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    FPGA激光器驅(qū)動怎么辦?電路設(shè)計指南幫你忙

    發(fā)布時間:2015-02-07 責(zé)任編輯:sherryyu

    【導(dǎo)讀】本文設(shè)計了一種半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路,重點(diǎn)介紹了利用FPGA 實現(xiàn)DDS 的方法。利用QuartusII 軟件進(jìn)行在線仿真,減少了后期進(jìn)行綜合試驗的錯誤率。在完成系統(tǒng)的核心部分設(shè)計之后,對硬件電路的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的討論,感興趣的童鞋可以瞧瞧!
     
    利用波長調(diào)制光譜技術(shù)測量氣體濃度,需要使用波長可調(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。本文介紹了用于波長調(diào)制光譜技術(shù)的激光器驅(qū)動電路的設(shè)計。由于波長與驅(qū)動電流有確定的依賴關(guān)系,研究半導(dǎo)體激光器的電流驅(qū)動是很有必要的,本文設(shè)計的壓控恒流源可實現(xiàn)對激光器的恒流驅(qū)動。通過直接頻率合成技術(shù)(Direct DigitalSynthesis,DDS)產(chǎn)生的正弦信號和三角信號可以對激光器的波長進(jìn)行微調(diào),實現(xiàn)了對DFB 半導(dǎo)體激光器的波長調(diào)制和波長掃描。
      
    基于FPGA 技術(shù)實現(xiàn)DDS 主體部分的設(shè)計
    DDS 主體部分的設(shè)計
    DDS 是以奈奎斯特采樣定理為基礎(chǔ),通過控制相位的增加量,最終合成不同頻率的波形信號。由DDS 基本原理可知,f=Kf0/2N.其中,f0 是系統(tǒng)時鐘的頻率,N 為相位寄存器的字長,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。波形存儲器。DAC 等模塊。本設(shè)計以正弦信號產(chǎn)生為例,采用層次結(jié)構(gòu),使用VHDL 語言進(jìn)行程序編寫,并利用A1tera 公司的QuartusII 軟件對各部分模塊的代碼進(jìn)行編譯和仿真,仿真結(jié)果如圖2 所示。
    仿真結(jié)果
    加法器電路
      
    DDS 產(chǎn)生的兩路信號需要加法器進(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3 所示。
    加法器電路
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    壓控恒流源電路設(shè)計
      
    本系統(tǒng)設(shè)計了壓控恒流源,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)型場效應(yīng)管。采樣電阻和二極管等組成,原理圖如圖4 所示:
    壓控恒流源電路設(shè)計
    根據(jù)場效應(yīng)管的工作原理可知,當(dāng)該電路正常工作時候,流過激光器的電流Ilaser 等于流過電阻R23 的電流IR23.
      
    為了保證電路在動態(tài)的過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。
      
    本文設(shè)計了一種半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路,重點(diǎn)介紹了利用FPGA 實現(xiàn)DDS 的方法。利用QuartusII 軟件進(jìn)行在線仿真,減少了后期進(jìn)行綜合試驗的錯誤率。在完成系統(tǒng)的核心部分設(shè)計之后,對硬件電路的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的討論,包括加法器和壓控恒流源的設(shè)計等。該驅(qū)動電路全程設(shè)計數(shù)字化,可以很方便的應(yīng)用到激光器驅(qū)動和氣體檢測中,具有一定的參考意義。DDS 系統(tǒng)模塊測試本系統(tǒng)采用A1tera 公司CycloneII 系列的EP2C8Q208C8N($23.3400) 型芯片,總邏輯單元達(dá)8256 個,I/O 引腳為138 個,該芯片具有強(qiáng)大的硬件邏輯功能。將DDS 信號源設(shè)計文件在線編譯下到FPGA 最小系統(tǒng)板上,再通過DAC 轉(zhuǎn)換器,最終得到了輸出頻率為20k Hz 的正弦波形,其用來進(jìn)行DFB 激光器的調(diào)制,如圖3 所示。
      
    為了提高激光器驅(qū)動電路的性能,設(shè)計了一款低成本。數(shù)字化的激光器驅(qū)動電路,包括波長調(diào)制電路,波長掃描電路,加法器電路以及壓控恒流源電路。利用現(xiàn)場可編程門陣列生成的直接頻率合成器可以產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波和三角波,并利用QuartusII 軟件進(jìn)行在線仿真和調(diào)試。然后利用加法電路進(jìn)行疊加,并將其輸出信號與恒流驅(qū)動整合到一起,完成對分布反饋式激光器的驅(qū)動。最后,進(jìn)行了模擬實驗研究,結(jié)果表明該驅(qū)動電路具有較高的穩(wěn)定性。
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