲设备：

• High Power Pulse Instruments GmbH^[4]

  下面是输出相关的高压脉冲波形参数：

• Medium & High Voltage Pulse Generators (Rise Time > 1 ns) ：给出了一个产品系列，可以输出不同规格峰值的脉冲。

  在  High-voltage power pulse circuit^[5] 给出了一个输出可以高达1000V，输出电流50A的， 电压上升时间100ns的高压脉冲电路。

  在  Circuit Modules for CMOS High-Power Short Pulse Generators^[6] 给出了设计高功率短脉冲信号设计参考规范。

  在 Design of a High Voltage Pulse Generator with Large  Width Adjusting Range for Tumor Treatment^[7]  给出了用于肿瘤治疗中宽度可调高压脉冲电路。文章不仅给出了电路低压信号产生电路，同样也给出了功率输出，采用并联MOSFET半桥增加输出功率。

  下面就不再一一列举了。从上面可以看到对于这类高压高速脉冲设计来讲，无论是在电路原理分析、还是电路实现经验方面都有着较高的要求。

  不过从提问同学对于问题表述来看，这些方案计时他自己查找到，需要多长时间能够理解、比较、测试，现在还不得而知。哪一种更适合他的要求，还需要他自己进行判断。

系统看待问题

  说实在的，最初提问的同学仅仅询问如何将一个普通脉冲整型到一个高压矩形脉冲。通过我后面追问，才知道他希望使用该高压脉冲驱动超声波换能器，他剩下的也就没有介绍了。我估计，他是希望通过超声波换能器发送超声波达到测距，或者无损检测等方面的应用。

  如果你只是针对一个理论问题，比如矩形脉冲频谱分析等，只要把已知条件给出就可以求解了。但是类似于电路系统这类工程问题，在提问的时候，还是需要把应用背景、边界条件、指标要求等信息给出。否则可能得到的答案根本无法解决你的问题。

  实际上，弄清楚那些是边界条件也需要理论和经验支撑才行。

  通过他提问中使用到对脉冲进行“整型”，这还是普通模拟自己中的概念，所以猜测它对于高速电路、功率电子等方面还欠缺，所以我也就不再继续提问了。

是否需要矩形波？

  在前面所有高压脉冲电路方案中，绝大部分都是假设负载是50Ω阻性负载。但同学提问中需要驱动的对象是压电陶瓷的超声波换能器。

  建议阅读 超声波传感器特性测量：发送与接收传感器之间的差异^[8] 中对于超声换能器特性测量分析。虽然文中是对普通的超声波发送和接收传感器的测试，也说明了这类换能器大都符合谐振系统特性。他们吸收外部电功率的最佳方式是输入的信号频谱能够位于换能器谐振带宽之内。否则多余的脉冲中的频谱分量只能通过热量被消耗，而无法转换成输出的声能。

  这就需要对脉冲输出对象的频率特性进行测量，才能够正确给出输出信号的波形。这类问题会在“信号与系统分析”课程的第六章，关于系统频率分析与测试；以及第三章，信号频谱分析中进行讲解。建议该同学在网络上找到相应的资料把基本的概念补充一下即可。

信号处理

  通常情况下，用于测距，或者无损检测中的超声波信号，为了能够提高检测精度，需要后期对信号进行处理，除了放大，整型之外，还需要进行波形补偿和参数估计等。信息处理（包括智能信息处理）是将很多物理量进行关联的好的粘结剂，使用恰当，则可以利用低等级电路来获得高品质的信息。

  综上所述，对于一个电路设计问题，建议从系统分析的角度来对待。不仅仅了解电路本身设计边界，同时对于电路驱动对象以及之后的应用需要通盘考虑。如果仅仅是局部设计和优化，往往会碰到瓶颈，或者事倍功半。

02 只要那个苹果

  今天早上从家走到学校的路上，听手机上的一个讲演：年轻人不应该只做一颗困守一方的螺丝钉，要做一个即插即用的零件^[9] 。演讲者通过她所从事的传媒业在数字时代下的巨变，给出现在年轻人的一个建议：不要做螺丝钉，需要做即插即用的U盘。

  当然，这类公知演讲中的观点，是对数字时代信息泛在环境所引起的人们焦虑的心灵鸡汤，虽一定道理，但还是经不起推敲的。可以看到演讲下面的评论区中的内容。比如：

• 就是曾经被一篇文章误导，不可一业不专，不可只专一业！老子现在都是半吊子！应聘时人家都说不专业；
• 知识面越广越没有深度；
• 任何事，皮毛容易吸收，但是精华得下功夫！
• 这个女的胡说得好像很有道理，仔细分析她的话，大道理都是对的，分析她的大部分再深入一点术语全是胡说八道！

  关键问题在后面，她的演讲到了教育变化，她提到：

• 就像人永远不能够踏入同一条河流，知识也不可能有着它的重复性；
• 由于知识边界在飞速的拓展，所以年轻人不再需要系统性的学习某一门学科；
• 满足年轻人的及时、快速的拿到那个知识点：不需要一个成长的树，只需要上面的苹果；
• 通过她的朋友在网络上编辑知识短视频得出：每个人需要对知识进行主动演绎；
• 每个人不需要苦哈哈坐在教室里去学习，每个人应该拥有他自己需要掌握的知识，不需要标准化、体系化的知识；

        演讲者的这些观点，让我们都不知道该怎么评判了。肯定其观点中有合理的部分，否则也不会被她这么清晰的进行表述。但背后的问题，也引人深思。

03 脉冲与苹果

  今天把回答同学关于高压脉冲电路设计问题与“只要苹果，不要大树”学习理念对比，也对自己从事的教学、科研以及组织智能车大赛进行反思。

        通过前面高压脉冲电路设计问题，可以看到，如果脱离了系统化电路设计的理论知识和经验，自己只吃“知识苹果”，有可能对问题本身都无法阐述清楚，更说明不了如何在各种网络上给出的水果中挑选一个适合自己的苹果了。

  昨天，山东大学陈桂友教授给我发送了以下信息，看到网络上广泛存在着这类“销售苹果”的帖子。建议对此进行严肃查处。

  毋庸置疑，现在很多的知识技能都逐步软件化，作为一般未来职场从业人员需要不断更新自己软件工具箱中的这些能力。但在学习过程中所培养起来的这种探究兴趣、求取卓越冲动是只索取“知识苹果”所无法完成的。

  下面展示了今天上午一位来自山东大学参加智能车竞赛的同学，在其参赛过程中，在电路板设计、控制算法、任务完成方案等方面的优化，也体现了竞赛给真心热爱技术和科学同学们的锻炼能力。

参考资料