48級灰度線性聲光調制驅動源研究*

魏玉蕓，張志偉，2*，張文靜，朱祥

(1.中北大學信息與通信工程學院，太原030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051)

48級灰度線性聲光調制驅動源研究*

魏玉蕓1，張志偉1，2*，張文靜1，朱祥1

(1.中北大學信息與通信工程學院，太原030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051)

設計了一種衍射光強灰度值隨數(shù)字調制電壓成線性變化的48級灰度線性聲光調制驅動源。該設計通過數(shù)字電壓控制電路把0～5 V(D.C.)分為48檔次的數(shù)字調制電壓，進而對高頻載波信號進行幅度調制，使該驅動源輸出相應的射頻驅動信號，通過聲光調制實驗得到對應的衍射光強灰度值并顯示相應的灰度等級。針對聲光器件固有的非線性特性，通過線性電壓補償技術得到補償后的衍射光強灰度值與數(shù)字調制電壓的線性相關系數(shù)為97.73%，比補償前提高了7.06%。

驅動源;數(shù)字電壓控制技術;聲光調制;幅度調制;衍射光強

隨著激光技術的快速發(fā)展和優(yōu)質聲光晶體材料的開發(fā)，基于布拉格衍射效應的聲光調制技術與器件已廣泛應用于激光大屏幕圖文顯示、激光外差干涉技術和其他高精度測量等領域［1-3］。聲光調制器主要由激光源、聲光器件和聲光調制驅動源3部分組成。聲光調制驅動源輸出射頻驅動信號驅動聲光器件，該器件將電信號轉換成超聲信號并作用于聲光介質，在聲光介質中利用超聲波產生的對光束衍射的“立體光柵”和激光的相干性可以快速有效地控制激光束的強度、方向和頻率［4-6］。本設計中通過改變作用于聲光器件的超聲波的功率，進而實現(xiàn)對激光束強度的控制［7］。聲光調制驅動源是聲光調制器的關鍵組成部件，其工作性能的優(yōu)劣將直接影響聲光調制器的工作狀態(tài)。雖然傳統(tǒng)的線性聲光調制驅動源涉及到控制電壓的線性補償技術，但并未研究數(shù)字電壓產生的方法，即先前的技術不具有數(shù)字電壓直接控制的功能，不利于實現(xiàn)微機自動控制，同時也不具有灰度等級顯示的功能，導致聲光調制器在應用于光外差技術和其他高精度測量等領域達不到良好的測量效果。基于以上背景，本文在所設計的48級灰度線性聲光調制驅動源中引入數(shù)字電壓控制及線性電壓補償技術以進一步提高聲光調制器的工作性能。

1 驅動源的總體設計

在激光大屏幕顯示應用領域，為了使圖像信息具有一定的灰度等級;在激光外差干涉測量領域，為了實現(xiàn)納米級精度測量等，聲光調制器須具備良好的工作性能。這就要求所設計的聲光調制驅動源能達到:射頻輸出信號頻率穩(wěn)定度高、其驅動聲光器件后得到的衍射光強灰度值與調制信號的線性相關系數(shù)大、灰度等級達到所需測量的要求并實時顯示灰度等級，其主要性能指標參數(shù)為:

調制信號模式數(shù)字電壓

工作頻率149±1 MHz

頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-5/h

輸出阻抗50Ω

電壓可調范圍0～5 V

線性相關系數(shù)線性電壓補償后大于97%

灰度等級線性電壓補償后增至48級且可顯示

所設計的48級灰度線性聲光調制驅動源由數(shù)字電壓控制電路、電平轉換電路、晶體振蕩電路、調幅電路、前置放大電路和功率放大器等部分組成［8-10］，其電路結構框圖如圖1所示。其工作原理:數(shù)字電壓控制電路將0～5 V的直流電壓變?yōu)?8檔次的數(shù)字電壓，然后經電平轉換電路得到48檔次的數(shù)字調制電壓，該數(shù)字調制電壓通過調幅電路對晶體振蕩電路產生的高頻載波信號進行幅度調制得到調幅信號，調幅信號再經過前置放大電路線性放大后驅動功率放大器產生射頻驅動信號。

圖1 48級灰度線性聲光調制驅動源的結構框圖

2 電路設計原理

2.1 數(shù)字電壓控制電路

數(shù)字電壓控制電路主要由微處理器AT89C51、程序存儲器、灰度等級選擇電路、顯示驅動電路與LED顯示器等組成。其中，灰度等級選擇電路由3組數(shù)字控制的模擬電子開關電路CD4067、3組電阻分壓電路(每16個精密可調電位器為一組)、1個上拉電阻和1個灰度等級選擇按鈕組成。顯示驅動電路與LED顯示器由1片顯示驅動芯片MAX7219及4位共陰的7段數(shù)碼管LED組成。數(shù)字電壓控制電路的工作原理:微處理器在程序存儲器中的程序控制下，通過灰度等級選擇電路得到灰度等級數(shù)據，之后把灰度等級數(shù)據通過顯示驅動電路顯示于LED顯示器，同時給多路數(shù)字控制模擬電子開關發(fā)送控制命令，選通48組電阻分壓器的一組，并產生相應的檔次電壓。

2.2 晶體振蕩器電路

晶體振蕩電路主要由有源晶振、選頻網絡和射極跟隨器等組成，其電路原理圖如圖2所示。有源晶振內置有振蕩電路，只需提供合適的直流電源，即可輸出穩(wěn)定頻率信號，連接方式相對簡單，不需復雜的配置電路。在其供電端采取了電源濾波及穩(wěn)壓措施，設計中在直流電源與地之間連接一個較大容值的電解電容和較小容值的瓷片電容，主要用來濾除輸出紋波和噪聲，在有源晶振的電源輸入端口接一穩(wěn)壓二極管，從而為晶振提供恒定的電壓，使輸出信號幅值穩(wěn)定。在有源晶振輸出端接LC選頻網絡，得到頻率為149 MHz的輸出信號。由于該信號主要為電壓信號，電流很小，因此將選頻網絡輸出的信號經射極跟隨器進行電流放大，得到高頻載波信號，其頻率穩(wěn)定度可達1.5×10-5/h。

圖2 晶體振蕩器電路原理圖

2.3 調幅電路

為了實現(xiàn)數(shù)字調制電壓對高頻載波信號的幅度調制，設計中采用了混頻器SCM-1來完成，其設計原理是二極管環(huán)形混頻器，其電路結構原理圖如圖3所示。該電路由三線傳輸線變壓器和環(huán)式封裝的精密配對的肖特基二極管組成，具有結構簡單、隔離度高、頻帶寬和功能靈活等優(yōu)點。

圖3 混頻器SCM－1原理圖

混頻器SCM-1有3個端口(本振、射頻和中頻)，分別以LO、RF和IF來表示，根據信號輸入和輸出的端口不同，可實現(xiàn)很多不同的功能［11］。本設計中混頻器SCM-1用作調幅器，也可稱之為調幅器SCM-1，其管腳接法是:數(shù)字調制信號u1加在IF端，載波信號u2加在RF端，則LO端輸出調幅信號。通過改變輸入的數(shù)字調制電壓u1的大小可以改變輸出調幅信號的幅度。由于從振蕩電路輸出的載波信號的幅度較小(U2m＜0.5 V)，因此，調幅器SCM-1中二極管的通斷主要受數(shù)字調制電壓u1的控制，其工作特性如下:

當u1＜0.5 V時，4個二極管均截止，此時幾乎無信號輸出。

當u1＞0.5 V時，二極管D1、D3導通，D2、D4截止。

設流過二極管D1、D3的電流分別為id1、id3，其兩端的電壓分別為ud1、ud3，動態(tài)電導分別為gd1、gd3，LO端口輸出瞬時電流為io，輸出瞬時電壓為uo，則:

由于在同一時刻加在二極管D1、D3上的控制電壓u1是相同的，且D1、D3是精密配對的二極管，因此，其時變電導也是相同的，即

式中，Is是反向飽和電流，UT是溫度的電壓當量［12］，得出:

由于混頻器SCM-1各端口匹配阻抗均為50 Ω，因此，其輸出特性方程可表示為:

式中，u2=U2mcos(2πfct)(其中，fc=149 MHz)，K為增益常數(shù)，其數(shù)值與混頻器SCM-1的電路參數(shù)有關。

2.4 前置放大電路

經調幅電路輸出的信號很小，需將其線性放大后方可驅動功率放大器。設計中選用分立元器件構成高頻小信號放大器，其主要作用是線性放大電壓信號，主要由高頻三極管C3355作為該放大器的核心器件，其特征頻率高，可達7 GHz，且具有低噪聲和高功率增益的特性。在三極管基極接20 kΩ的偏置電阻，由于輸入的調幅信號很小，信號工作在三極管的線性范圍內，實現(xiàn)了對調幅信號的線性放大。

2.5 功率放大器

功率放大器將前置放大電路輸出的信號進一步放大后得到射頻驅動信號以驅動負載。由于所設計的48級灰度線性聲光調制驅動源用于驅動插入阻抗為50Ω的聲光器件，因而功率放大器采用負載阻抗為50Ω的集成高頻功率放大器MHW 6222，其放大性能及頻率響應特性等均符合設計要求。

3 實驗結果、分析及線性電壓補償

3.1 實驗結果、分析

為了研究所設計的48級灰度線性聲光調制驅動源的工作性能，構造了如圖4所示的聲光調制實驗裝置。該裝置主要由半導體激光器、激光器驅動源、聲光器件、48級灰度線性聲光調制驅動源、光電探測器及其驅動源、顯示單元、安裝有可調光闌的手動精密圓周旋轉臺及用作光路準直的光具座和調節(jié)支架等組成。

圖4 聲光調制實驗裝置原理框圖

實驗中，半導體激光器產生中心波長為650 nm的激光束，仔細調節(jié)光路，使半導體激光器射出的光束準確地穿過聲光介質，使激光強度達到最大。然后給48級灰度線性聲光調制驅動源通電使其工作，產生149 MHz的射頻驅動信號，該信號經50Ω的同軸線輸入到聲光器件。通過調節(jié)固定聲光器件的精密圓周旋轉臺，使入射光束以布拉格角入射至聲光介質，從而使聲光調制器工作在布拉格衍射狀態(tài)［13］。之后，調節(jié)精密圓周旋轉臺的可調光闌，使+1級衍射光準確地射入光電探測器的接收端口。當?shù)?次按下灰度等級選擇按鈕(其為自復按鈕)時，4位LED顯示L-01，表示灰度等級為1，這時電平轉換電路輸出數(shù)字調制電壓為0.1 V;當?shù)?次按下該自復按鈕時，LED顯示L-02，表示灰度等級為2，這時電平轉換電路輸出數(shù)字調制電壓為0.2 V;…，當?shù)?8次按下該自復按鈕時，LED顯示L-48，表示灰度等級為48，這時電平轉換電路輸出數(shù)字調制電壓為4.8 V。同時，每按下一次自復按鈕，通過顯示單元讀取一次+1級衍射光強灰度值。得到48檔次數(shù)字調制電壓以及與其對應的衍射光強灰度值，衍射光強灰度值隨數(shù)字調制電壓的變化關系如圖5所示。

圖5 +1級衍射光強灰度值隨數(shù)字調制電壓的變化

由圖5可知，在0.1 V～4.8 V的數(shù)字調制電壓范圍內，衍射光強灰度值與數(shù)字調制電壓為非線性關系，線性相關系數(shù)為90.67%。由實驗結果得出，當數(shù)字調制電壓小于及等于0.5 V時，衍射光強灰度值為最小值0.12 V并保持不變，這主要是由設計中調幅器SCM-1的工作特性決定的，在此區(qū)間調幅器SCM-1的二極管元器件皆處于截止狀態(tài)，幾乎不輸出信號;當數(shù)字調制電壓在0.7 V～3.4 V區(qū)間變化時，+1級衍射光強灰度值隨數(shù)字調制電壓成非常好的線性關系，線性相關系數(shù)達到97.83%。這是調幅器SCM-1和聲光器件共同作用的結果，在此區(qū)間調幅器SCM-1工作在線性區(qū)，同時，由于加入了超聲偏置，使得聲光器件工作在線性區(qū)且未達到其飽和區(qū)［14］;當數(shù)字調制電壓大于及等于3.4 V時，衍射光強灰度值達到最大值5.98 V并保持不變，這主要是由聲光器件固有的非線性特性決定的，聲光調制驅動源輸出信號的功率達到一定值后，聲光器件工作在飽和區(qū)，從而限制了射頻驅動信號對衍射光強的線性調制。

3.2 線性電壓補償

為了使衍射光強灰度值隨數(shù)字調制電壓成良好的線性關系，同時在衍射光強灰度變化范圍不變的前提下使灰度等級達到48級，選取線性相關系數(shù)為97.83%的數(shù)字調制電壓區(qū)間0.7 V～3.4 V，用最小二乘法得到該區(qū)間的衍射光強灰度值U與數(shù)字調制電壓Ud的線性回歸方程為

記該區(qū)間的48檔次數(shù)字調制電壓為Udi(i=1，2，…，48)，以及與其對應的48級衍射光強灰度值為Ui(i=1，2，…，48)。為了使U1=Umin=0.12 V，取Ud1=0.5 V;當Ud48=3.4 V時，由式(8)得U48=6.372 6 V;由此可得衍射光強灰度值變化的梯度為

由U1=0.12 V及式(9)可得U'1=U1=0.12 V，U'2=0.253 V，U'3=0.386 V，…，U'48=6.371 V，在此基礎上由式(8)可算出U'd2=1.005 5 V，U'd3= 1.057 6 V，…，U'd48=3.399 4 V，且U'd1=Ud1=0.5 V，通過調節(jié)48組電阻分壓器可以得到該48檔次數(shù)字調制電壓U'd1，U'd2，U'd3，…，U'd48，此處的48檔次數(shù)字調制電壓針對于先前的0.1 V～4.8 V的48檔次數(shù)字調制電壓已經具備了線性補償功能，補償后衍射光強灰度值與數(shù)字調制電壓的線性相關系數(shù)為97.73%，比補償前提高了7.06%。為了清楚比較線性電壓補償前與補償后衍射光強灰度值變化趨勢，得到線性電壓補償前與補償后衍射光強灰度值與灰度等級的關系如圖6所示。

圖6 +1級衍射光強灰度值隨灰度等級變化

由圖6可得，補償后衍射光強灰度值與灰度等級的線性度比補償前明顯提高了，在保證衍射光強灰度變化范圍不變的前提下，衍射光強灰度等級達到了48級?？筛鶕煌枨螅ㄟ^增加數(shù)字控制電路中的電阻分壓器以實現(xiàn)更多灰度等級，如256級灰度等級。

4 結論

為了彌補傳統(tǒng)聲光調制驅動源輸出信號線性度差、缺乏數(shù)字電壓控制及灰度等級顯示等功能，設計了一種48級灰度線性聲光調制驅動源，對其設計原

理進行了分析，并完成了聲光調制實驗。實驗結果表明，線性電壓補償后衍射光強灰度值與數(shù)字調制電壓的線性相關系數(shù)可達97.73%，比補償前提高了

7.06 %，衍射光強灰度等級達到了48級。在激光外差干涉測量領域，利用48級灰度線性聲光調制驅動源驅動聲光調制器，容易實現(xiàn)信號光與參考光的振幅匹配，完成激光外差干涉納米級精度測量。在激光大屏幕顯示應用領域，利用256級灰度線性聲光調制驅動源驅動三基色聲光調制器，以及計算機圖像處理和控制技術，實現(xiàn)激光大屏幕圖文顯示。

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魏玉蕓(1992-)，女，漢族，山西呂梁人，中北大學，碩士研究生，主要研究方向為聲光調制通信技術，1649382962@ qq.com;

張志偉(1964-)，男，漢族，山西運城人，中北大學，教授，主要研究方向為光電探測理論與技術、自動化儀器與儀表，zhangzwei@nuc.edu.cn。

Research on 48 Gray Linear Scale Acousto-Optic M odulation Driving Source*

WEIYuyun1，ZHANG Zhiwei1，2*，ZHANGWenjing1，ZHU Xiang1

(1.College of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China;
2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

A 48 gray linear scale acousto-optic modulation driving source is designed to acheive the feature that the diffraction light intensity gray value presents a linear corresponding change with the digitalmodulation voltage.The design divides 0～5 V(D.C.)into 48 grades in digitalmodulation voltage by digital voltage control circuit，and then it is used to modulate the amplitude of the carrier signal.So the driving source outputs the corresponding radio frequency driving signal.Through acousto-optic modulation experiments obtain the corresponding diffraction intensity gray value and display corresponding gray level.Due to the inherent nonlinear characteristic of acoustooptic devices，using linear voltage compensation technique obtains the linear correlation coefficient of diffraction intensity gray value vs.digitalmodulation voltage is 97.73%，increased by 7.06%than uncompensated.

driving source;digital voltage control technology;acousto-optic modulation;amplitude modulation; iffraction intensity

C:1250;7860

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.015

TN761

:A

:1005－9490(2017)01－0077－05

項目來源:山西省自然科學基金項目(2012011010-1);專利項目(ZL2013104250410)

2016-01-12修改日期:2016-03-21