基于FPGA 的激光器驱动电路的设计

　　摘要：为了提高激光器驱动电路的性能，设计了一款低成本。数字化的激光器驱动电路，包括波长调制电路，波长扫描电路，加法器电路以及压控恒流源电路。利用现场可编程门阵列生成的直接频率合成器可以产生频率可调的正弦波和三角波，并利用QuartusII 软件进行在线仿真和调试。然后利用加法电路进行叠加，并将其输出信号与恒流驱动整合到一起，完成对分布反馈式激光器的驱动。，进行了模拟实验研究，结果表明该驱动电路具有较高的稳定性。

　　0 引言

　　利用波长调制光谱技术（Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS） 测量气体浓度，需要使用波长可调谐的激光器，分布反馈式（Distributed Feed Back, DFB）激光器是可选的一种光源。本文介绍了用于波长调制光谱技术的激光器驱动电路的设计。

　　由于波长与驱动电流有确定的依赖关系，研究半导体激光器的电流驱动是很有必要的，本文设计的压控恒流源可实现对激光器的恒流驱动。通过直接频率合成技术（Direct Digital Synthesis,DDS）产生的正弦信号和三角信号可以对激光器的波长进行微调，实现了对DFB 半导体激光器的波长调制和波长扫描。

　　1 利用FPGA 实现DDS 系统的设计

　　1.1 基于FPGA 技术实现DDS 主体部分的设计

　　DDS 是以奈奎斯特采样定理为基础，通过控制相位的增加量，终合成不同频率的波形信号。由DDS 基本原理可知，f=Kf0/2N.其中，f0 是系统时钟的频率，N 为相位寄存器的字长，K 是频率控制字。由此可知，输出频率f 的大小由N 和K 的大小决定。

　　DSS 基本结构框图如图1 所示，它包括频率控制字。相位控制字。加法器。寄存器。波形存储器。DAC 等模块。本设计以正弦信号产生为例，采用层次结构，使用VHDL 语言进行程序编写，并利用A1tera 公司的QuartusII 软件对各部分模块的代码进行编译和仿真，仿真结果如图2 所示。

　　在本文设计中，为了获得频率为20kHz 的正弦信号，相位字pword 设为0,这主要为了初始相位为0,相位寄存器设为10 位，通过DDS 基本原理可知，频率字fword 应设定为65535.从图2可知，输入时钟clk 被锁相环分频成频率较低的输出时钟as,终输出信号的频率fout 约为20k Hz,符合初的设计目标。基于FPGA 生成的DDS 优点是通过改变波形存储器中数据，可以灵活地生成任意波形。

　　1.2 DDS 系统模块测试本系统采用A1tera 公司CycloneII 系列的EP2C8Q208C8N 型芯片，总逻辑单元达8256 个，I/O 引脚为138 个，该芯片具有强大的硬件逻辑功能。将DDS 信号源设计文件在线编译下到FPGA 系统板上，再通过DAC 转换器，终得到了输出频率为20k Hz 的正弦波形，其用来进行DFB 激光器的调制，如图3 所示。

　　同理， 通过改变。mif 文件，在波形存储器中的数据改为三角波的数据，频率控制字设置为65,就可以得到频率为20 Hz的三角波，它将用来对DFB 激光器进行扫描，如图4 所示。

　　1.3 加法器电路

　　DDS 产生的两路信号需要加法器进行叠加。加法器的器件是运算放大器。本系统采用同向加法电路，如下图5 所示。

　　具体求解过程如下：

　　由戴维南定理 可得：

　　当运算放大器工作于线形区时，由“虚短”和“虚断”的原理  可知：U2=U3,联立（式1）和（式2）可得：

　　2 压控恒流源电路设计

　　本系统设计了压控恒流源，它主要是利用电压负反馈的原理制作而成的，它由运算放大器OP07 N 沟道增强型场效应管。采样电阻和二极管等组成，原理图如图6 所示：

　　根据场效应管的工作原理可知，当该电路正常工作时候，流过激光器的电流Ilaser 等于流过电阻R23 的电流IR23,即：

　　为了保证电路在动态的过程中保持激光器电流的稳定性，电容与运放并联，形成积分电路，作用是给予阻尼，防止电路震荡。与激光器并联的反向二极管是起分流作用，防止浪涌击穿激光器，保护激光器。

　　3 结束语

　　本文设计了一种半导体激光器驱动电路，重点介绍了利用FPGA 实现DDS 的方法。利用QuartusII 软件进行在线仿真，减少了后期进行综合试验的错误率。在完成系统的部分设计之后，对硬件电路的设计进行了详细的讨论，包括加法器和压控恒流源的设计等。该驱动电路全程设计数字化，可以很方便的应用到激光器驱动和气体检测中，具有一定的参考意义。