基于FPGA的高速EOM偏壓自控系統(tǒng)

摘? 要：針對(duì)偏振式電光調(diào)制器在工作時(shí)出現(xiàn)的工作點(diǎn)漂移問(wèn)題，設(shè)計(jì)數(shù)字化偏壓自控軟硬件系統(tǒng)，使用高速FPGA監(jiān)測(cè)鈮酸鋰晶體的入射及出射光信號(hào)強(qiáng)度并分析，當(dāng)工作點(diǎn)發(fā)生漂移，可根據(jù)漂移程度快速調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化自加自減步進(jìn)調(diào)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)偏置電壓的高速控制，具有在線設(shè)置和修改參數(shù)，顯示以及通信功能。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用偏置電壓數(shù)字化自動(dòng)控制技術(shù)可使電光調(diào)制器偏置電壓始終位于線性區(qū)的中點(diǎn)，以保證不失真調(diào)制。

關(guān)鍵詞：電光調(diào)制;數(shù)字移相;全橋開(kāi)關(guān);高精度調(diào)壓

中圖分類號(hào)：TN79;TP212? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）02-0056-03

Abstract：Aiming at the problem of the working point drift of the polarization electro-optic modulator，a digital bias automatic control software and hardware system is designed. The high-speed FPGA is used to monitor the input and output light signal intensity of lithium niobate crystal and analyze it. When the working point drifts，the phase difference of the driving signal can be adjusted quickly according to the deviation degree to realize the automatic self adding and self reducing step-by-step voltage regulation to realize the bias electricity high speed control of pressure. It has the functions of online setting and modifying parameters，display and communication. The final experimental results show that the bias voltage of the electro-optic modulator is always at the midpoint of the linear region by adopting the digital automatic control technology of the bias voltage，so as to ensure the distortion free modulation.

Keywords：electro-optic modulation;digital phase shift;full bridge switch;high precision pressure regulating

0? 引? 言

電光效應(yīng)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用，利用電場(chǎng)引起的折射率的改變可控制光波的相位、偏振態(tài)等特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的調(diào)制，可以做成快速傳遞信息的電光調(diào)制器。筆者基于山東華宇工學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目“多功能智能語(yǔ)音飲水機(jī)的研制”對(duì)電光調(diào)制技術(shù)展開(kāi)研究，使用FPGA對(duì)直流偏壓進(jìn)行控制，確保電光調(diào)制器工作在穩(wěn)定區(qū)，旨在解決飲水系統(tǒng)對(duì)外界目標(biāo)識(shí)別的精確度問(wèn)題，目前該項(xiàng)目已申報(bào)德州市自主研發(fā)項(xiàng)目。

直流偏置電源是電光調(diào)制系統(tǒng)的主要部分，其性能的優(yōu)劣將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。隨著開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展，它將越來(lái)越多地用在電光調(diào)制中，其一是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源具有較高的性能指標(biāo)，如輸出紋波系數(shù)小、功率因數(shù)高、效率高等;其二是開(kāi)關(guān)電源具有比較完善的自我檢測(cè)和控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的智能化水平。由于傳統(tǒng)的直流偏置電源只是采用手動(dòng)調(diào)電阻控制輸出的模式，這種方法精度很低，容易錯(cuò)過(guò)電光調(diào)制器的最佳靜態(tài)工作點(diǎn)，并且缺少溫度漂移補(bǔ)償系統(tǒng)，當(dāng)晶體自身溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)使調(diào)制工作點(diǎn)發(fā)生漂移，導(dǎo)致電光調(diào)制結(jié)果不理想，故本文設(shè)計(jì)一種基于FPGA的數(shù)字化偏壓自控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)定位電光調(diào)制器偏置電壓始終位于線性區(qū)的中點(diǎn)電壓值，確保電光調(diào)制波形不失真，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1? LN晶體半波電壓檢測(cè)

當(dāng)LN晶體施加的電場(chǎng)方向與通光方向垂直時(shí)稱為橫向電光調(diào)制，由于外電場(chǎng)的作用，其折射率會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致出射光出現(xiàn)電光相位延遲的現(xiàn)象，當(dāng)相位差為180°時(shí)，此處的電壓為半波電壓，反映了調(diào)制功率的大小，其數(shù)學(xué)模型為：

式中：L為晶體的長(zhǎng)度，d為晶體在x方向的橫向尺寸，λ為激光的波長(zhǎng)，n0為橫向電光調(diào)制晶體中o光方向的折射率，r22為L(zhǎng)N晶體的電光效應(yīng)系數(shù)。

LN晶體橫向電光調(diào)制輸出激光強(qiáng)度I和入射激光強(qiáng)度I0的函數(shù)關(guān)系為：

式中：δ是兩偏振光分量的相位差，當(dāng)晶體所加電壓為半波電壓Vπ時(shí)，兩偏振光經(jīng)過(guò)晶體產(chǎn)生λ/2的光程差，其相位差δ=π，此時(shí)透光率T=100%，當(dāng)晶體施加電壓V=V0+Vmsinωt，V0為直流偏置電壓，它決定了晶體的最佳調(diào)制工作狀態(tài)，Vmsinωt為調(diào)制信號(hào)，則出射光強(qiáng)：

可以看出，調(diào)整V0或Vm，輸出晶體的輸出光強(qiáng)都會(huì)發(fā)生變化，通常偏置電壓V0選在晶體的半波電壓的1/2處，此處的晶體電光調(diào)制曲線近似直線，此時(shí)晶體的透光率為50%，稱為調(diào)制器的線性工作區(qū)，能夠使調(diào)制信號(hào)不失真。該控制系統(tǒng)采用光電探測(cè)器與AD結(jié)合作為光強(qiáng)監(jiān)測(cè)模塊，采集激光器的出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)，將光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送與FPGA分析處理，通過(guò)專門的算法比較二者的關(guān)系來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)偏置電壓的大小，保證晶體50%的透光率，確保晶體工作在穩(wěn)定的調(diào)制狀態(tài)。

2? 數(shù)字化EOM偏置電壓自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1? LN晶體偏置電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)

本文采取LN晶體的橫向電光調(diào)制方法，起偏器方向與晶體的光軸平行，此時(shí)激光束通過(guò)晶體后不會(huì)有雙折射現(xiàn)象，減少了晶體自身因素帶來(lái)的影響。通過(guò)FPGA控制驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)給晶體施加電壓，通過(guò)光電探測(cè)器采集出射光強(qiáng)信號(hào)給FPGA與激光器入射光強(qiáng)信號(hào)作比較，時(shí)刻定位出射光強(qiáng)電壓與入射光強(qiáng)電壓比值1/2處，使晶體工作在最佳工作點(diǎn)，不受其他因素的干擾，系統(tǒng)如圖1所示。

2.2? 直流偏置驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)

直流驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括市電降壓整流電路、全橋驅(qū)動(dòng)電路、高頻變壓器、高壓整流電路、FPGA控制電路、AD采樣和液晶顯示電路。

圖中，220 V的交流市電經(jīng)過(guò)降壓變壓器和全波整流橋后，經(jīng)過(guò)濾波變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)直流電壓，該電壓作為全橋驅(qū)動(dòng)電路的漏極電壓，并為驅(qū)動(dòng)芯片供電。通過(guò)算法使FPGA產(chǎn)生兩路相位、頻率以及占空比連續(xù)可調(diào)的方波f1和f2，把這兩路方波通過(guò)全橋驅(qū)動(dòng)電路模塊中的與非門邏輯芯片，便可以通過(guò)FPGA改變兩路方波之間的相位差來(lái)控制全橋驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通時(shí)間[1]，從而改變高頻變壓器初級(jí)線圈的磁通量，使次級(jí)線圈可以產(chǎn)生連續(xù)可控的高壓，通過(guò)后面的高壓高頻整流濾波電路后便可以產(chǎn)生高壓直流，經(jīng)過(guò)采樣分壓電阻把輸出高壓采集到AD芯片，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送到FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[2]，經(jīng)過(guò)去噪聲、求平均等，把穩(wěn)定的高壓值通過(guò)液晶顯示出來(lái)。

光強(qiáng)監(jiān)測(cè)模塊由雙路AD轉(zhuǎn)換器組成，負(fù)責(zé)把激光器的入射光強(qiáng)電壓和出射光強(qiáng)電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送與FPGA分析處理，如果二者的比值不是50%，F(xiàn)PGA就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)f1和f2的相位，使偏置電壓發(fā)生變化，直到找到準(zhǔn)確的偏置電壓為止。

該數(shù)字化自控系統(tǒng)的高壓產(chǎn)生電路是由74LS00與非門外加兩個(gè)半橋電路驅(qū)動(dòng)芯片IR2104S共同組成的全橋驅(qū)動(dòng)電路[3]，高壓產(chǎn)生電路如圖3所示。通過(guò)FPGA對(duì)f1和f2之間的相位進(jìn)行數(shù)字化高精度調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電光晶體所需偏置電壓的控制。高壓整流部分采用了全波整流，選取了四個(gè)高頻高壓二極管2CL2FJ，此二極管可耐達(dá)15000 V的高壓，高頻特性好，正向?qū)▔航档停€具有優(yōu)異的抗高壓浪涌電流放電沖擊的特點(diǎn)。高壓電容決定了輸出高壓是否平直，它的容值越大，濾波效果越顯著，本電路選取了1000 pF的超高壓聚泵乙烯電容CB81，可耐上萬(wàn)伏的高壓，耐沖放電壽命長(zhǎng)，高頻性能好，電感量小，充放電速度快。

3? 基于FPGA的調(diào)相控壓算法的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)以FPGA為控制核心，以移相全橋開(kāi)關(guān)電源為控制對(duì)象，對(duì)晶體施加的直流偏置電壓進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)控，通過(guò)光電探測(cè)器采集出射光強(qiáng)信號(hào)，把光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送給FPGA處理，通過(guò)計(jì)算激光器入射光反饋電壓和出射光的光強(qiáng)電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尋找到透光率為50%的電壓值，從而連續(xù)準(zhǔn)確定位偏置電壓，使電光晶體的偏置電壓不受環(huán)境因素的影響，工作在最佳線性調(diào)制狀態(tài)，克服了以往手動(dòng)調(diào)節(jié)的誤差及視覺(jué)誤差等影響。

該系統(tǒng)通過(guò)FPGA調(diào)節(jié)兩路方波f1和f2的相位來(lái)控制輸出電壓，必須要有一個(gè)可靠的相位調(diào)控算法才能實(shí)現(xiàn)高精度的調(diào)節(jié)功能，借助于FPGA自帶的快速精確的計(jì)數(shù)功能，選擇了通過(guò)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路方波之間的相位進(jìn)行控制，此方法精度很高，非常實(shí)用，我們只需要定義兩個(gè)計(jì)數(shù)器[4]，通過(guò)改變相位控制字便可以對(duì)兩路高頻方波進(jìn)行相位調(diào)控，精度可達(dá)毫伏。

相位調(diào)控算法（部分）如下所示：

wire? phase0=x;//把相位控制字定義為一個(gè)變量

assign phase=429496*phase0;//每次移相x/10000，實(shí)現(xiàn)高精度控制

4? 實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)采用自帶光強(qiáng)反饋的激光器，對(duì)LN電光調(diào)制晶體進(jìn)行了橫向電光相位調(diào)制[5]，圖4為鈮酸鋰晶體的激光調(diào)制輸出波形。

實(shí)驗(yàn)表明，LN電光調(diào)制器的輸出波形非常穩(wěn)定，說(shuō)明晶體的偏置電壓非常理想，使晶體工作在穩(wěn)定的線性狀態(tài)，可滿足實(shí)際工程要求。

5? 結(jié)? 論

系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字化控相調(diào)壓的方式，設(shè)計(jì)了基于FPGA的EOM偏壓自控系統(tǒng)，對(duì)電光調(diào)制器的直流偏置高壓進(jìn)行準(zhǔn)確控制，使電光調(diào)制器偏置電壓始終位于線性區(qū)的中點(diǎn)電壓值，確保電光調(diào)制器工作在不失真狀態(tài)。與傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)偏置電壓的模式相比，該偏置電壓自控系統(tǒng)具有方便快捷、智能化、準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。最終實(shí)驗(yàn)表明，在電光調(diào)制器工作的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，調(diào)制信號(hào)穩(wěn)定且不失真，很好地滿足了實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)當(dāng)前電光技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：高天學(xué)（1991-），男，漢族，山東濟(jì)南人，碩士研究生，主要研究方向：射頻信號(hào)的獲取與處理。