基于光纖布里（測量系統的脈沖發生器的設計和實現

趙愛玲，王秀欣，李道良

（國網河南省電力公司洛陽供電公司，河南洛陽 471000）

基于光纖布里（測量系統的脈沖發生器的設計和實現

趙愛玲，王秀欣，李道良

（國網河南省電力公司洛陽供電公司，河南洛陽 471000）

該設計是為分布型光纖布里（測量系統中的電光調制器提供一個激勵源，包括數控脈沖系統和自動偏壓系統。該設計在對測量系統認真分析的基礎上，制定了基于SOPC的實現方案，并分別對數控脈沖發生系統和自動偏壓系統的硬件電路、軟件設計，最終成功實現了作為電光調制器激勵源的設計。

脈沖發生器；自動偏壓控制；SOPC；N iosII

1 引言

該設計是為分布型光纖布里（測量系統中的電光調制器提供一個激勵源。在測量布里（散射信號時，由窄譜激光器發出的光經耦合器輸出，一部分光作為本振光，另一部分光通過由脈沖發生器激勵的電光調制器（Electro-Optic Modulator，EOM）調制成脈沖光。光在傳播時產生的散射光經環形器輸出，在光電檢測器上與本振光進行相干檢測，將布里（散射信號變換為電信號，通過分析電信號頻譜的方法同時得到布里（散射信號的強度和頻移。

2 整體系統框圖

整個系統根據所實現的功能，可以分為兩部分：高速脈沖發生源及其控制系統部分；偏壓產生及自動偏壓控制系統部分，系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

3 功能結構

3.1 高速脈沖發生源

高速脈沖發生源使用硬件描述語言在FPGA內設計，它的主要功能是產生一個周期和脈寬可變的脈沖波。通過改變計數器的上限值來改變周期，通過改變電平翻轉的閾值來改變脈寬。由FPGA產生的脈沖電壓幅度為3.3 V，之后使用高速、高轉換速率的運算放大器把脈沖幅度放大，作為輸入電光調制器的電脈沖。

脈沖發生源所用的時鐘，是使用FPGA內部鎖相環將外部50 MHz有源晶振進行4倍頻后產生的200 MHz時鐘。EP1C6Q240C8內部集成了2個可編程鎖相環，可以提供高性能的時鐘管理能力，如頻率合成、可編程移相、片外時鐘輸出、可編程占空比、失鎖檢測以及高速差分時鐘信號的輸入和輸出等。與直接來自片外的時鐘相比，通過鎖相環輸出的片內時鐘可以減少時鐘延時和時鐘變形，減少片內干擾，可以改善時鐘的建立時間和保持時間。

3.2 脈沖控制系統

作為一個數控的脈沖源，脈沖的頻率及脈寬由用戶通過FPGA中嵌入的Nios IICPU所提供的人機接口進行指定，用戶將所需的脈沖頻率及脈寬輸入到Nios IICPU，CPU會將輸入信號轉換成脈沖發生器中計數器的上限值和電平翻轉的閾值控制脈沖的產生。

脈沖發生器控制系統以Nios IICPU核為核心，添加了片上ROM作程序存儲器，片上RAM作數據存儲器，添加了若干PIO模塊提供外設接口，控制鍵盤、液晶和脈沖發生器。系統時鐘由外部50MHz有源時鐘經PLL鎖相環分為兩路，一路二分頻，為Nios IICPU提供25MHz系統時鐘，另一路四倍頻，為脈沖發生器提供200MHz脈沖源時鐘，系統內各IP模塊通過Avalon交換結構總線連接。如圖2所示。

圖2 脈沖控制暈隕韻雜隕隕系統設計框圖

基本從端口傳輸由Avalon總線模塊發起，然后從端口向Avalon總線模塊傳輸一個單元的數據。

3.3 偏壓產生及自動偏壓控制

偏壓是疊加在調制電壓上的控制電壓，通過對偏壓的控制可以使電光調制器穩定的工作。為了方便控制且保證自動偏壓中數據采集的速度，系統為偏壓產生及偏壓控制部分添加了另一個專用Nios IICPU，與脈沖控制系統一起，構成雙CPU系統，兩個CPU分別對脈沖發生源和自動偏壓進行控制，這是本設計的一個創新點。偏壓產生及自動偏壓控制的系統設計框圖如圖3所示。

圖3 自動偏壓控制暈隕韻雜隕隕系統設計框圖

偏壓的產生是利用12位D/A芯片MAX5120設計高精度數控穩壓源實現的。通過Nios IICPU產生一個12位數字信號，輸入到D/A芯片，由MAX5120將數字信號轉換為直流電壓信號，為電光調制器提供偏壓。由于MAX5120的最大輸出電壓為4.095 V，所以在信號輸入電光調制器之前，用一級運放作驅動，放大后的信號作為電光調制器的偏壓輸入。

偏壓的自動控制是Nios IICPU對電光調制器偏壓的一種閉環負反饋的調節，它通過對電光調制器輸出光的檢測，控制數控電壓源產生適當的偏壓，為電光調制器提供一個穩定的工作狀態，從而保證了整體測量結果的準確性。

4 結語

該設計集脈沖發生器和自動偏壓控制于一體，實現了為電光調制器提供激勵源的目的；采用了雙CPU分別控制數控脈沖發生系統和自動偏壓系統；采用直流模式加預判斷的方法解決了對電光調制器工作點漂移的檢測；采用FPGA內部鎖相環，將時鐘分為高頻的脈沖發生器時鐘和低頻的控制系統時鐘分開，提高了系統的穩定性，而且降低了因外部晶振頻率太高帶來的干擾；采用高精度的ADC和DAC做偏壓的產生和信號檢測，能將電光調制器的消光比控制在-30dB以上。最終完成了作為電光調制器激勵源的最窄10ns以5ns為步進可調的脈沖設計和實現。

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10.3969/j.issn.1673-0194.2015.19.072

F273.1

A

1673-0194（2015）19-0127-02

2015-08-13