调制驱动（精选3篇）
调制驱动 篇1
压电石英晶体具有纯度高、分辨率高、方向性好等特点,用它制成的压电驱动器可以应用于微位移输出装置、微型机器人、力发生装置、光谱测量等领域。利用压电石英晶体和硒化锌(Zn Se)晶体设计出的具有弹光效应的静态傅里叶变换干涉具[1,2,3],与传统干涉具相比,具有调制速度快、光谱范围宽、光通量大、抗振性好并且结构紧凑等优点,这是众多光谱仪所不能比拟的。压电晶体的使用离不开相应的驱动控制器,驱动控制器对压电晶体的振动性能影响很大,因此,压电晶体驱动控制器技术已成为目前压电晶体振动应用的关键技术[4,5,6,7,8]。
从提高压电晶体驱动控制器的电压、功耗等角度出发,对传统压电陶瓷驱动控制器进行改进,提出了适合静态傅里叶变换干涉具压电石英晶体驱动控制器的方法[9],结合Zn Se晶体的本征振动频率和LC谐振网络的配置[10],该方法能有效降低电路本身的功率损耗,提供较稳定的高压信号,为弹光调制器稳定工作提供了保障。
1 基于弹光调制器压电晶体驱动控制器
弹光调制器是一种基于高性能红外透明光学材料(如熔融石英、氟化锂、氟化钙晶体等)光弹效应的偏振调制器件,利用压电材料(如压电石英晶体、压电陶瓷)在红外透明光学材料上加以周期性变化的机械力,从而对晶体施加相应的应力,使光学材料共振。
利用压电石英晶体的逆压电效应,在压电晶体的两个电极上施加一个交变电压,将产生一定的机械形变,施加的电压峰值越高,形变量就越大。文中压电石英晶体(0.64 cm×1.91 cm×5.08 cm)为长度伸缩振动模式的单转角切型(xyt)准1,其中准1=-18.5°,经计算压电石英晶体本征频率为50.02 k Hz。(xyt)准1切型压电石英晶体的压电方程为:
式中S2为应变,s22E为弹性常数,T2为应力,d12为压电常数,E1为电场强度,D1为电位移。(xyt)准1切型压电石英晶体的波动方程可通过牛顿第二定律导出,经过推导可得出:
式中c=姨1/ρs22E为波速,v为压电晶体的振动位移,ρ为压电石英晶体的密度,y为晶体的长度。压电石英晶体是在交变电场E1=E0ejwt的激励下进行工作的,故式(2)的通解可写成:
式中k=w/c,t为时间。接下来求满足边界条件的解。压电石英晶体的两端是自由端,它的边界自由条件为:
将式(3)代入式(1)中第一式后再将边界条件代入,加以整理最后可得到交变电压与振动位移方程为:
式(5)即为(xyt)准1切型压电石英晶体的波动方程式的解。由Matlab仿真得到的单块压电石英晶体的振动位移随时间变化的结果可知,单块的振动位移可以达到2.4μm。如果同时驱动两块压电石英晶体带动本征频率也为50.02 k Hz的Zn Se晶体振动时,晶体振动位移是单块的两倍。
压电石英晶体在谐振时等效于一个很小的电容,充放电速度快、压电石英晶体纯度高、发热小、损耗小,所以需要的驱动控制器的功率较小。因此,在弹光调制器压电晶体的振动研究中,对压电晶体驱动电路的设计要求如下:(1)输出电阻小,具有较强的带负载能力。只有降低驱动控制器的输出电阻R,才能使R与压电晶体等效的电容C所构成的RC回路的时间常数降低,从而提高系统的动态性能。(2)为了达到最佳的振动效果,所设计的驱动控制器的频率须为50.02 k Hz。(3)要求驱动控制器的输出幅度连续可调,波动幅度小、稳定性好。
2 驱动控制器设计
驱动控制器由方波产生电路、功率放大电路、充放电回路和LC谐振网络四部分组成。方波产生电路由F40型数字合成信号发生器提供幅度为0~2 V、频率为50.02 k Hz的信号;功率放大电路为后续电路提供具有一定驱动能力的电压信号;LC谐振网络将电压放大到所需要的高压,驱动压电石英晶体的振动。系统设计的一个最大特点是输出驱动电压的大小由可调直流电源VCC和LC谐振网络的品质因数决定。
2.1 功率放大电路
功率放大电路负责将输入信号放大,在整个电路中起着重要的作用,设计成功与否决定了整个系统的动态性能。图1中Q1、R2、R3组成共射放大电路,方波输入信号Vi加到晶体管Q1的基极B,引起基极电流Ib的变化,Ib的变化又使集电极电流Ic随之变化。Ic的变化在集电极电阻R3上产生电压降,Q1集电极输出电压U1=VCC-IcR3。当Ic的瞬时值增加时,U1就减小,即U1的变化与Ic的变化相反,如果电路的参数选择得当,U1的幅度将比Vi大的多,而且还能够提高带负载的能力,从而实现电压的放大。
R3、Q2和CR1又组成了共集电极放大电路,该电路的特点是输入信号源提供的电流小,可减小信号源的功率容量,电压放大倍数小于1而接近1,输出电压和输入电压同相,输入阻抗高输出阻抗低、失真小、频带宽、工作稳定。它用作放大器的中间级,起到缓冲和阻抗匹配的作用,减轻前级的负载,提高了整个电路的电压增益和功率传输能力。
2.2 充放电回路
图1中构成的功率放大/充放电电流控制部分的功率放大单元电路为准互补甲乙类对称功率放大电路,给压电晶体振荡器提供充放电电流回路。由图1可知,当输入信号Vi为低电平时,三极管Q2导通,从而开关管Q3导通,给LC谐振网络和压电晶体充电,CR2二极管此时也导通,给三极管Q2又提供了一定的驱动电压,同时由于三极管Q1的输入为低电平,Q1管截止,从而使三极管Q4关断,防止放电回路导通。当输入方波信号为高电平时,Q1管工作,此时Q3管的基极电压为低电平,所以此刻Q3管不工作,同时Q4管的基极电压为高电平,该管导通,为压电晶体振荡器提供了放电回路。
2.3 LC谐振网络
LC谐振网路在高压电源中起着核心作用,这里要解决调谐和电压放大的问题,以此来提高压电晶体驱动控制器的功率与效率的传输。所谓调谐,即采用外加电感性元件调节压电晶体的输入电抗,使输入相角趋近于零,以减少功率传输中的无功分量;电压放大,即电感L与电容C相匹配,通过选择合适的L和C使负载电路达到谐振。谐振电路的设计要满足以下几个要求:一是选择合适的L和C,使产生的谐振频率和压电石英晶体的本征频率一致;二是串联LC电路的品质因数Q要尽量大,产生比较大的电压放大。LC谐振频率和Q值可由下式得出:
式中f为谐振频率,w为电路谐振角频率,Q为品质因数,L为电感,C为电容,R为电阻,Uo为输出电压。
电路中元件参数设置:电感为5 m H,固定电容为1 800 p F,可调电容为1~90 p F。具体的工作原理为:电感和电容串联,电容器放电,电感开始有一个逆向的反冲电流,电感充电,二极管CR3的作用就是防止反向电压过高时击穿三极管Q3,给逆向反冲电压提供一个放电回路。当电感电压达到最大时,电容放电完毕,之后电感又开始放电,电容开始充电,往复循环。电路中的CR4是必不可少的,当LC谐振电路给电容充电时,电容C1、C2的B极板的电子将通过二极管CR4给电感L1提供能量,然后电感存储的能量给电容充电,充分利用电感中的能量给电容充电,从而Q3的发射极就可以只需要提供很小的电压和电流补充LC谐振电路中振动的能量的损耗就能维持整个电路的良好振动性能,这样就大大降低了电源的功率,也降低了电路的功率损耗。为了达到高压高精度50.02 k Hz的要求,这里选择的固定电容为美国银云母高压高精度电容,具有高频特性好、温漂小、容量精确、损耗低等优点;可调电容精确调节LC网络的谐振点;绕制电感线圈的磁环要求磁损耗小、磁导率低。
3 实验结果及分析
为了测试驱动控制器的动态性能,测试不同直流电源电压下的输出电压。实验对象为I/FS50型的压电晶体容性负载,调制频率为50.02 k Hz。在不同的直流控制电压UDC下的压电晶体两端输出电压的测试结果如表1所示。由实验数据可知,驱动控制器的输出电压Uout峰峰值可以达到1 500 V。
图2是在输入直流控制电压UDC为14 V的条件下得到的实验结果;图3是在输入直流控制电压UDC为27 V的条件下得到的实验结果。由实验结果可知,在输出电压Uout为1 500 V时,电路的功率为5.4 W。图2、图3的实验结果都是在衰减10倍后测量得到的。实验结果表明,与采用高压运放芯片或者COMS管设计的驱动控制器相比,该驱动控制器可以输出较高的电压和较小的功率损耗。
为了测试弹光调制器的振动效果,在驱动控制器输出电压为1 500 V,驱动两块压电石英晶体带动本征频率为50.02 k Hz的Zn Se晶体振动,用LV-S01激光多普勒测振仪测试Zn Se晶体的振动结果如图4、图5所示,LV-S01激光多普勒测振仪分辨率为1μm/s,激光光源波长为632.8 nm。
由图4、图5可知,晶体的振动频率为50.018 k Hz,振动位移可以达到4.5μm,振动位移是单块的两倍,实验结果与理论一致,具有良好的动态性能和线性度以及输出电压纹波小等优点,满足了高精度高频响的要求。
本文研制的驱动控制器输出电阻小、负载能力强、电路结构简单可靠,响应速度可达到微秒级。输出电压峰值高达1 500 V且连续可调。最后对电源的整体性能进行测试,通过改变直流电压的大小,可以改变加在压电晶体两端的电压和Zn Se晶体产生的振动位移,从而实现4.5μm的振动位移。根据分析测试数据可以得出,本文研制的动态压电晶体驱动控制器具有良好的静态特性和动态特性,设计出的驱动控制器满足了弹光调制器压电晶体的实际需要,为弹光调制器干涉具动态控制的实现奠定了基础。
本文的创新点是不需要高压直流电源,只需要一个27 V的直流电源就可以产生1 500 V的高压,很好地驱动了压电晶体的周期性振动,为设计出高品质的弹光干涉具提供了保障。采用LC谐振网络产生高压,脱离了常规的用高压运放或者大功率耐高压MOS管产生高压,节省了成本,具有较好的实用性。
摘要：针对弹光调制器需要高压、小电流双向正弦电源的工作特点,设计了一种压电晶体驱动控制器,主要由功率放大电路、充放电回路、LC谐振电路等部分组成。它能提供正负输出,并能对压电晶体进行快速充放电。输出正弦电压频率为50.018 kHz,峰-峰值电压可达1 500 V,ZnSe晶体的最大振动位移可以达到4.5μm。实验结果表明,该驱动控制器可满足压电晶体的驱动要求。
关键词：弹光调制,驱动控制器,LC谐振,压电晶体,ZnSe晶体
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调制驱动 篇2
提出一种相位调制器驱动电路的设计方法, 并在此基础上使用高速模拟开关实现了可调电压输出的驱动模式, 仿真及实验结果验证了该方法的可行性。
1 相位调制器驱动电路工作原理
根据BB84协议Alice通过量子信道向Bob发送一串单光子, 当光子到达Bob端时Bob随机选取2位二进制编码 (代表随机选取的相位对应的加在相位调制器上的电压) , 通过相位调制器调制每一个光子的相位;当光子返回到Alice端时, Alice以同样的机理通过另一个相位调制器对光子进行相位调制, 根据干涉原理双方通信的密码由单光子探测器进行探测生成[2]。驱动相位调制器的电压信号不能是恒定的直流信号, 而需要接受脉冲电压的调制, 且脉宽要小, 还需要精密的纳秒量级的延迟输出[2]。
2 相位调制器驱动电路硬件设计
2.1 单片机部分
该部分包括LCD、Key Board两大模块, 主要负责延迟时间及输出电压信号幅值的设置和显示。键盘采用分步, 包括0~9数字键及电压和时间两个功能键, 此外还包括一个输入控制键。当要设置时, 按下输入控制键进入输入状态, 然后按下电压功能键, 输入电压值, 接着按下时间功能键, 输入时间值, 当参数输入都完成后, 再按下输入控制键, 退出输入状态并在LCD1602上显示相应设置。
LCD显示延迟时间位数为六位, 因此其设置时间范围为0~999999 ns。由于FPGA的外部晶振为50 MHz, 其系统最小周期为20 ns, 而0~19 ns由可编程延迟芯片AD9501来实现。在单片机中先对延迟时间进行处理, 然后再将处理后的数据传到FPGA。则有T1=T/20和T=T1+T2, 其中T为总延迟时间, T1为FPGA的延迟时间, T2为AD9501的延迟时间。
采用8位并行通信的方式来实现单片机与FPGA的数据通信。由于单片机与FPGA的电气特性不同, 单片机端口输出电压为5v, FPGA端口电压为3.3v, 为了保证数据的正确性, 采用电阻+74hc573实现电平转换。
2.2 FPGA部分
FPGA是信号生成的主要模块, 由于其外部晶振的限制, 其能生成精度为20 ns的延迟信号[3]。由于相位调制器的工作频率为1 MHz, 所以FPGA还要输出的是重复频率1 MHz的脉宽为20 ns的基准信号, 具体方法如下:一个计数器C1, 让它在晶振上升沿的驱动下从0至49循环计数, 在每次Cl为0时, 让信号为高电平, 在Cl处于1到49之间时, 信号处于低电平, 通过这种方式就可以实现基准信号。然后把延迟时间T1赋给一个20 bit的计数器C2, 令C2在每个晶振时钟的上升沿自减1, 一直减到0, 此时即可让另一个和C1工作方式相同的C3开始工作, 即开始输出重复频率为1 MHz的信号, 该信号相对于基准信号延迟了20×C3 ns。举例说明, 比如我需要FPGA延迟100 ns, 那么C2为5, 这个计数器在晶振时钟的上升沿减1, 也就是说当第6个时钟上升沿来到时重复频率为1 MHz的, 波形同基准信号相同的信号开始输出, 即相对于延迟基准信号, 该信号延迟了5个晶振时钟周期, 即100 ns。通过Quartus II软件进行波形仿真后可知, 如图1, 其中CLK0为基准信号, CLKD为延迟信号。
使用ADI公司生产的AD9501基于斜坡发生器的数字可编程延时芯片来完成0~19 ns的延迟操控[4], 并通过调整外部电阻RSET跟外部电容CSET可以实现2.5 ns到10 us的最大延迟范围。FPGA的延迟信号作为AD9501的触发脉冲, 且输出引脚与复位引脚RESET直接相连, 即在延迟信号输出同时将芯片复位, 这样就可以保持对后续输入信号的延迟。
2.3 电压输出部分
由于需要0 V、2.25 V、4.5 V、6.75 V的调制电压, 因此用15v的开关电源, 通过LM317可调稳压器, 调节电压的输出, 精度可达0.01 V。将总延迟信号作为作为模拟开关74HC4053的使能信号, 从而控制相应电压的输出。
结束语
通过调试, 此驱动电路满足一定实验要求, 从实验上对方案的可行性进行了验证, 可用于量子密钥分发实验中。但也存在不足之处, 由于模拟开关传输存在一定的延迟, 导致电压信号有较大波纹现象。因此还需在以后的工作中进一步完善该驱动电路, 使之更好的运用于量子密码的通信。
参考文献
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调制驱动 篇3
半导体激光器以其超小型、高效率、结构简单等优良特性被广泛应用于科研、国防、医疗、加工等领域,其相应的驱动技术也显得越来越重要[1]。半导体激光器是理想的电子-光子直接转换器件,有很高的量子效率,微小的电流变化都将导致其输出光强的很大变化,因此,半导体激光器的驱动电流要求非常高。半导体激光器的驱动技术通常采用恒流驱动方式,在此工作方式下,通过负反馈原理控制回路,直接提供驱动电流的有效控制[2]。此外,瞬态的电流或电压尖峰脉冲,以及过流、过压都会损坏半导体激光器,因此驱动电路中还应考虑特殊的抗电冲击措施和保护电路[3]。
在一些测量应用中,直流驱动的半导体激光器产生的直流光在测量过程中容易受到缓慢变化的环境光的干扰,导致无法从环境光中分离出所需直流光信号,本文系统信噪比过小,因此要对其进行调制[4]。当半导体激光器进行高速调制时,会出现很复杂的动态特性,如驰豫振荡、自脉动以及多脉冲等现象。本文对其低频调制特性进行了实验研究。
半导体激光器输出有足够的稳定性,且可直接调制,它已在光纤系统中得到普遍应用,是传感器系统的首选光源。本文为光纤系统的光源设计了一种高稳定度驱动电流、可调制、操作简单且成本低廉的驱动电路。
1 调制型恒流驱动电路方案
本文设计的半导体激光器驱动调制电路由四大部分组成,包括恒流电路、软启动、限流保护和调制信号产生电路[5]。恒流电路产生高稳定度驱动电流。软启动的作用是消除电路中可能存在的浪涌,防止浪涌对激光器的危害。为避免由于过流等因素引起半导体激光器不可恢复的损坏,则在驱动电路中加入限流保护。调制信号产生电路实现调制和频率可调。整体电路设计框图如图1所示。
恒流电路采用电压负反馈调整电路来实现恒定电流,电路的工作原理见图2。首先由基准电路产生一个高精度高稳定的电压基准,当输入电压增大或负载变化使得输出电流发生变化时,取样电路将获取一定比例的输出电压误差信息;然后将其与电压基准比较后,误差放大电路把放大了的误差信号施加到调整电路调整输出电流,从而形成一个深度负反馈的闭环系统,实现对输出的调节,达到稳定电流的目的[6,7]。
2 调制型恒流驱动电路设计
2.1 恒流电路
实际的恒流电路见图3,基准电压Vr送入运放A1的同相端,该运放控制放大器的导通程度,并由此获得相应的输出电流。该输出电流通过取样电阻Rs产生取样电压,该取样电压经放大后作为反馈电压反馈回电压放大器A1的反相输入端,并与同相输入端的电压比较,通过三极管Q2对输出电压进行调整,进而对半导体激光器的输出电流进行调整,使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中[8]。
2.2 软启动
由于在电源开关开启的瞬间会产生电压、电流浪涌冲击,以及外界干扰产生的浪涌影响都有可能造成半导体激光器的击穿和损坏,因此必须在激光器驱动电路中设计软启动电路,即利用RC电路的充放电,实现时间上的延迟,具体电路如图4所示。开关S1闭合后,电流经电阻R1向电容C3充电,三极管Q基极电压逐渐升高。随着电容的充电以及三极管的导通,输出电压Vo实现了从0到最大的缓慢上升,直到电容充电饱和后,此时电压和电流趋于稳定。当电源断开时,上述过程反向,从而实现电流和电压的缓慢下降。
激光器的软启动时间与充电电容和相应电阻有关,当电容充电趋于饱和时,软启动电路的输出电压可以达到最大。设电源电压为Vi,电容电压为Vo,电容充电公式为:
根据此公式可以计算电路充放电的时间。
2.3 限流保护
半导体激光器同其他器件一样,都有正常工作电流,如果电流超过这个范围,激光器将会被损坏,因此必须把激光器的工作电流限制在设定范围内[9]。
在图5中,三极管Q2的发射极电压作为反馈电压加在运放A3的同相端,当反馈电压小于限制电压V时,运放A3输出低电平,三极管Q1管导通,此时由三极管Q2输出电压;当反馈电压大于限制电压V时,运放A3输出高电平,三极管Q1截止,此时限制了三极管Q2发射极电流的增加,而被限制在某一特定值上。因此即使控制电压Vr所引起的电流超过设定值,又由于三极管Q1和Q2是串联在一起的,所以总的电流就会被箝制在设定电流值上。
2.4 调制信号产生电路
调制信号产生电路由晶体振荡电路和分频电路两部分组成,用于产生频率稳定度高,占空比稳定的方波信号。晶体振荡电路直接由有源晶振产生,振荡频率为1 MHz。分频电路由CMOS集成电路4040实现。1 MHz脉冲信号经4040分频后,从开关选中的管脚输出一定频率,占空比为50 %,幅值为5 V的方波信号。经分频后的调制频率分别为256 Hz,512 Hz,1 kHz,2 kHz,4 kHz,8 kHz,16 kHz,32 kHz,64 kHz,128 kHz,256 kHz,512 kHz共12种。电路如图6所示。
3 实验结果
3.1 驱动电流稳定度
驱动电路一个重要技术参数为电流稳定度[10]。电流稳定度是在一定时间内,多次测量通过半导体激光器的电流大小,即稳定度为输出电流的相对变化量与输入电流的比值,见式(2),进行稳定度计算,这里将电流相对变化定义为测量最大值与最小值之差,将测量平均值作为输入电流值。
为观察驱动电路稳定性,用万用表测量半导体激光器的驱动电流随时间的变化关系,图7是在电路中串接电流表来测量电流随时间的变化得到的曲线。
由图7可以看到,在刚开始的10 min内电流变化明显,大约在半小时后基本稳定,电流在随后的3 min内变化幅值为0.01 mA。按照电流稳定度计算公式计算电流的长期稳定度为0.05%。
3.2 软启动时间
根据式(1),当Vo上升到Vi的95%时,大约需要3 s的时间,这时激光器可以稳定工作,且电压趋于稳定。当电源断开时,由于电容的放电时间大于充电时间,电压缓降过程略长。软启动其电压变化的时间特性可借助示波器观察,图8和图9是开启和关闭电源开关观察到的电压随时间的变化曲线。
从两图可以得出,电压缓升时间约为3.5 s,电压缓降时间约为4.8 s。在这样的情况下,激光器就能避免直接的冲击,起到保护作用。
3.3 驱动调制信号波形
将方波信号接入电路中,通过三极管作用于驱动电流,使其随着方波信号而变化,调制电路产生的信号波形CH1和调制后的输出信号波形CH2如图10所示,其调制频率分别为1 kHz和2 kHz。
激光器的输出直流光通过调制变成了随方波信号变化的调制光,这种信号在光强调制型光纤测量应用中很普遍。
4 结 语
驱动电路基于电压负反馈原理,通过恒流驱动方式实现了对半导体激光器注入电流和输出光强的控制,并能够提供高稳定度的驱动电流,电流稳定度达0.05%。驱动电路中加入了软启动、限流保护等辅助电路,减少了由于浪涌击穿和过电流导致的半导体激光器的损坏,同时将调制电路和驱动电路有效地结合起来,实现了频率可调的功能,形成一种结构简单、性能可靠、体积小、成本低廉的调制型半导体激光器恒流驱动电路。经各项性能测试的结果显示结合相应的参考补偿措施,该电路能满足基于反射式光强调制的光纤传感位移测量系统对驱动电路的要求。
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