發布日期：2022-10-09 點擊率：101
【導讀】本文設計了一種半導體激光器驅動電路，重點介紹了利用FPGA 實現DDS 的方法。利用QuartusII 軟件進行在線仿真，減少了后期進行綜合試驗的錯誤率。在完成系統的核心部分設計之后，對硬件電路的設計進行了詳細的討論，感興趣的童鞋可以瞧瞧！
利用波長調制光譜技術測量氣體濃度，需要使用波長可調諧的激光器，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調制光譜技術的激光器驅動電路的設計。由于波長與驅動電流有確定的依賴關系，研究半導體激光器的電流驅動是很有必要的，本文設計的壓控恒流源可實現對激光器的恒流驅動。通過直接頻率合成技術（Direct DigitalSynthesis，DDS）產生的正弦信號和三角信號可以對激光器的波長進行微調，實現了對DFB 半導體激光器的波長調制和波長掃描。
基于FPGA 技術實現DDS 主體部分的設計
DDS 是以奈奎斯特采樣定理為基礎，通過控制相位的增加量，最終合成不同頻率的波形信號。由DDS 基本原理可知，f=Kf0/2N.其中，f0 是系統時鐘的頻率，N 為相位寄存器的字長，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 基本結構框圖如圖1 所示，它包括頻率控制字。相位控制字。加法器。寄存器。波形存儲器。DAC 等模塊。本設計以正弦信號產生為例，采用層次結構，使用VHDL 語言進行程序編寫，并利用A1tera 公司的QuartusII 軟件對各部分模塊的代碼進行編譯和仿真，仿真結果如圖2 所示。
加法器電路
DDS 產生的兩路信號需要加法器進行疊加。加法器的核心器件是運算放大器。本系統采用同向加法電路，如下圖3 所示。
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壓控恒流源電路設計
本系統設計了壓控恒流源，它主要是利用電壓負反饋的原理制作而成的，它由運算放大器OP07 N 溝道增強型場效應管。采樣電阻和二極管等組成，原理圖如圖4 所示：
根據場效應管的工作原理可知，當該電路正常工作時候，流過激光器的電流Ilaser 等于流過電阻R23 的電流IR23.
為了保證電路在動態的過程中保持激光器電流的穩定性，電容與運放并聯，形成積分電路，作用是給予阻尼，防止電路震蕩。與激光器并聯的反向二極管是起分流作用，防止浪涌擊穿激光器，保護激光器。
本文設計了一種半導體激光器驅動電路，重點介紹了利用FPGA 實現DDS 的方法。利用QuartusII 軟件進行在線仿真，減少了后期進行綜合試驗的錯誤率。在完成系統的核心部分設計之后，對硬件電路的設計進行了詳細的討論，包括加法器和壓控恒流源的設計等。該驅動電路全程設計數字化，可以很方便的應用到激光器驅動和氣體檢測中，具有一定的參考意義。DDS 系統模塊測試本系統采用A1tera 公司CycloneII 系列的EP2C8Q208C8N(＄23.3400) 型芯片，總邏輯單元達8256 個，I/O 引腳為138 個，該芯片具有強大的硬件邏輯功能。將DDS 信號源設計文件在線編譯下到FPGA 最小系統板上，再通過DAC 轉換器，最終得到了輸出頻率為20k Hz 的正弦波形，其用來進行DFB 激光器的調制，如圖3 所示。
為了提高激光器驅動電路的性能，設計了一款低成本。數字化的激光器驅動電路，包括波長調制電路，波長掃描電路，加法器電路以及壓控恒流源電路。利用現場可編程門陣列生成的直接頻率合成器可以產生頻率可調的正弦波和三角波，并利用QuartusII 軟件進行在線仿真和調試。然后利用加法電路進行疊加，并將其輸出信號與恒流驅動整合到一起，完成對分布反饋式激光器的驅動。最后，進行了模擬實驗研究，結果表明該驅動電路具有較高的穩定性。
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