一種應(yīng)用于彈光調(diào)制的高壓驅(qū)動電路設(shè)計?

臧曉陽 王志斌 李克武 劉 坤 張 喆

（1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院 太原 030051）（2.中北大學(xué)前沿交叉科學(xué)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(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)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(lǐng)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(jìn)行針對性治理，同時兼具高速、高精度的特點。在國防安全領(lǐng)域，可以對各個種類的有毒氣體煙霧進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測，進(jìn)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(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用［2-3］。

彈光調(diào)制器具有應(yīng)用廣泛的突出優(yōu)勢。十九世紀(jì)以來，關(guān)于彈光調(diào)制器的研究一直由國外學(xué)者進(jìn)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(jìn)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(biāo)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(yán)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(zhǔn)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(yīng)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(dāng)激光器發(fā)出的光信號通過彈光晶體時，由于彈光效應(yīng)，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(xué)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(shè)置為45°、0°、-45°。在上述光路中，運用Stokes參量和Muller矩陣進(jìn)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(yīng)的穆勒矩陣，MA是起偏器對應(yīng)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(yīng)力光學(xué)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(dá)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(shè)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(jìn)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(dá)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(dǎo)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(dǎo)通到關(guān)斷的轉(zhuǎn)換，而較小的導(dǎo)通電阻降低了MOS管在完全導(dǎo)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(yán)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(luò)，通過設(shè)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(hù)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?fù)浣Y(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(fù)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(dǎo)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(shè)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(yīng)用于通信領(lǐng)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(shè)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(jìn)行實時更改，從而進(jìn)行精確地測量。關(guān)于頻率控制字的設(shè)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(shè)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(jìn)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(dāng)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(shè)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(jìn)行測試，首先設(shè)計DDS方波信號生成器作為高壓驅(qū)動的輸入，設(shè)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(shè)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(jìn)值，分別在占空比0%～45%范圍內(nèi)，對輸出電壓峰峰值進(jìn)行10 次重復(fù)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(jìn)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(yīng)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(shè)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(shè)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(jìn)行設(shè)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(hù)電路保證其正常工作，使用耐高壓的電容和電感進(jìn)行諧振電路設(shè)計可以同時達(dá)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(shè)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。