臧曉陽 王志斌 李克武 劉 坤 張 喆

（1.中北大學儀器與電子學院 太原 030051）（2.中北大學前沿交叉科學研究院 太原 030051）（3.山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心 太原 030051）

1 引言

彈光調(diào)制器在環(huán)境監(jiān)測、國防安全等領域有著廣闊的應用前景［1］。隨著時代的發(fā)展，人民對于環(huán)境和醫(yī)療的重視程度也越來越高，在環(huán)境監(jiān)測領域，以彈光調(diào)制器為干涉具的傅里葉變換光譜儀可以對空氣、水流等通過光譜檢測分析其中的成分組成，識別污染物進行針對性治理，同時兼具高速、高精度的特點。在國防安全領域，可以對各個種類的有毒氣體煙霧進行快速準確的檢測，進而識別并計算出有毒氣體的成分和濃度。因此在很長一段時間內(nèi)，彈光調(diào)制器在環(huán)境、工業(yè)及國防等領域都發(fā)揮著重要作用［2-3］。

彈光調(diào)制器具有應用廣泛的突出優(yōu)勢。十九世紀以來，關(guān)于彈光調(diào)制器的研究一直由國外學者進行，英、美國家包括David Brewster、Kemp James等個人以及Hinds 等公司皆取得重大進展并將其商業(yè)化，中國關(guān)于彈光調(diào)制器的研究相對較晚，直至2005 年，中科院曾愛軍、王向朝等提出一種彈光調(diào)制器精確定標的方法，并在之后幾年取得一系列重大突破［4～6］。但一直以來，驅(qū)動其工作的高壓驅(qū)動電路卻一直存在著集成度不高、尺寸大，發(fā)熱嚴重以及驅(qū)動電壓不穩(wěn)定等一系列問題。

為保證彈光調(diào)制器的穩(wěn)定工作，本文提出了一種具有隔離功能的高壓驅(qū)動電路，信號源由FPGA內(nèi)部的數(shù)字合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）提供，可以實現(xiàn)對驅(qū)動信號的頻率、相位以及幅值的精準把控，同時具有集成度高，電壓穩(wěn)定的優(yōu)勢，能夠滿足不同材質(zhì)彈光晶體（熔融石英，硒化鋅，氟化鈣等）的驅(qū)動需求。

2 彈光調(diào)制基本原理

2.1 基于彈光效應的彈光調(diào)制器工作原理

彈光調(diào)制器由壓電晶體和彈光晶體兩部分組成，其工作原理為通過施加高壓驅(qū)動信號使彈光晶體發(fā)生振動，當激光器發(fā)出的光信號通過彈光晶體時，由于彈光效應，線偏振光變?yōu)閮墒嗷フ坏钠窆?，實現(xiàn)相位調(diào)制［7］，具體的光學系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)光路示意圖

圖中，激光器選用的為632.8nm 的He～Ne 激光器，將起偏器透光軸方向，彈光調(diào)制器的調(diào)制快軸方位角和檢偏器透光軸方向依次設置為45°、0°、-45°。在上述光路中，運用Stokes參量和Muller矩陣進行推算，以便具體分析［8～9］。圖中經(jīng)過起偏器的入射光信號Sin，輸出光信號為

其中MPEM為單驅(qū)動時快軸可調(diào)彈光調(diào)制器對應的穆勒矩陣，MA是起偏器對應的穆勒矩陣，經(jīng)化簡運算后，探測器信號為

其中δ0是相位延遲量，f0是彈光晶體的諧振頻率，k為彈光晶體的應力光學常數(shù)，Vpp為驅(qū)動電壓峰峰值，d為彈光晶體的厚度，λ為入射光的波長［10］。

將式（2）通過貝塞爾級數(shù)展開得：

由探測器輸出表達式可得出，探測器輸出信號包括直流分量和偶次諧波分量，由式（4），將四次、二次諧波分量相除即可消除K、I0等參數(shù)的影響［11］：

而根據(jù)式（3）可知，PEM 的相位延遲量跟驅(qū)動電壓峰-峰值和頻率有關(guān)，所以得到一個高穩(wěn)定性、高幅值且參數(shù)可調(diào)的驅(qū)動電壓對于整個系統(tǒng)測試性能的提升具有重要意義。

2.2 高壓驅(qū)動電路設計

高壓驅(qū)動電路主要由隔離電路、全橋電路，LC諧振電路等組成，電路的激勵由DDS 生成，通過為電容和電感不斷地充放電形成一個高壓正弦波信號。本文使用的LC諧振式高壓驅(qū)動電路與傳統(tǒng)的電壓放大器尺寸對比如圖2所示。

圖2 LC諧振式高壓驅(qū)動電路和電壓放大器對比圖

圖3 隔離電路

隔離電路為驅(qū)動電路的重要組成部分，主要由H11L1VSM 型光耦構(gòu)成，信號輸入為DDS 生成的PWM 波來提供，高壓正弦波信號參數(shù)可以通過調(diào)整該PWM 波的占空比、頻率以及相位進行調(diào)整。光耦采用12V 供電，保證其正常工作，同時提高輸出信號的高電平電壓，以達到增加驅(qū)動電壓峰峰值的目的。R1 的作用為限流，防止電流過大，損傷光耦內(nèi)部的發(fā)光二級管，致使光耦無法正常工作。

全橋電路主要作用是為LC諧振電路提供兩個充放電回路，全橋電路由一個雙通道的N溝道MOS管和一個P 溝道MOS 構(gòu)成，選用英飛凌公司的IRF7313和IRF7314主要是因為該管就有較小的柵源極寄生電容和較小的源漏極導通電阻，較小的寄生電容保證了MOS 管可以在極短的時間內(nèi)完成從導通到關(guān)斷的轉(zhuǎn)換，而較小的導通電阻降低了MOS管在完全導通后的功率損耗，降低了發(fā)熱情況，以避免在長時間驅(qū)動彈光的情況下芯片發(fā)熱嚴重，使得芯片損壞。

LC 諧振電路為整個高壓驅(qū)動電路的核心組成部分，完成方波到正弦波的轉(zhuǎn)換并實現(xiàn)電壓放大功能，LC 諧振電路以電容電感構(gòu)成一個選頻網(wǎng)絡，通過設置電容電感的值可以產(chǎn)生特定頻率的正弦波信號，最大可產(chǎn)生幾十MHz 以上的正弦波。與傳統(tǒng)的電壓放大器相比，省去了保護電路、降噪抗干擾電路以及獨立的功率放大電路，極大地簡化了電路的拓撲結(jié)構(gòu)，電路圖如圖4 所示，同時具有較高的轉(zhuǎn)化效率和可靠性。

圖4 全橋電路和LC諧振電路

在圖3 所示的電路中，LC 諧振電路的復數(shù)阻抗為

在諧振頻率下，通過調(diào)整L 和C 的值，使得電路的容抗和感抗相等，相互抵消［12］，此時電路的電抗最小且呈現(xiàn)出純阻特性，回路電流最大，電路發(fā)生諧振，此時諧振發(fā)生的條件為

由式（7）推導可得，電路在諧振狀態(tài)下的角頻率、頻率、特性阻抗以及品質(zhì)因數(shù)分別為

其中，ωo為諧振角頻率，fo為諧振頻率，ρ為特性阻抗，Q為特性阻抗，L為電感，C為電容，R為電阻。

2.3 高壓驅(qū)動電路信號源設計

DDS 即直接數(shù)字合成器，具有信號帶寬大，合成速度快以及分辨率高等優(yōu)勢，是一種新型的頻率合成技術(shù)，廣泛應用于通信領域［13］，其結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。本文使用的方波生成通過FPGA 實現(xiàn)，F(xiàn)P?GA 選用ALTERA 公司的Cyclone IV EP4C22FC8N，通過設置控制字可以得到理想的方波信號并且便于系統(tǒng)在調(diào)制解調(diào)時進行實時更改，從而進行精確地測量。關(guān)于頻率控制字的設置：

圖5 DDS方波生成結(jié)構(gòu)圖

其中，F(xiàn)Word為頻率控制字，f為輸出信號的頻率，N為累加器的位寬，fCLK為系統(tǒng)時鐘［14］。

相位控制字的設置：

其中，PWord為相位控制字，PInitial為輸出信號的初始相位。在初始相位確定之后，F(xiàn)Word在fCLK的控制下進行累加，累加器的值和相位控制字相加得到相位地址，相位地址和占空比控制字做比較，當相位地址大于占空比控制字時，輸出高電平，反之則輸出低電平［15］，關(guān)于占空比控制字的設置：

其中，DWord為占空比控制字，D為輸出方波信號的信號的占空比。

3 實驗驗證與數(shù)據(jù)分析

為了驗證高壓驅(qū)動電路原理的可行性，并對其性能進行測試，首先設計DDS方波信號生成器作為高壓驅(qū)動的輸入，設置方波頻率為50kHz，其次選用5mH 電感、2026pF 電容以保證LC 諧振頻率為50kHz，DDS 模塊設計完成以及高壓驅(qū)動電路焊接完成后，將系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，選用5%步進值，分別在占空比0%～45%范圍內(nèi)，對輸出電壓峰峰值進行10 次重復測量，求其平均值并記錄數(shù)據(jù)，測量結(jié)果如表1。

表1 測量數(shù)據(jù)

將測量結(jié)果利用Matlab擬合，根據(jù)結(jié)果進行分析可知，在占空比較高和較低的范圍內(nèi)，驅(qū)動電壓的增勢并不明顯，而在10%～35%這一范圍內(nèi)，驅(qū)動電壓關(guān)于占空比的響應接近于線性關(guān)系，驅(qū)動電壓與占空比的擬合曲線如圖6所示。

圖6 不同占空比下輸出電壓峰峰值

4 結(jié)語

本文設計的高壓驅(qū)動電路具有體積小、輸出電壓穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，使用DDS 設計高壓驅(qū)動電路信號源，可以直接調(diào)用FPGA 內(nèi)部資源進行設計，相比于傳統(tǒng)的高壓放大器，無需使用軌到軌高壓運放以及保護電路保證其正常工作，使用耐高壓的電容和電感進行諧振電路設計可以同時達到波形轉(zhuǎn)換和電壓放大的功能，極大簡化了彈光調(diào)制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。為了得到穩(wěn)定的驅(qū)動信號，本文從高壓驅(qū)動電路的組成及工作原理出發(fā)，分析了高壓驅(qū)動的基本原理，并且提出了一種基于FPGA 的DDS信號發(fā)生器設計，擺脫了傳統(tǒng)高壓驅(qū)動需要外接信號源的弊端，在保證電路性能的前提下，極大地簡化了電路，滿足了彈光調(diào)制器工作需要高穩(wěn)定性、高精度和便于控制的需求。