基于FPGA的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究
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耦合器是一種用于傳送和分配光信號的無源器件。通常，光信號由耦合器的一個(gè)端口輸入，而從另一個(gè)或幾個(gè)端口輸出，因此，耦合器可以用來減少系統(tǒng)中的光纖用量以及光源和光纖活動(dòng)接頭的用量，也可用于節(jié)點(diǎn)互連與信號混合。它可在相同波長上，將來自幾束光纖的光耦合到其他幾柬光纖中，也可將光從一束光纖分離到幾束光纖中。耦合器是通過將2根或多根光纖熔接并拉伸，產(chǎn)生一個(gè)耦合區(qū)而產(chǎn)生的。理想的光纖耦合器，信道插入損耗為0 dB，隔離度為1。一般實(shí)際值與理想情況接近。分光比為50％：50％的2x2光纖耦合器被稱為3dB耦合器。
2．2 A／D轉(zhuǎn)換器和FPGA器件選型
采集電路是實(shí)現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的電路，其模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器是采集電路的核心。系統(tǒng)對2路電壓信號同時(shí)采集?？紤]到系統(tǒng)的速度、精度和分辨率等要求，這里采用16位的A／D轉(zhuǎn)換器AD976。AD976采樣速率高達(dá)100 Ks／s，采用的是電荷重分布技術(shù)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由內(nèi)部電容模塊進(jìn)行高速采樣，因此無需外加采樣保持器，從而簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)。
此系統(tǒng)采用ALTERA公司優(yōu)性價(jià)比的Cyclone系列EP1CQ240C8。EP1CQ240C8內(nèi)部有LE 5 980個(gè)，PLL2個(gè)，185個(gè)I／O端口。利用PLL可完成對輸入分頻、倍頻、占空比的設(shè)定、特定的相移，非常方便。把輸入時(shí)鐘必須分給全局時(shí)鐘引腳。EP1CQ240C8內(nèi)部有RAM 92 160 bit，可以實(shí)現(xiàn)單口RAM，雙口同步FIFO，異步FIFO，CAM(內(nèi)容地址存儲器)，豐富的I／O可以完成和外設(shè)的連接。
2．3 信號調(diào)理電路
信號調(diào)理電路主要完成光電轉(zhuǎn)換和小信號的放大和濾波等功能。本系統(tǒng)的光電探測器采用PED100-LN，其暗電流小、響應(yīng)度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性和可靠性好，在1 550nm的波長附近具有良好的線性輸出；具有對數(shù)特性，對大信號增益小，對小信號增益大，因此可對功率在大范圍內(nèi)變化的光信號進(jìn)行響應(yīng)。光電探測器是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，其輸出的電流通過高精密運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路轉(zhuǎn)換為合適的電壓信號。為了使小信號電壓信號不被電路噪聲所淹沒，所以在電路的前端加鎖定放大電路，信號通過放大電路后傳輸?shù)綖V波電路，濾波電路選用二階低通濾波電路。低通濾波電路輸出的信號傳輸給下一級電路進(jìn)行處理。
又由于光電探測器靈敏度低、輸出電流小，一般只有數(shù)微安，甚至更小，因此必須選用前置放大器對信號進(jìn)行放大。首先從去噪角度上考慮前置放大電路的設(shè)計(jì)，電路中需要引入去耦電容。去耦是去除芯片電源管腳上的噪聲，噪聲是芯片本身產(chǎn)生的。在直流電源電路中負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。此外，前置放大電路還應(yīng)該起到最大限度抑制噪聲的作用，以獲得最大的信噪比。前置放大器的核心部分是運(yùn)算放大器，應(yīng)盡量選擇具有高的輸入電阻、小的失調(diào)電流的高性能運(yùn)算放大器。圖2為前置放大電路。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/191383.htm
作為光信號檢測中的關(guān)鍵部分，前置放大電路的性能在很大程度上決定了整個(gè)光檢測系統(tǒng)的性能。如果采用一般的放大器進(jìn)行放大，放大器本身會(huì)引入較高的噪聲，后一級放大器將對前一級放大器輸出的信號和引入的噪聲同時(shí)進(jìn)行放大，因此信噪比不會(huì)得到改善，本系統(tǒng)中要探測的光電流信號很微弱，因此，前置放大器的增益必須很高。此外，前置放大電路還應(yīng)該起到最大限度抑制噪聲的作用，以獲得最大的信噪比。綜合各方面的考慮，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前置放大電路如圖2所示。由于OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的單運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。光電探測器輸出的光電流信號經(jīng)過前置放大器后，實(shí)現(xiàn)了電流-電壓的轉(zhuǎn)換和一次放大，但是為了滿足后續(xù)電路的需要，必須對信號進(jìn)行二次放大，二級放大電路選用高精密運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成。其二級放大電路如圖3。
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