摘要：為了提高激光器驅(qū)動電路的性能，設(shè)計(jì)了一款低成本。數(shù)字化的激光器驅(qū)動電路，包括波長調(diào)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(xiàn)場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，并將其輸出信號與恒流驅(qū)動整合到一起，完成對分布反饋式激光器的驅(qū)動。，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該驅(qū)動電路具有較高的穩(wěn)定性。

　　0 引言

　　利用波長調(diào)制光譜技術(shù)（Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS） 測量氣體濃度，需要使用波長可調(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調(diào)制光譜技術(shù)的激光器驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。

　　由于波長與驅(qū)動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)動是很有必要的，本文設(shè)計(jì)的壓控恒流源可實(shí)現(xiàn)對激光器的恒流驅(qū)動。通過直接頻率合成技術(shù)（Direct Digital Synthesis,DDS）產(chǎn)生的正弦信號和三角信號可以對激光器的波長進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)了對DFB 半導(dǎo)體激光器的波長調(diào)制和波長掃描。

　　1 利用FPGA 實(shí)現(xiàn)DDS 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1.1 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，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(tǒng)時(shí)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(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。波形存儲器。DAC 等模塊。本設(shè)計(jì)以正弦信號產(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。

　　在本文設(shè)計(jì)中，為了獲得頻率為20kHz 的正弦信號，相位字pword 設(shè)為0,這主要為了初始相位為0,相位寄存器設(shè)為10 位，通過DDS 基本原理可知，頻率字fword 應(yīng)設(shè)定為65535.從圖2可知，輸入時(shí)鐘clk 被鎖相環(huán)分頻成頻率較低的輸出時(shí)鐘as,終輸出信號的頻率fout 約為20k Hz,符合初的設(shè)計(jì)目標(biāo)?；贔PGA 生成的DDS 優(yōu)點(diǎn)是通過改變波形存儲器中數(shù)據(jù)，可以靈活地生成任意波形。

　　1.2 DDS 系統(tǒng)模塊測試本系統(tǒng)采用A1tera 公司CycloneII 系列的EP2C8Q208C8N 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 信號源設(shè)計(jì)文件在線編譯下到FPGA 系統(tǒng)板上，再通過DAC 轉(zhuǎn)換器，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。

　　同理， 通過改變。mif 文件，在波形存儲器中的數(shù)據(jù)改為三角波的數(shù)據(jù)，頻率控制字設(shè)置為65,就可以得到頻率為20 Hz的三角波，它將用來對DFB 激光器進(jìn)行掃描，如圖4 所示。

　　1.3 加法器電路

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

　　具體求解過程如下：

　　由戴維南定理 可得：

　　當(dāng)運(yùn)算放大器工作于線形區(qū)時(shí)，由“虛短”和“虛斷”的原理  可知：U2=U3,聯(lián)立（式1）和（式2）可得：

　　2 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,即：

　　為了保證電路在動態(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。

　　3 結(jié)束語

　　本文設(shè)計(jì)了一種半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路，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)的錯誤率。在完成系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)之后，對硬件電路的設(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)動和氣體檢測中，具有一定的參考意義。