FPGA激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)指南

　　利用波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)測(cè)量氣體濃度，需要使用波長(zhǎng)可調(diào)諧的激光器，分布反饋式（Distributed Feed Back， DFB）激光器是可選的一種光源。本文介紹了用于波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)的激光器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。由于波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電流有確定的依賴關(guān)系，研究半導(dǎo)體激光器的電流驅(qū)動(dòng)是很有必要的，本文設(shè)計(jì)的壓控恒流源可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的恒流驅(qū)動(dòng)。通過直接頻率合成技術(shù)（Direct Digital(＄132.9200) Synthesis，DDS）產(chǎn)生的正弦信號(hào)和三角信號(hào)可以對(duì)激光器的波長(zhǎng)進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DFB 半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)調(diào)制和波長(zhǎng)掃描。

　　基于FPGA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)DDS 主體部分的設(shè)計(jì)

　　DDS 是以奈奎斯特采樣定理為基礎(chǔ)，通過控制相位的增加量，最終合成不同頻率的波形信號(hào)。由DDS 基本原理可知，f=Kf0/2N.其中，f0 是系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率，N 為相位寄存器的字長(zhǎng)，K 是頻率控制字。由此可知，輸出頻率f 的大小由N 和K 的大小決定。

　　DSS 基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，它包括頻率控制字。相位控制字。加法器。寄存器。波形存儲(chǔ)器。DAC 等模塊。本設(shè)計(jì)以正弦信號(hào)產(chǎn)生為例，采用層次結(jié)構(gòu)，使用VHDL 語言進(jìn)行程序編寫，并利用A1tera 公司的QuartusII 軟件對(duì)各部分模塊的代碼進(jìn)行編譯和仿真，仿真結(jié)果如圖2 所示。

　　加法器電路

　　DDS 產(chǎn)生的兩路信號(hào)需要加法器進(jìn)行疊加。加法器的核心器件是運(yùn)算放大器。本系統(tǒng)采用同向加法電路，如下圖5 所示。

　　壓控恒流源電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了壓控恒流源，它主要是利用電壓負(fù)反饋的原理制作而成的，它由運(yùn)算放大器OP07 N 溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。采樣電阻和二極管等組成，原理圖如圖6 所示：

　　根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理可知，當(dāng)該電路正常工作時(shí)候，流過激光器的電流Ilaser 等于流過電阻R23 的電流IR23.

　　為了保證電路在動(dòng)態(tài)的過程中保持激光器電流的穩(wěn)定性，電容與運(yùn)放并聯(lián)，形成積分電路，作用是給予阻尼，防止電路震蕩。與激光器并聯(lián)的反向二極管是起分流作用，防止浪涌擊穿激光器，保護(hù)激光器。

　　本文設(shè)計(jì)了一種半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路，重點(diǎn)介紹了利用FPGA 實(shí)現(xiàn)DDS 的方法。利用QuartusII 軟件進(jìn)行在線仿真，減少了后期進(jìn)行綜合試驗(yàn)的錯(cuò)誤率。在完成系統(tǒng)的核心部分設(shè)計(jì)之后，對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的討論，包括加法器和壓控恒流源的設(shè)計(jì)等。該驅(qū)動(dòng)電路全程設(shè)計(jì)數(shù)字化，可以很方便的應(yīng)用到激光器驅(qū)動(dòng)和氣體檢測(cè)中，具有一定的參考意義。DDS 系統(tǒng)模塊測(cè)試本系統(tǒng)采用A1tera 公司CycloneII 系列的EP2C8Q208C8N(＄23.3400) 型芯片，總邏輯單元達(dá)8256 個(gè)，I/O 引腳為138 個(gè)，該芯片具有強(qiáng)大的硬件邏輯功能。將DDS 信號(hào)源設(shè)計(jì)文件在線編譯下到FPGA 最小系統(tǒng)板上，再通過DAC 轉(zhuǎn)換器，最終得到了輸出頻率為20k Hz 的正弦波形，其用來進(jìn)行DFB 激光器的調(diào)制，如圖3 所示。

　　為了提高激光器驅(qū)動(dòng)電路的性能，設(shè)計(jì)了一款低成本。數(shù)字化的激光器驅(qū)動(dòng)電路，包括波長(zhǎng)調(diào)制電路，波長(zhǎng)掃描電路，加法器電路以及壓控恒流源電路。利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列生成的直接頻率合成器可以產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波和三角波，并利用QuartusII 軟件進(jìn)行在線仿真和調(diào)試。然后利用加法電路進(jìn)行疊加，并將其輸出信號(hào)與恒流驅(qū)動(dòng)整合到一起，完成對(duì)分布反饋式激光器的驅(qū)動(dòng)。最后，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該驅(qū)動(dòng)電路具有較高的穩(wěn)定性。