一种应用于弹光调制的高压驱动电路设计∗

臧晓阳 王志斌 李克武 刘 坤 张 喆

（1.中北大学仪器与电子学院 太原 030051）（2.中北大学前沿交叉科学研究院 太原 030051）（3.山西省光电信息与仪器工程技术研究中心 太原 030051）

1 引言

弹光调制器在环境监测、国防安全等领域有着广阔的应用前景［1］。随着时代的发展，人民对于环境和医疗的重视程度也越来越高，在环境监测领域，以弹光调制器为干涉具的傅里叶变换光谱仪可以对空气、水流等通过光谱检测分析其中的成分组成，识别污染物进行针对性治理，同时兼具高速、高精度的特点。在国防安全领域，可以对各个种类的有毒气体烟雾进行快速准确的检测，进而识别并计算出有毒气体的成分和浓度。因此在很长一段时间内，弹光调制器在环境、工业及国防等领域都发挥着重要作用［2-3］。

弹光调制器具有应用广泛的突出优势。十九世纪以来，关于弹光调制器的研究一直由国外学者进行，英、美国家包括David Brewster、Kemp James等个人以及Hinds 等公司皆取得重大进展并将其商业化，中国关于弹光调制器的研究相对较晚，直至2005 年，中科院曾爱军、王向朝等提出一种弹光调制器精确定标的方法，并在之后几年取得一系列重大突破［4～6］。但一直以来，驱动其工作的高压驱动电路却一直存在着集成度不高、尺寸大，发热严重以及驱动电压不稳定等一系列问题。

为保证弹光调制器的稳定工作，本文提出了一种具有隔离功能的高压驱动电路，信号源由FPGA内部的数字合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）提供，可以实现对驱动信号的频率、相位以及幅值的精准把控，同时具有集成度高，电压稳定的优势，能够满足不同材质弹光晶体（熔融石英，硒化锌，氟化钙等）的驱动需求。

2 弹光调制基本原理

2.1 基于弹光效应的弹光调制器工作原理

弹光调制器由压电晶体和弹光晶体两部分组成，其工作原理为通过施加高压驱动信号使弹光晶体发生振动，当激光器发出的光信号通过弹光晶体时，由于弹光效应，线偏振光变为两束相互正交的偏振光，实现相位调制［7］，具体的光学系统如图1所示。

图1 系统光路示意图

图中，激光器选用的为632.8nm 的He～Ne 激光器，将起偏器透光轴方向，弹光调制器的调制快轴方位角和检偏器透光轴方向依次设置为45°、0°、-45°。在上述光路中，运用Stokes参量和Muller矩阵进行推算，以便具体分析［8～9］。图中经过起偏器的入射光信号Sin，输出光信号为

其中MPEM为单驱动时快轴可调弹光调制器对应的穆勒矩阵，MA是起偏器对应的穆勒矩阵，经化简运算后，探测器信号为

其中δ0是相位延迟量，f0是弹光晶体的谐振频率，k为弹光晶体的应力光学常数，Vpp为驱动电压峰峰值，d为弹光晶体的厚度，λ为入射光的波长［10］。

将式（2）通过贝塞尔级数展开得：

由探测器输出表达式可得出，探测器输出信号包括直流分量和偶次谐波分量，由式（4），将四次、二次谐波分量相除即可消除K、I0等参数的影响［11］：

而根据式（3）可知，PEM 的相位延迟量跟驱动电压峰-峰值和频率有关，所以得到一个高稳定性、高幅值且参数可调的驱动电压对于整个系统测试性能的提升具有重要意义。

2.2 高压驱动电路设计

高压驱动电路主要由隔离电路、全桥电路，LC谐振电路等组成，电路的激励由DDS 生成，通过为电容和电感不断地充放电形成一个高压正弦波信号。本文使用的LC谐振式高压驱动电路与传统的电压放大器尺寸对比如图2所示。

图2 LC谐振式高压驱动电路和电压放大器对比图

图3 隔离电路

隔离电路为驱动电路的重要组成部分，主要由H11L1VSM 型光耦构成，信号输入为DDS 生成的PWM 波来提供，高压正弦波信号参数可以通过调整该PWM 波的占空比、频率以及相位进行调整。光耦采用12V 供电，保证其正常工作，同时提高输出信号的高电平电压，以达到增加驱动电压峰峰值的目的。R1 的作用为限流，防止电流过大，损伤光耦内部的发光二级管，致使光耦无法正常工作。

全桥电路主要作用是为LC谐振电路提供两个充放电回路，全桥电路由一个双通道的N沟道MOS管和一个P 沟道MOS 构成，选用英飞凌公司的IRF7313和IRF7314主要是因为该管就有较小的栅源极寄生电容和较小的源漏极导通电阻，较小的寄生电容保证了MOS 管可以在极短的时间内完成从导通到关断的转换，而较小的导通电阻降低了MOS管在完全导通后的功率损耗，降低了发热情况，以避免在长时间驱动弹光的情况下芯片发热严重，使得芯片损坏。

LC 谐振电路为整个高压驱动电路的核心组成部分，完成方波到正弦波的转换并实现电压放大功能，LC 谐振电路以电容电感构成一个选频网络，通过设置电容电感的值可以产生特定频率的正弦波信号，最大可产生几十MHz 以上的正弦波。与传统的电压放大器相比，省去了保护电路、降噪抗干扰电路以及独立的功率放大电路，极大地简化了电路的拓扑结构，电路图如图4 所示，同时具有较高的转化效率和可靠性。

图4 全桥电路和LC谐振电路

在图3 所示的电路中，LC 谐振电路的复数阻抗为

在谐振频率下，通过调整L 和C 的值，使得电路的容抗和感抗相等，相互抵消［12］，此时电路的电抗最小且呈现出纯阻特性，回路电流最大，电路发生谐振，此时谐振发生的条件为

由式（7）推导可得，电路在谐振状态下的角频率、频率、特性阻抗以及品质因数分别为

其中，ωo为谐振角频率，fo为谐振频率，ρ为特性阻抗，Q为特性阻抗，L为电感，C为电容，R为电阻。

2.3 高压驱动电路信号源设计

DDS 即直接数字合成器，具有信号带宽大，合成速度快以及分辨率高等优势，是一种新型的频率合成技术，广泛应用于通信领域［13］，其结构图如图5 所示。本文使用的方波生成通过FPGA 实现，FP⁃GA 选用ALTERA 公司的Cyclone IV EP4C22FC8N，通过设置控制字可以得到理想的方波信号并且便于系统在调制解调时进行实时更改，从而进行精确地测量。关于频率控制字的设置：

图5 DDS方波生成结构图

其中，FWord为频率控制字，f为输出信号的频率，N为累加器的位宽，fCLK为系统时钟［14］。

相位控制字的设置：

其中，PWord为相位控制字，PInitial为输出信号的初始相位。在初始相位确定之后，FWord在fCLK的控制下进行累加，累加器的值和相位控制字相加得到相位地址，相位地址和占空比控制字做比较，当相位地址大于占空比控制字时，输出高电平，反之则输出低电平［15］，关于占空比控制字的设置：

其中，DWord为占空比控制字，D为输出方波信号的信号的占空比。

3 实验验证与数据分析

为了验证高压驱动电路原理的可行性，并对其性能进行测试，首先设计DDS方波信号生成器作为高压驱动的输入，设置方波频率为50kHz，其次选用5mH 电感、2026pF 电容以保证LC 谐振频率为50kHz，DDS 模块设计完成以及高压驱动电路焊接完成后，将系统联调，选用5%步进值，分别在占空比0%～45%范围内，对输出电压峰峰值进行10 次重复测量，求其平均值并记录数据，测量结果如表1。

表1 测量数据

将测量结果利用Matlab拟合，根据结果进行分析可知，在占空比较高和较低的范围内，驱动电压的增势并不明显，而在10%～35%这一范围内，驱动电压关于占空比的响应接近于线性关系，驱动电压与占空比的拟合曲线如图6所示。

图6 不同占空比下输出电压峰峰值

4 结语

本文设计的高压驱动电路具有体积小、输出电压稳定、结构简单等优势，使用DDS 设计高压驱动电路信号源，可以直接调用FPGA 内部资源进行设计，相比于传统的高压放大器，无需使用轨到轨高压运放以及保护电路保证其正常工作，使用耐高压的电容和电感进行谐振电路设计可以同时达到波形转换和电压放大的功能，极大简化了弹光调制系统的硬件构成。为了得到稳定的驱动信号，本文从高压驱动电路的组成及工作原理出发，分析了高压驱动的基本原理，并且提出了一种基于FPGA 的DDS信号发生器设计，摆脱了传统高压驱动需要外接信号源的弊端，在保证电路性能的前提下，极大地简化了电路，满足了弹光调制器工作需要高稳定性、高精度和便于控制的需求。