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

臧曉陽(yáng) 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(cè)、國(guó)防安全等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1］。隨著時(shí)代的發(fā)展，人民對(duì)于環(huán)境和醫(yī)療的重視程度也越來(lái)越高，在環(huán)境監(jiān)測(cè)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(duì)空氣、水流等通過(guò)光譜檢測(cè)分析其中的成分組成，識(shí)別污染物進(jìn)行針對(duì)性治理，同時(shí)兼具高速、高精度的特點(diǎn)。在國(guó)防安全領(lǐng)域，可以對(duì)各個(gè)種類的有毒氣體煙霧進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測(cè)，進(jìn)而識(shí)別并計(jì)算出有毒氣體的成分和濃度。因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，彈光調(diào)制器在環(huán)境、工業(yè)及國(guó)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(shì)。十九世紀(jì)以來(lái)，關(guān)于彈光調(diào)制器的研究一直由國(guó)外學(xué)者進(jìn)行，英、美國(guó)家包括David Brewster、Kemp James等個(gè)人以及Hinds 等公司皆取得重大進(jìn)展并將其商業(yè)化，中國(guó)關(guān)于彈光調(diào)制器的研究相對(duì)較晚，直至2005 年，中科院曾愛(ài)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(lái)，驅(qū)動(dòng)其工作的高壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓不穩(wěn)定等一系列問(wèn)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(dòng)電路，信號(hào)源由FPGA內(nèi)部的數(shù)字合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）提供，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率、相位以及幅值的精準(zhǔn)把控，同時(shí)具有集成度高，電壓穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，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(dòng)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(guò)施加高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)使彈光晶體發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)激光器發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)彈光晶體時(shí)，由于彈光效應(yīng)，線偏振光變?yōu)閮墒嗷フ坏钠窆猓瑢?shí)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(yùn)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(guò)起偏器的入射光信號(hào)Sin，輸出光信號(hào)為

其中MPEM為單驅(qū)動(dòng)時(shí)快軸可調(diào)彈光調(diào)制器對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣，MA是起偏器對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣，經(jīng)化簡(jiǎn)運(yùn)算后，探測(cè)器信號(hào)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(dòng)電壓峰峰值，d為彈光晶體的厚度，λ為入射光的波長(zhǎng)［10］。

將式（2）通過(guò)貝塞爾級(jí)數(shù)展開(kāi)得：

由探測(cè)器輸出表達(dá)式可得出，探測(cè)器輸出信號(hào)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(dòng)電壓峰-峰值和頻率有關(guān)，所以得到一個(gè)高穩(wěn)定性、高幅值且參數(shù)可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試性能的提升具有重要意義。

2.2 高壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

高壓驅(qū)動(dòng)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(lì)由DDS 生成，通過(guò)為電容和電感不斷地充放電形成一個(gè)高壓正弦波信號(hào)。本文使用的LC諧振式高壓驅(qū)動(dòng)電路與傳統(tǒng)的電壓放大器尺寸對(duì)比如圖2所示。

圖2 LC諧振式高壓驅(qū)動(dòng)電路和電壓放大器對(duì)比圖

圖3 隔離電路

隔離電路為驅(qū)動(dòng)電路的重要組成部分，主要由H11L1VSM 型光耦構(gòu)成，信號(hào)輸入為DDS 生成的PWM 波來(lái)提供，高壓正弦波信號(hào)參數(shù)可以通過(guò)調(diào)整該P(yáng)WM 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(shí)提高輸出信號(hào)的高電平電壓，以達(dá)到增加驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值的目的。R1 的作用為限流，防止電流過(guò)大，損傷光耦內(nèi)部的發(fā)光二級(jí)管，致使光耦無(wú)法正常工作。

全橋電路主要作用是為L(zhǎng)C諧振電路提供兩個(gè)充放電回路，全橋電路由一個(gè)雙通道的N溝道MOS管和一個(gè)P 溝道MOS 構(gòu)成，選用英飛凌公司的IRF7313和IRF7314主要是因?yàn)樵摴芫陀休^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(shí)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(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)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(gè)高壓驅(qū)動(dòng)電路的核心組成部分，完成方波到正弦波的轉(zhuǎn)換并實(shí)現(xiàn)電壓放大功能，LC 諧振電路以電容電感構(gòu)成一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)設(shè)置電容電感的值可以產(chǎn)生特定頻率的正弦波信號(hào)，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(dú)立的功率放大電路，極大地簡(jiǎn)化了電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路圖如圖4 所示，同時(shí)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(guò)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(shí)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(shí)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(dòng)電路信號(hào)源設(shè)計(jì)

DDS 即直接數(shù)字合成器，具有信號(hào)帶寬大，合成速度快以及分辨率高等優(yōu)勢(shì)，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(guò)FPGA 實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)P?GA 選用ALTERA 公司的Cyclone IV EP4C22FC8N，通過(guò)設(shè)置控制字可以得到理想的方波信號(hào)并且便于系統(tǒng)在調(diào)制解調(diào)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)更改，從而進(jìn)行精確地測(cè)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(hào)的頻率，N為累加器的位寬，fCLK為系統(tǒng)時(shí)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(hào)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(shí)，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(hào)的信號(hào)的占空比。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證高壓驅(qū)動(dòng)電路原理的可行性，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，首先設(shè)計(jì)DDS方波信號(hào)生成器作為高壓驅(qū)動(dòng)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(jì)完成以及高壓驅(qū)動(dòng)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(duì)輸出電壓峰峰值進(jìn)行10 次重復(fù)測(cè)量，求其平均值并記錄數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果如表1。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

將測(cè)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(dòng)電壓的增勢(shì)并不明顯，而在10%～35%這一范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)于占空比的響應(yīng)接近于線性關(guān)系，驅(qū)動(dòng)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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的高壓驅(qū)動(dòng)電路具有體積小、輸出電壓穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，使用DDS 設(shè)計(jì)高壓驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)源，可以直接調(diào)用FPGA 內(nèi)部資源進(jìn)行設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)的高壓放大器，無(wú)需使用軌到軌高壓運(yùn)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(jì)可以同時(shí)達(dá)到波形轉(zhuǎn)換和電壓放大的功能，極大簡(jiǎn)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(dòng)信號(hào)，本文從高壓驅(qū)動(dòng)電路的組成及工作原理出發(fā)，分析了高壓驅(qū)動(dòng)的基本原理，并且提出了一種基于FPGA 的DDS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，擺脫了傳統(tǒng)高壓驅(qū)動(dòng)需要外接信號(hào)源的弊端，在保證電路性能的前提下，極大地簡(jiǎn)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。