法布里－珀羅濾波器的鋸齒波驅動技術

吳偉偉，余有龍，李勛濤，吳文斌

(1.合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥 230009;2.德賽電子科技有限公司研發中心，廣東惠州 516029;3.建設綜合勘察研究設計院北京綜建科技有限公司，北京 100007)

法布里－珀羅濾波器的鋸齒波驅動技術

吳偉偉1，余有龍1，李勛濤2，吳文斌3

(1.合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥 230009;2.德賽電子科技有限公司研發中心，廣東惠州 516029;3.建設綜合勘察研究設計院北京綜建科技有限公司，北京 100007)

分析了可調法布里－珀羅濾波器的工作原理，設計了掃描濾波的驅動電路。實驗中由數字電路產生鋸齒波信號，并借助模擬電路進行功率放大，獲得上升沿占空比達到99.90%的輸出。其頻率在0～50 Hz范圍內可調，驅動電壓的幅值和偏置電壓均可在0～30 V范圍內調整。為便于后續信號的采集和尋峰，在單個自由光譜程范圍內，利用3次曲線擬合方式對驅動電壓進行修正，波長調諧的標準差分別降低62.7%、最大誤差分別降低80.1%。

法布里－珀羅濾波器;鋸齒波;嵌入式;非線性

波長編碼的光纖光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)傳感技術自問世以來，一直受到人們的青睞［1－4］。其信號解調大致可分為濾波法［5］、干涉法［6］和色散法［7］。其中濾波法多利用可調法布里－珀羅(F－P)濾波器，通過其對透過波長的選擇［8］，實現對傳感光柵的波長掃描。而F－P濾波器透過波長的變化，是借助壓電陶瓷(PZT)的電致伸縮效應，通過對腔長的調節實現的。該濾波器的驅動方式主要有三角波驅動法［9］和鋸齒波驅動法［10］兩種。前者存在以下不足:(1)一般使用模擬電路產生波形存在著精度不高和頻率調節不精確的缺點。(2)波形的上升和下降沿都會有反射信號透射，增加了后續電路處理的難度。(3)對于容性負載，易產生失真。而后者上升沿部分采集到的是低頻信號，下降沿部分采集到的是高頻信號，引入低通濾波器容易將高頻信號濾除，這樣便于后續電路對信號進行采集和峰值提取。

設計并搭建了一個基于嵌入式處理器(ARM)的頻率、幅值均可調的鋸齒波驅動電路。針對F－P可調諧濾波器的非線性特性，在單個自由光譜程(FSR)范圍以內進行了非線性修正，降低了系統的誤差。

1 原理分析

可調諧F－P濾波器是由兩個高度平行的高反射率的反射鏡構成。一個反射鏡位置固定，另一個反射鏡的背面貼有壓電陶瓷(PZT)。PZT的驅動電壓是時間t的函數，記為V(t)，導致伸縮引起兩鏡構成腔的長度 L發生變化，表示成［11］

其中，L0為原始腔長;ΔL(t)為PZT伸縮引起的腔長微擾;PZT的磁滯和蠕變效應，使得ΔL(t)與驅動電壓間呈非線性變化關系［12］。用周期為T的鋸齒波掃描信號驅動PZT，ΔL(t)與驅動電壓的關系可表示成［13］

根據文獻［14］，透過波長與電壓依賴關系為

其中，i表示干涉的級數;n表示腔中介質的折射率;A、B、C、D分別表示系數常量。

2 系統設計

基于嵌入式處理器的F－P濾波器控制器主要由波形產生電路、信號處理電路、串口通訊電路及電源管理電路組成，系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 驅動電路框圖

2.1 波形產生電路

針對模擬驅動技術的不足，采用數字驅動技術。其數字信號由主頻達到72 MHz的嵌入式ARM處理器STM32F103C8產生，避免了電容充放電帶來的延時，對驅動頻率的控制更準確。選用16位高精度芯片AD5660來執行數字信號到模擬信號的轉換，有利于提高鋸齒波信號的平滑度和精確度。所用ARM芯片具有快速的響應速度，可將鋸齒波的下降沿降至ns量級。波形產生電路與放大電路原理框圖如圖2所示。波形產生電路如圖3所示。

圖2 原理框圖

圖3 信號發生電路

2.2 提高F－P濾波器控制器驅動能力

由于PZT為容性負載，F－P濾波器的阻抗較大，若驅動電路的驅動能力不足，輸出波形會出現失真現象。在保證驅動大負載的同時輸出電壓要穩定，必須提高它的輸出功率。選擇輸出電壓最大可達40 V，輸出電流最高可達50 mA的OPA452芯片，結合由NPN型和PNP型三極管構成的推挽式功率放大電路，對前述鋸齒波信號進行功率放大，如圖4所示，獲得電流可達3 A的驅動輸出。

圖4 放大電路

驅動器輸出電壓在0～30 V;頻率在0～50 Hz;偏置在0～30 V連續可調。通過示波器觀察鋸齒波頻率為10 Hz，上升沿的占空比達99.90%的波形如圖5所示。輸出波形穩定，在驅動F－P濾波器以后，電壓輸出正常，達到最大3 A的電流輸出。

圖5 輸出電壓

3 實驗結果

3.1 實驗系統的構成

實驗裝置如圖6所示，寬帶光源LED發出的光波，經傳感光柵陣列反射后，由3 dB耦合器耦合至由上述電路驅動的可調濾波器，其輸出用光纖光譜儀觀察，而放大后的鋸齒波信號由示波器監測。隨著驅動信號的改變，當濾波器透過波長與傳感陣列中某一傳感元的布喇格波長一致時，光譜儀能夠接收并可能觀測到較強的輸出譜。所用光源的波長范圍為1 410～1 610 nm，可調濾波器在1 550 nm通信窗口的自由光譜程為94 nm，3 dB帶寬為90.6 pm，單自由光譜程調節所需電壓為18 V。

圖6 實驗裝置

3.2 F－P濾波驅動器非線性修正

設置直流電平為9 V，在單自由光譜程范圍內，手動調節驅動電壓的幅值，觀測濾波器的透過波長，圖7為兩者的實驗關系。可見透過波長與驅動電壓間呈明顯的非線性關系，這主要是F－P濾波器的腔長變化與其驅動電壓間的非線性關系所致。根據原理中驅動電壓與輸出波長成三次曲線關系對圖7的曲線進行擬合，表達式為

其中，λ表示透過波長;V表示F－P濾波器的驅動電壓。

圖7 驅動電壓與F－P濾波器透過波長關系曲線

對F－P可濾波器進行非線性修正是為了使驅動電壓連續變化時，可以讓透射的波長等間距改變。利用式(4)對F－P可調諧濾波器進行非線性修正，分別計算出在一個FSR范圍內透過波長所對應的驅動電壓。將電壓數據做成表格的形式存入ARM內部，使用C語言的查表方式對ARM的電壓輸出進行調整。這樣，可以一定程度上起到非線性修正的效果。利用線性擬合方式分別擬合修正之間的電壓與波長之間關系曲線以及修正后的電壓與波長之間的關系曲線。圖8為修正前后的實驗對比圖，其中A表示擬合前的數據，B表示擬合后的數據。圖8中修正前的線性擬合曲線，標準差是3.786 66，最大誤差值為6.783 45;修正后的線性擬合曲線，標準差是1.413 33，最大誤差值為1.346 84。采用修正后的電壓驅動F－P濾波器，標準差分別降低62.7%，最大誤差分別降低80.1%，非線性特性有了明顯改善。

圖8 修正對比曲線

4 結束語

利用嵌入式處理器與D/A轉換芯片AD5660結合產生鋸齒波，采用高電壓高電流運放提升電壓幅值和功率。輸出波形上升沿占空比達99.90%，幅值和偏置在0～30 V之間可調，輸出最大可達3 A的電流，輸出的鋸齒波驅動負載能力強，且驅動負載時波形不會產生變化。采用3次曲線擬合方式對F－P濾波器的驅動電壓進行了非線性修正，標準差降低62.7%，最大誤差分別降低80.1%。比市場上傳統驅動F－P濾波器的控制器更能滿足解調儀的需求。

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The Drive Technology of Sawtooth Wave for Fabry-Perot Filter

WU Weiwei1，YU Youlong1，LI Xuntao2，WU Wenbin3
(1.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering，Heifei University of Technology，Hefei 230009，China;2.R＆D Center，DESAY Electronics，Huizhou 516029，China;3.Beijing Comprehensive Construction Company Limited，China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying，Beijing 100007，China)

The working principle of the tunable Fabry-Perot(F-P)filter is analyzed，and the driving circuit of the filter is designed.In the experiment，a sawtooth wave is obtained by using a digital circuit，which is amplified by an analog circuit.Thus the duty cycle of the rising edge of the sawtooth wave can amount to 99.90%.And its frequency can be adjusted from 0 to 50 Hz.Both the amplitude of the output voltage and offset can be adjusted from 0 V to 30 V.To sample and search the signal and peak more easily，the applied voltage is rectified by using the cubic fitting algorithm in a free spectral range.Experiment results show that the standard error and the maximum error of the tuning wavelength are reduced by 62.7%and 80.1%，respectively.

F-P filter;sawtooth wave;embedded;nonlinear

TN253

A

1007－7820(2012)08－016－05

2012-03-07

吳偉偉(1986—)，女，碩士研究生。研究方向:光纖光柵傳感，電子電路。