法布里－珀罗滤波器的锯齿波驱动技术

吴伟伟，余有龙，李勋涛，吴文斌

(1.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥 230009;2.德赛电子科技有限公司研发中心，广东惠州 516029;3.建设综合勘察研究设计院北京综建科技有限公司，北京 100007)

法布里－珀罗滤波器的锯齿波驱动技术

吴伟伟1，余有龙1，李勋涛2，吴文斌3

(1.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥 230009;2.德赛电子科技有限公司研发中心，广东惠州 516029;3.建设综合勘察研究设计院北京综建科技有限公司，北京 100007)

分析了可调法布里－珀罗滤波器的工作原理，设计了扫描滤波的驱动电路。实验中由数字电路产生锯齿波信号，并借助模拟电路进行功率放大，获得上升沿占空比达到99.90%的输出。其频率在0～50 Hz范围内可调，驱动电压的幅值和偏置电压均可在0～30 V范围内调整。为便于后续信号的采集和寻峰，在单个自由光谱程范围内，利用3次曲线拟合方式对驱动电压进行修正，波长调谐的标准差分别降低62.7%、最大误差分别降低80.1%。

法布里－珀罗滤波器;锯齿波;嵌入式;非线性

波长编码的光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感技术自问世以来，一直受到人们的青睐［1－4］。其信号解调大致可分为滤波法［5］、干涉法［6］和色散法［7］。其中滤波法多利用可调法布里－珀罗(F－P)滤波器，通过其对透过波长的选择［8］，实现对传感光栅的波长扫描。而F－P滤波器透过波长的变化，是借助压电陶瓷(PZT)的电致伸缩效应，通过对腔长的调节实现的。该滤波器的驱动方式主要有三角波驱动法［9］和锯齿波驱动法［10］两种。前者存在以下不足:(1)一般使用模拟电路产生波形存在着精度不高和频率调节不精确的缺点。(2)波形的上升和下降沿都会有反射信号透射，增加了后续电路处理的难度。(3)对于容性负载，易产生失真。而后者上升沿部分采集到的是低频信号，下降沿部分采集到的是高频信号，引入低通滤波器容易将高频信号滤除，这样便于后续电路对信号进行采集和峰值提取。

设计并搭建了一个基于嵌入式处理器(ARM)的频率、幅值均可调的锯齿波驱动电路。针对F－P可调谐滤波器的非线性特性，在单个自由光谱程(FSR)范围以内进行了非线性修正，降低了系统的误差。

1 原理分析

可调谐F－P滤波器是由两个高度平行的高反射率的反射镜构成。一个反射镜位置固定，另一个反射镜的背面贴有压电陶瓷(PZT)。PZT的驱动电压是时间t的函数，记为V(t)，导致伸缩引起两镜构成腔的长度 L发生变化，表示成［11］

其中，L0为原始腔长;ΔL(t)为PZT伸缩引起的腔长微扰;PZT的磁滞和蠕变效应，使得ΔL(t)与驱动电压间呈非线性变化关系［12］。用周期为T的锯齿波扫描信号驱动PZT，ΔL(t)与驱动电压的关系可表示成［13］

根据文献［14］，透过波长与电压依赖关系为

其中，i表示干涉的级数;n表示腔中介质的折射率;A、B、C、D分别表示系数常量。

2 系统设计

基于嵌入式处理器的F－P滤波器控制器主要由波形产生电路、信号处理电路、串口通讯电路及电源管理电路组成，系统硬件框图如图1所示。

图1 驱动电路框图

2.1 波形产生电路

针对模拟驱动技术的不足，采用数字驱动技术。其数字信号由主频达到72 MHz的嵌入式ARM处理器STM32F103C8产生，避免了电容充放电带来的延时，对驱动频率的控制更准确。选用16位高精度芯片AD5660来执行数字信号到模拟信号的转换，有利于提高锯齿波信号的平滑度和精确度。所用ARM芯片具有快速的响应速度，可将锯齿波的下降沿降至ns量级。波形产生电路与放大电路原理框图如图2所示。波形产生电路如图3所示。

图2 原理框图

图3 信号发生电路

2.2 提高F－P滤波器控制器驱动能力

由于PZT为容性负载，F－P滤波器的阻抗较大，若驱动电路的驱动能力不足，输出波形会出现失真现象。在保证驱动大负载的同时输出电压要稳定，必须提高它的输出功率。选择输出电压最大可达40 V，输出电流最高可达50 mA的OPA452芯片，结合由NPN型和PNP型三极管构成的推挽式功率放大电路，对前述锯齿波信号进行功率放大，如图4所示，获得电流可达3 A的驱动输出。

图4 放大电路

驱动器输出电压在0～30 V;频率在0～50 Hz;偏置在0～30 V连续可调。通过示波器观察锯齿波频率为10 Hz，上升沿的占空比达99.90%的波形如图5所示。输出波形稳定，在驱动F－P滤波器以后，电压输出正常，达到最大3 A的电流输出。

图5 输出电压

3 实验结果

3.1 实验系统的构成

实验装置如图6所示，宽带光源LED发出的光波，经传感光栅阵列反射后，由3 dB耦合器耦合至由上述电路驱动的可调滤波器，其输出用光纤光谱仪观察，而放大后的锯齿波信号由示波器监测。随着驱动信号的改变，当滤波器透过波长与传感阵列中某一传感元的布喇格波长一致时，光谱仪能够接收并可能观测到较强的输出谱。所用光源的波长范围为1 410～1 610 nm，可调滤波器在1 550 nm通信窗口的自由光谱程为94 nm，3 dB带宽为90.6 pm，单自由光谱程调节所需电压为18 V。

图6 实验装置

3.2 F－P滤波驱动器非线性修正

设置直流电平为9 V，在单自由光谱程范围内，手动调节驱动电压的幅值，观测滤波器的透过波长，图7为两者的实验关系。可见透过波长与驱动电压间呈明显的非线性关系，这主要是F－P滤波器的腔长变化与其驱动电压间的非线性关系所致。根据原理中驱动电压与输出波长成三次曲线关系对图7的曲线进行拟合，表达式为

其中，λ表示透过波长;V表示F－P滤波器的驱动电压。

图7 驱动电压与F－P滤波器透过波长关系曲线

对F－P可滤波器进行非线性修正是为了使驱动电压连续变化时，可以让透射的波长等间距改变。利用式(4)对F－P可调谐滤波器进行非线性修正，分别计算出在一个FSR范围内透过波长所对应的驱动电压。将电压数据做成表格的形式存入ARM内部，使用C语言的查表方式对ARM的电压输出进行调整。这样，可以一定程度上起到非线性修正的效果。利用线性拟合方式分别拟合修正之间的电压与波长之间关系曲线以及修正后的电压与波长之间的关系曲线。图8为修正前后的实验对比图，其中A表示拟合前的数据，B表示拟合后的数据。图8中修正前的线性拟合曲线，标准差是3.786 66，最大误差值为6.783 45;修正后的线性拟合曲线，标准差是1.413 33，最大误差值为1.346 84。采用修正后的电压驱动F－P滤波器，标准差分别降低62.7%，最大误差分别降低80.1%，非线性特性有了明显改善。

图8 修正对比曲线

4 结束语

利用嵌入式处理器与D/A转换芯片AD5660结合产生锯齿波，采用高电压高电流运放提升电压幅值和功率。输出波形上升沿占空比达99.90%，幅值和偏置在0～30 V之间可调，输出最大可达3 A的电流，输出的锯齿波驱动负载能力强，且驱动负载时波形不会产生变化。采用3次曲线拟合方式对F－P滤波器的驱动电压进行了非线性修正，标准差降低62.7%，最大误差分别降低80.1%。比市场上传统驱动F－P滤波器的控制器更能满足解调仪的需求。

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The Drive Technology of Sawtooth Wave for Fabry-Perot Filter

WU Weiwei1，YU Youlong1，LI Xuntao2，WU Wenbin3
(1.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering，Heifei University of Technology，Hefei 230009，China;2.R＆D Center，DESAY Electronics，Huizhou 516029，China;3.Beijing Comprehensive Construction Company Limited，China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying，Beijing 100007，China)

The working principle of the tunable Fabry-Perot(F-P)filter is analyzed，and the driving circuit of the filter is designed.In the experiment，a sawtooth wave is obtained by using a digital circuit，which is amplified by an analog circuit.Thus the duty cycle of the rising edge of the sawtooth wave can amount to 99.90%.And its frequency can be adjusted from 0 to 50 Hz.Both the amplitude of the output voltage and offset can be adjusted from 0 V to 30 V.To sample and search the signal and peak more easily，the applied voltage is rectified by using the cubic fitting algorithm in a free spectral range.Experiment results show that the standard error and the maximum error of the tuning wavelength are reduced by 62.7%and 80.1%，respectively.

F-P filter;sawtooth wave;embedded;nonlinear

TN253

A

1007－7820(2012)08－016－05

2012-03-07

吴伟伟(1986—)，女，硕士研究生。研究方向:光纤光栅传感，电子电路。