基于FPGA的激光器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

王小雨 黨敬民 王一丁

（吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引言

利用波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)(Wavelength Modulation Spectroscopy, WMS)測(cè)量氣體濃度，需要使用波長(zhǎng)可調(diào)諧的激光器，分布反饋式（Distributed Feed Back, DFB）激光器是可選的一種光源[1]。本文介紹了用于波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)的激光器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。由于波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電流有確定的依賴(lài)關(guān)系，研究半導(dǎo)體激光器的電流驅(qū)動(dòng)是很有必要的，本文設(shè)計(jì)的壓控恒流源可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的恒流驅(qū)動(dòng)。通過(guò)直接頻率合成技術(shù)（Direct Digital Synthesis,DDS）產(chǎn)生的正弦信號(hào)和三角信號(hào)可以對(duì)激光器的波長(zhǎng)進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DFB半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)調(diào)制和波長(zhǎng)掃描。

1 利用FPGA實(shí)現(xiàn)DDS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 基于FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)DDS主體部分的設(shè)計(jì)

圖1 DSS基本結(jié)構(gòu)圖

DDS是以奈奎斯特采樣定理為基礎(chǔ)，通過(guò)控制相位的增加量，最終合成不同頻率的波形信號(hào)。由DDS基本原理可知，f=Kf0/2N。其中，f0是系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率，N為相位寄存器的字長(zhǎng)，K是頻率控制字。由此可知，輸出頻率f的大小由N和K的大小決定。

DSS基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它包括頻率控制字、相位控制字、加法器、寄存器、波形存儲(chǔ)器、DAC等模塊。本設(shè)計(jì)以正弦信號(hào)產(chǎn)生為例，采用層次結(jié)構(gòu)，使用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)，并利用A1tera公司的QuartusII軟件對(duì)各部分模塊的代碼進(jìn)行編譯和仿真，[2]仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 DDS系統(tǒng)仿真波形圖

在本文設(shè)計(jì)中，為了獲得頻率為20kHz的正弦信號(hào)，相位字pword設(shè)為0，這主要為了初始相位為0，相位寄存器設(shè)為10位，通過(guò)DDS基本原理可知，，頻率字fword應(yīng)設(shè)定為65535。從圖2可知，輸入時(shí)鐘clk被鎖相環(huán)分頻成頻率較低的輸出時(shí)鐘as，最終輸出信號(hào)的頻率fout約為20k Hz，符合最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)?；贔PGA生成的DDS優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)改變波形存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)，可以靈活地生成任意波形。[3]

1.2 DDS系統(tǒng)模塊測(cè)試

本系統(tǒng)采用A1tera公司CycloneII系列的EP2C8Q208C8N型芯片，總邏輯單元達(dá)8256個(gè)，I/O引腳為138個(gè)，該芯片具有強(qiáng)大的硬件邏輯功能。將DDS信號(hào)源設(shè)計(jì)文件在線(xiàn)編譯下到FPGA最小系統(tǒng)板上，再通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換器，最終得到了輸出頻率為20k Hz的正弦波形，其用來(lái)進(jìn)行DFB激光器的調(diào)制，如圖3所示。[4]

圖3 正弦波形圖

同理, 通過(guò)改變.mif文件，在波形存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)改為三角波的數(shù)據(jù)，頻率控制字設(shè)置為65，就可以得到頻率為20 Hz的三角波，它將用來(lái)對(duì)DFB激光器進(jìn)行掃描，如圖4所示。

圖4 三角波形圖

1.3 加法器電路

DDS產(chǎn)生的兩路信號(hào)需要加法器進(jìn)行疊加。加法器的核心器件是運(yùn)算放大器。本系統(tǒng)采用同向加法電路，如下圖5所示。

圖5 加法器電路

具體求解過(guò)程如下：

由戴維南定理[5]可得

當(dāng)運(yùn)算放大器工作于線(xiàn)形區(qū)時(shí)，由“虛短”和“虛斷”的原理[6]可知 ：u2=u3，聯(lián)立（式 1）和（式 2）可得

2 壓控恒流源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了壓控恒流源，它主要是利用電壓負(fù)反饋的原理制作而成的，它由運(yùn)算放大器OP07 N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管、采樣電阻和二極管等組成，原理圖如圖6所示。

圖6 壓控恒流源電路原理圖

根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理可知，當(dāng)該電路正常工作時(shí)候，流過(guò)激光器的電流Ilaser等于流過(guò)電阻R23的電流IR23，即：

為了保證電路在動(dòng)態(tài)的過(guò)程中保持激光器電流的穩(wěn)定性，電容與運(yùn)放并聯(lián)，形成積分電路，作用是給予阻尼，防止電路震蕩。與激光器并聯(lián)的反向二極管是起分流作用，防止浪涌擊穿激光器，保護(hù)激光器。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路，重點(diǎn)介紹了利用FPGA實(shí)現(xiàn)DDS的方法。利用QuartusII軟件進(jìn)行在線(xiàn)仿真，減少了后期進(jìn)行綜合試驗(yàn)的錯(cuò)誤率。在完成系統(tǒng)的核心部分設(shè)計(jì)之后，對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的討論，包括加法器和壓控恒流源的設(shè)計(jì)等。該驅(qū)動(dòng)電路全程設(shè)計(jì)數(shù)字化，可以很方便的應(yīng)用到激光器驅(qū)動(dòng)和氣體檢測(cè)中，具有一定的參考意義。

[1] 沈婷婷，喬川，周曹等.半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].紅外，2008，29（12）：40-42.

[2] 金學(xué)哲.直接數(shù)字頻率合成器(DDS)及其FPGA實(shí)現(xiàn)[D].南京：南開(kāi)大學(xué)，2002.

[3] 許文佳.基于FPGA的數(shù)字鎖相放大器的設(shè)計(jì)與研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)大學(xué)，2012.

[4] 雷立云.數(shù)字式頻率合成器的研究與設(shè)計(jì)[D].湖南：湖南大學(xué)，2007.

[5] 李瀚蓀.電路分析基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006，5，135-142.