基于FPGA的激光器驅動電路的設計

王小雨 黨敬民 王一丁

（吉林大學電子科學與工程學院，吉林長春 130012）

0 引言

利用波長調制光譜技術(Wavelength Modulation Spectroscopy, WMS)測量氣體濃度，需要使用波長可調諧的激光器，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調制光譜技術的激光器驅動電路的設計。由于波長與驅動電流有確定的依賴關系，研究半導體激光器的電流驅動是很有必要的，本文設計的壓控恒流源可實現對激光器的恒流驅動。通過直接頻率合成技術（Direct Digital Synthesis,DDS）產生的正弦信號和三角信號可以對激光器的波長進行微調，實現了對DFB半導體激光器的波長調制和波長掃描。

1 利用FPGA實現DDS系統的設計

1.1 基于FPGA技術實現DDS主體部分的設計

圖1 DSS基本結構圖

DDS是以奈奎斯特采樣定理為基礎，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基本結構框圖如圖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。本設計以正弦信號產生為例，采用層次結構，使用VHDL語言進行程序編寫，并利用A1tera公司的QuartusII軟件對各部分模塊的代碼進行編譯和仿真，[2]仿真結果如圖2所示。

圖2 DDS系統仿真波形圖

在本文設計中，為了獲得頻率為20kHz的正弦信號，相位字pword設為0，這主要為了初始相位為0，相位寄存器設為10位，通過DDS基本原理可知，，頻率字fword應設定為65535。從圖2可知，輸入時鐘clk被鎖相環分頻成頻率較低的輸出時鐘as，最終輸出信號的頻率fout約為20k Hz，符合最初的設計目標。基于FPGA生成的DDS優點是通過改變波形存儲器中數據，可以靈活地生成任意波形。[3]

1.2 DDS系統模塊測試

本系統采用A1tera公司CycloneII系列的EP2C8Q208C8N型芯片，總邏輯單元達8256個，I/O引腳為138個，該芯片具有強大的硬件邏輯功能。將DDS信號源設計文件在線編譯下到FPGA最小系統板上，再通過DAC轉換器，最終得到了輸出頻率為20k Hz的正弦波形，其用來進行DFB激光器的調制，如圖3所示。[4]

圖3 正弦波形圖

同理, 通過改變.mif文件，在波形存儲器中的數據改為三角波的數據，頻率控制字設置為65，就可以得到頻率為20 Hz的三角波，它將用來對DFB激光器進行掃描，如圖4所示。

圖4 三角波形圖

1.3 加法器電路

DDS產生的兩路信號需要加法器進行疊加。加法器的核心器件是運算放大器。本系統采用同向加法電路，如下圖5所示。

圖5 加法器電路

具體求解過程如下：

由戴維南定理[5]可得

當運算放大器工作于線形區時，由“虛短”和“虛斷”的原理[6]可知 ：u2=u3，聯立（式 1）和（式 2）可得

2 壓控恒流源電路設計

本系統設計了壓控恒流源，它主要是利用電壓負反饋的原理制作而成的，它由運算放大器OP07 N溝道增強型場效應管、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

根據場效應管的工作原理可知，當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，即：

為了保證電路在動態的過程中保持激光器電流的穩定性，電容與運放并聯，形成積分電路，作用是給予阻尼，防止電路震蕩。與激光器并聯的反向二極管是起分流作用，防止浪涌擊穿激光器，保護激光器。

3 結束語

本文設計了一種半導體激光器驅動電路，重點介紹了利用FPGA實現DDS的方法。利用QuartusII軟件進行在線仿真，減少了后期進行綜合試驗的錯誤率。在完成系統的核心部分設計之后，對硬件電路的設計進行了詳細的討論，包括加法器和壓控恒流源的設計等。該驅動電路全程設計數字化，可以很方便的應用到激光器驅動和氣體檢測中，具有一定的參考意義。

[1] 沈婷婷，喬川，周曹等.半導體激光器驅動電路設計[J].紅外，2008，29（12）：40-42.

[2] 金學哲.直接數字頻率合成器(DDS)及其FPGA實現[D].南京：南開大學，2002.

[3] 許文佳.基于FPGA的數字鎖相放大器的設計與研究[D].長春：吉林大學大學，2012.

[4] 雷立云.數字式頻率合成器的研究與設計[D].湖南：湖南大學，2007.

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