基于FPGA的脈沖光纖激光器功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2013-05-14 來源：網(wǎng)絡(luò)

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3 功能模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)絕大部分的控制功能都是在FPGA中實(shí)現(xiàn)。文中采用Alter公司生產(chǎn)的Cyclone系列FPGA，選用型號(hào)為EP1C3T100。該款芯片共有2 910個(gè)邏輯單元、13個(gè)M4K的存儲(chǔ)模塊、1個(gè)鎖相環(huán)和65個(gè)可自定義I／O腳。
3．1 聲光調(diào)制器(AOM)驅(qū)動(dòng)控制模塊
當(dāng)上位機(jī)打標(biāo)軟件設(shè)定聲光調(diào)制器的重復(fù)頻率為20～200 kHz時(shí)，經(jīng)過上位機(jī)控制板卡數(shù)據(jù)處理后，產(chǎn)生與設(shè)定頻率相同的周期方波信號(hào)并加載到該控制系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到方波信號(hào)的上升沿到來時(shí)，將產(chǎn)生與該信號(hào)同步的窄脈沖信號(hào)，脈沖寬度根據(jù)重復(fù)輸入頻率的值在0．1～1μs之間變化。
實(shí)現(xiàn)原理：(1)利用FPGA精確的定時(shí)能力設(shè)計(jì)一數(shù)字頻率計(jì)，對(duì)上位機(jī)輸出的方波信號(hào)進(jìn)行頻率檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)出被測(cè)信號(hào)的頻率后，利用FPGA精確的延遲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)脈沖寬度可調(diào)的同步信號(hào)。如圖3所示，為測(cè)頻法的基本原理。在確定的閘門時(shí)間Tw內(nèi)，記錄被測(cè)信號(hào)的變化周期數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)Nx，則被測(cè)信號(hào)的頻率為Fx=Nx／Tw，當(dāng)閘門的時(shí)間Tw為1 s時(shí)，測(cè)被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)Nx就為被測(cè)信號(hào)的頻率。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/189607.htm

(2)該功能模塊在FPGA內(nèi)部組成原理如圖4所示。被測(cè)信號(hào)的頻率輸入范圍為20～200 kHz，基準(zhǔn)時(shí)鐘為FPGA的時(shí)鐘頻率100 MHz。因?yàn)榛鶞?zhǔn)時(shí)鐘的頻率為100 MHz并遠(yuǎn)大于被測(cè)信號(hào)的頻率，所以以被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期作為閘門時(shí)間即T1=10 ns，在T1內(nèi)對(duì)100 MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，被測(cè)周期的個(gè)數(shù)為N1，則被測(cè)信號(hào)的周期Tw=T1·N1。FPGA根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率，產(chǎn)生與其對(duì)應(yīng)的同步脈沖信號(hào)，并加載到聲光調(diào)制器的輸入端。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，在不同的輸入頻率下示波器顯示的輸出波形。圖5(a)為在輸入重復(fù)頻率為200 kHz，輸出同步脈沖寬度為700 ns。圖5(b)為輸入重復(fù)頻率為58．8 kHz，輸出同步脈沖寬度為800 ns。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用FPGA可以成功地實(shí)現(xiàn)隨輸入頻率的不同，而產(chǎn)生不同的同步脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。

3．2 狀態(tài)機(jī)模塊
在整個(gè)控制系統(tǒng)中存在大量的時(shí)序關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)序高效、可靠的邏輯控制，采用有限狀態(tài)機(jī)的方怯來實(shí)現(xiàn)。有限狀態(tài)機(jī)有兩種基本類型：米利(Mealy)機(jī)和摩爾(Moore)機(jī)，米利機(jī)的下一狀態(tài)和輸出取決于當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前輸入；摩爾機(jī)的下一狀態(tài)取決于當(dāng)前的狀態(tài)和當(dāng)前的輸入，但其輸出僅取決于當(dāng)前狀態(tài)。這兩類有限狀態(tài)機(jī)的下一狀態(tài)和輸出都是由組合邏輯電路形成，其原理框圖如圖6所示。

FPGA根據(jù)狀態(tài)機(jī)的不同狀態(tài)，有序地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能控制，例如對(duì)激光器電源加電的軟啟動(dòng)控制、平均輸出光功率的反饋控制、半導(dǎo)體激光器的開啟與關(guān)斷時(shí)間控制和數(shù)據(jù)處理與顯示等功能。如圖7中(a)所示為半導(dǎo)體激光器由上電軟啟動(dòng)過程，首先由0電壓逐漸上升到工作電壓值，最后以脈沖輸出電壓的方式控制半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)。圖7(b)所示為利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的部分時(shí)序控制仿真圖。圖中輸入信號(hào)pin19 _1為脈沖光纖激光器的出光和不出光控制信號(hào)，當(dāng)pin19_1為高電平時(shí)，經(jīng)過FPGA數(shù)據(jù)處理后，將產(chǎn)生3路控制信號(hào)mo、pa1、pa2，分別用于控制主振蕩級(jí)半導(dǎo)體激光器LD1和功率放大級(jí)的半導(dǎo)體激光器LD2及LD3開啟與關(guān)斷狀態(tài)。