CN105357819A - 一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置 - Google Patents

一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，包括FPGA控制单元、存储器、幅度调节单元以及极窄脉冲产生单元，本发明的光源控制装置，精确模拟脉冲轮廓的形状、占空比、FWHM和周期等特点，该装置结构简单小巧，价格低廉，整套控制系统成本高昂；其中，采用两个比较器和一个与门电路，实现了输出ns级的极窄脉冲，降低设备成本同时，提高脉冲精度；光源控制装置中采用的幅度调节单元，可调整波形的幅度和幅度基准，具有结构简单性能可靠，精度高的特点。

Description

一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置
技术领域
本发明涉及光学控制领域，尤其涉及一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，波形幅值可调，利用该特性实现对电压调制激光源和X射线源等的精准控制，可延伸应用于自动控制、光学导航等诸多领域，应用前景广阔。
背景技术
目前各种光源如激光源、X射线源均可实现调制输出，控制输出光子的功率符合输入量的变化规律。一般可调制光源的输入量为电压信号，光源根据电压的变化控制输出光子的功率线性变化。
随着精密测量和导航技术的发展，对光源的调制也提出了新的要求。恒定或周期性常规波形的输入电压已不能满足光源调制的实际需求，许多领域要求输入电压轮廓为非常规波形，有的领域甚至要求输入电压为ns级窄脉冲，这些对光源的控制技术提出新的挑战。
在研究热点脉冲星探测领域，普遍采用可调制光源进行探测技术的地面验证。要求光源能够模拟脉冲星的运行特点发射光子，发出的光子符合脉冲星辐射脉冲轮廓的参数，如脉冲周期、周期稳定度、形状及FWHM等，如图1(a)、1(b)、1(c)和1(d)所示的四种典型的X射线脉冲星脉冲轮廓示意图。同时，不同的脉冲星具有不同的脉冲轮廓特征，要求光源能够按照实际情况随意进行选择。因此，在脉冲星探测验证系统中，解决光源对脉冲星辐射脉冲轮廓参数的模拟问题，为系统提供一个尽可能接近实际脉冲星的光源是首要解决的问题。
目前较常用的脉冲星模拟方式如图2所示，利用计算机生成脉冲星轮廓数据，通过存储介质将波形数据导入至任意波形发生器，然后调节波形发生器的相关按钮，使输出信号满足光源的调制要求。上述光源控制方式复杂，轮廓更改过程繁琐，实现不了ns级的脉冲输出控制，且关键设备任意波形发生器价格昂贵，整套控制系统成本高昂。为解决常规光源控制方式存在的问题，弥补不足，设计一种能够输出任意轮廓和极窄脉冲的光源控制器，精确模拟脉冲轮廓的形状、占空比、FWHM和周期等特点和输出ns级的窄脉冲。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，精确模拟脉冲轮廓且可输出ns级的极窄脉冲，可降低设备成本同时，提高脉冲精度。
本发明的一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，包括FPGA控制单元、存储器、幅度调节单元以及极窄脉冲产生单元，外围设备为上位机；
所述FPGA控制单元从上位机接收脉冲星的辐射轮廓数据，并将其送入存储器进行存储；
当要产生任意轮廓波形时，FPGA控制单元从所述存储器调取客户所需的波形对应的脉冲星的辐射轮廓数据，采用直接数字频率合成方法，根据要求对调取的脉冲星辐射轮廓进行频率调整，并得到频率调整后的脉冲波形的模拟信号；所述幅度调节单元从FPGA控制单元接收经过频率调整的脉冲波形的模拟信号后，再按要求对其进行幅度调节以及幅度基准调节，得到频率和幅度均满足需求的波形数据；
当要产生极窄脉冲时，所述FPGA控制单元从上位机接收极窄脉冲发送时刻以及参考脉冲，并在极窄脉冲发送时刻将参考脉冲送入极窄脉冲产生单元；所述极窄脉冲产生单元在所述极窄脉冲发送时刻，根据客户需求的脉冲宽度，基于所述参考脉冲产生满足要求的极窄脉冲；
所述极窄脉冲产生单元包括与门电路和两个比较器；将所述两个比较器分别定义为第二比较器和第三比较器；所述第二比较器的正输入端串接可调电阻R17后接所述参考脉冲；所述第三比较器的负输入端串接可调电阻R18后接所述参考脉冲；可调电阻R17与第二比较器的正输入端之间串接电容C17后接地；可调电阻R18与第三比较器的负输入端之间串接电容C18后接地；第二比较器的负输入端与第三比较器的正输入端均接正参考电压；
所述第二比较器和第三比较器的输出端分别接所述与门电路的两个对应的逻辑输入端口A1和B1；所述第一比较器与门电路的电源正端接+5V，输出端输出的信号即为满足要求宽度的极窄脉冲。
所述极窄脉冲产生单元还包括一个比较器，定义为第一比较器，接收所述参考脉冲，用于对所述参考脉冲进行整形；第一比较器的输出端分别通过可调电阻R17和R18接第二比较器的正输入端和第三比较器的负输入端。
三个所述比较器采用的型号为LT1721，与门电路采用的型号为NL27W208；所述第一比较器的负输入端串接50Ω电阻R4后接地；正输入端接在电阻R5和电阻R6之间；电阻R5和电阻R6的阻值均为1kΩ，串联在+5V和地之间；所述可调电阻R17和R18的阻值调节范围为1Ω至10kΩ；电容C17和C18的容值均为8.2pF；第二比较器的负输入端与第三比较器的正输入端均接在电阻R11和电阻R12之间；所述电阻R11和电阻R12的阻值均为1kΩ，串联在+5V和地之间；所述第二比较器的负输入端串联容值为0.1μF的电容后接地；与门电路的其它互为与逻辑的输入端口接地；电源正端并联阻值为0.1μF和47μF的电容后接地。
所述FPGA控制单元包括DDS模块，用于实现直接数字频率合成方法；所述DDS模块包括相位累加器、曲线查找表以及D/A转换器；所述相位累加器根据从上位机接收的采样频率对所述调取的脉冲星辐射轮廓数据进行采样，并生成采样点地址；然后，在曲线查找表中存储的采用地址与对应的幅值中查找当前生成的采样点地址和对应的幅值，并由D/A转换器生成模拟信号。
所述存储器包括FLASH和SRAM缓存器；所述FLASH用于预先存储脉冲星辐射轮廓数据，并将上位机发送到FPGA控制单元的实时脉冲星辐射轮廓数据存储到SRAM缓存器中；当SRAM缓存器中接收到实时脉冲星辐射轮廓数据后，FPGA控制单元从SRAM缓存器接收实时脉冲星辐射轮廓数据。
所述幅度调节单元由运算放大器实现；所述运算放大器的负输入端接从FPGA控制单元输出的所述轮廓调整后的脉冲波形的模拟信号；运算放大器的负输入端和输出端之间串接可调电阻R43；运算放大器的负输入端串接电阻R42后接可调电阻R40的可调引线端；可调电阻R40的两端串接在+5V和-5V之间；输出端即输出经过轮廓幅度调节和幅度基准调节后的波形数据。
运算放大器的型号为HA2520；其正输入端串接电阻R47和电阻R116后接地；负输入端与所述模拟信号之间接阻值为1kΩ的匹配电阻R44；电源负端接-12V电源；COMP端串接51pF电容后接地；BAL1和BAL2端并接后串联10kΩ电阻后接+12V电源；电源正端接+12V电源；电阻R47和电阻R116的阻值分别为45.3Ω和680Ω；可调电阻R40的阻值调节范围为1-1kΩ，可调电阻R43的阻值调节范围为1-10kΩ。
还包括低通滤波电路，对所述轮廓调整后的脉冲波形的模拟信号进行低通滤波后，输入到幅度调节单元。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的光源控制装置，精确模拟脉冲轮廓的形状、占空比、FWHM和周期等特点，该装置结构简单小巧，价格低廉，整套控制系统成本高昂；其中，采用两个比较器和一个与门电路，实现了输出ns级的极窄脉冲，降低设备成本同时，提高脉冲精度。
(2)本发明的光源控制装置中采用的幅度调节单元，可调整波形的幅度和幅度基准，具有结构简单性能可靠，精度高的特点。
附图说明
图1(a)为B0531+21脉冲星脉冲轮廓图；
图1(b)为B0138+59脉冲星脉冲轮廓图；
图1(c)为B1937+21脉冲星脉冲轮廓图；
图1(d)为J0006+1834脉冲星脉冲轮廓图；
图2为模拟脉冲星光源控制方式框图；
图3为本发明的光源控制装置原理框图。
图4为本发明的光源控制装置中DDS模块的原理框图。
图5为本发明的幅度调节单元的电路图。
图6为本发明的极窄脉冲产生单元的电路图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图3所示，一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，包括FPGA控制单元、存储器、幅度调节单元以及极窄脉冲产生单元，外围设备为上位机和高稳时钟；
所述FPGA控制单元从上位机接收脉冲星的辐射轮廓数据，并将其送入存储器进行存储。
当要产生任意轮廓波形时，FPGA控制单元从所述存储器调取客户所需的波形对应的脉冲星的辐射轮廓数据，采用直接数字频率合成方法，根据要求对对调取的脉冲星辐射轮廓进行频率调整，并得到频率调整后的脉冲波形的模拟信号；由于每颗脉冲星均有对应的独特波形轮廓，通过调整频率使其与真实波形轮廓一致，且能够驱动后级光源。所述幅度调节单元从FPGA控制单元接收经过频率调整的脉冲波形的模拟信号后，再按要求对其进行幅度以及幅度基准进行调节，得到客户需要的波形数据。
当要产生极窄脉冲时，所述FPGA控制单元从上位机接收极窄脉冲发送时刻以及参考脉冲，并在极窄脉冲发送时刻将参考脉冲送入极窄脉冲产生单元；所述极窄脉冲产生单元在所述极窄脉冲发送时刻，根据客户需求的脉冲宽度，基于所述参考脉冲产生满足要求的极窄脉冲。其中，参考脉冲一般指与要产生的极窄脉冲波形一致，宽度大概为100ns的脉冲波形。
如图6所示，所述极窄脉冲产生单元包括与门电路和两个比较器；将所述两个比较器分别定义为第二比较器和第三比较器；所述第二比较器的正输入端串接可调电阻R17后接所述参考脉冲；所述第三比较器的负输入端串接可调电阻R18后接所述参考脉冲；可调电阻R17与第二比较器的正输入端之间串接电容C17后接地；可调电阻R18与第三比较器的负输入端之间串接电容C18后接地；第二比较器的负输入端与第三比较器的正输入端均接正参考电压；通过两个电阻R11、R12分压，将参考电压设置为2.5V，能够满足比较器对输入信号的比较判断要求。
所述第二比较器和第三比较器的输出端分别接所述与门电路的两个对应的逻辑输入端口A1和B1；所述第一比较器与门电路的电源正端接+5V，输出端输出的信号即为满足要求宽度的极窄脉冲。
所述极窄脉冲产生单元还包括一个比较器，定义为第一比较器，接收所述参考脉冲，用于对所述参考脉冲进行整形；第一比较器的输出端分别通过可调电阻R17和R18接第二比较器的正输入端和第三比较器的负输入端。
上述极窄脉冲产生单元中的三个所述比较器采用的型号为LT1721，与门电路采用的型号为NL27W208；所述第一比较器的负输入端串接50Ω电阻R4后接地；正输入端接在电阻R5和电阻R6之间；电阻R5和电阻R6的阻值均为1kΩ，串联在+5V和地之间；所述可调电阻R17和R18的阻值调节范围为1Ω至10kΩ；所述第二比较器的正输入端串联容值为8.2pF的电容后接地；第二比较器的负输入端与第三比较器的正输入端均接在电阻R11和电阻R12之间；所述电阻R11和电阻R12的阻值均为1kΩ，串联在+5V和地之间；所述第二比较器的负输入端串联容值为0.1μF的电容后接地；第三比较器的正输入端串联容值为8.2pF的电容后接地；与门电路的其它互为与逻辑的输入端口接地；电源正端并联阻值为0.1μF和47μF的电容后接地。极窄脉冲产生单元用于产生ns级窄脉冲，输入的宽脉冲经过第一比较器整形后分为2路，分别进入两个比较器；其中，可调电阻R17与电容C17以及电阻R18和电容C18分别组成RC延时电路，对输入到比较器的输入端的信号进行延时，延时的具体数值，通过调整可调电阻接入电路的阻值进行调节。参考脉冲信号进入第二比较器后输出的是正脉冲，参考脉冲信号进入第三比较器后输出的是负脉冲；正、负脉冲再送入与门电路进行逻辑“与”的处理后，输出的脉冲的宽度即为正、负脉冲的延时差值。因此，输出脉冲的宽度可通过延时大小进行调节，因此可输出极短的脉冲。通过调节延时参数可控制输出脉冲的宽度，最短脉宽可至1ns。
如图4所示，所述FPGA控制单元包括DDS模块，用于实现直接数字频率合成方法；所述DDS模块包括相位累加器、曲线查找表以及D/A转换器；所述相位累加器根据从上位机接收的采样频率对所述调取的脉冲星辐射轮廓数据进行采样，并生成采样点地址；然后，在曲线查找表中存储的采用地址与对应的幅值中查找当前生成的采样点地址和对应的幅值，并由D/A转换器生成模拟信号。高稳时钟为相位累加器、曲线查找表以及D/A转换器功能实现的基础，这三项功能都在统一的时钟频率下进行，且由于高稳时钟的稳定性极高，经三者处理后最终输出的波形稳定性也很高。由于高稳时钟频率固定，采样点数就决定了轮廓的周期，这就是轮廓频率调整；D/A后通过运算放大电路进行幅值和幅度基准的调整。
所述存储器中包括FLASH和SRAM缓存器；所述FLASH用于预先存储脉冲星辐射轮廓数据，并将上位机发送到FPGA控制单元的实时脉冲星辐射轮廓数据存储到SRAM缓存器中；当SRAM缓存器中接收到实时脉冲星辐射轮廓数据后，FPGA控制单元从SRAM缓存器接收实时脉冲星辐射轮廓数据，提高信号处理的实时性。
如图5所示，幅度调节单元由运算放大器实现；所述运算放大器的负输入端串接电阻R44后接从FPGA控制单元输出的所述轮廓调整后的脉冲波形的模拟信号；运算放大器的负输入端和输出端之间串接可调电阻R43；运算放大器的负输入端串接电阻R42后接可调电阻R40的可调引线端；可调电阻R40的两端串接在+5V和-5V之间；输出端即输出经过轮廓幅度和幅度基准调节后的波形数据。运算放大器的型号为HA2520；其正输入端串接电阻R47和电阻R116后接地；电源负端接-12V电源；COMP端串接51pF电容后接地；BAL1和BAL2端并接后串联10kΩ电阻后接+12V电源；电源正端接+12V电源；电阻R47和电阻R116的阻值分别为45.3Ω和680Ω；可调电阻R40的阻值调节范围为1-1kΩ，可调电阻R43的阻值调节范围为1-10kΩ。
其中，通过调整可调电阻R40的接入阻值，可调整信号的幅度基准；通过调整可调电阻R43接入电路的阻值大小，可调整信号的幅值大小。
本发明的光源控制装置还包括低通滤波电路，对所述轮廓调整后的脉冲波形的模拟信号进行低通滤波滤除电路中的高频噪声信号后，输入到幅度调节单元。
经试验测量，设计的可输出任意轮廓和极窄脉冲的光源控制器能够输出任意形状的轮廓波形，波形周期稳定度高达10-12，周期精度达到10-6，可输出脉宽1ns的脉冲。同时，该控制器成本低至千元，体较小，与半张A4纸同等大小，方便调试测试，能够很好的满足脉冲星探测验证等领域灵活控制光源的需要。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，其特征在于，包括FPGA控制单元、存储器、幅度调节单元以及极窄脉冲产生单元，外围设备为上位机；
所述FPGA控制单元从上位机接收脉冲星的辐射轮廓数据，并将其送入存储器进行存储；
当要产生任意轮廓波形时，FPGA控制单元从所述存储器调取客户所需的波形对应的脉冲星的辐射轮廓数据，采用直接数字频率合成方法，根据要求对调取的脉冲星辐射轮廓进行频率调整，并得到频率调整后的脉冲波形的模拟信号；所述幅度调节单元从FPGA控制单元接收经过频率调整的脉冲波形的模拟信号后，再按要求对其进行幅度调节以及幅度基准调节，得到频率和幅度均满足需求的波形数据；
当要产生极窄脉冲时，所述FPGA控制单元从上位机接收极窄脉冲发送时刻以及参考脉冲，并在极窄脉冲发送时刻将参考脉冲送入极窄脉冲产生单元；所述极窄脉冲产生单元在所述极窄脉冲发送时刻，根据客户需求的脉冲宽度，基于所述参考脉冲产生满足要求的极窄脉冲；
所述极窄脉冲产生单元包括与门电路和两个比较器；将所述两个比较器分别定义为第二比较器和第三比较器；所述第二比较器的正输入端串接可调电阻R17后接所述参考脉冲；所述第三比较器的负输入端串接可调电阻R18后接所述参考脉冲；可调电阻R17与第二比较器的正输入端之间串接电容C17后接地；可调电阻R18与第三比较器的负输入端之间串接电容C18后接地；第二比较器的负输入端与第三比较器的正输入端均接正参考电压；
所述第二比较器和第三比较器的输出端分别接所述与门电路的两个对应的逻辑输入端口A1和B1；所述第一比较器与门电路的电源正端接+5V，输出端输出的信号即为满足要求宽度的极窄脉冲。
2.如权利要求1所述的一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，其特征在于，所述极窄脉冲产生单元还包括一个比较器，定义为第一比较器，接收所述参考脉冲，用于对所述参考脉冲进行整形；第一比较器的输出端分别通过可调电阻R17和R18接第二比较器的正输入端和第三比较器的负输入端。
3.如权利要求2所述的一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，其特征在于，三个所述比较器采用的型号为LT1721，与门电路采用的型号为NL27W208；所述第一比较器的负输入端串接50Ω电阻R4后接地；正输入端接在电阻R5和电阻R6之间；电阻R5和电阻R6的阻值均为1kΩ，串联在+5V和地之间；所述可调电阻R17和R18的阻值调节范围为1Ω至10kΩ；电容C17和C18的容值均为8.2pF；第二比较器的负输入端与第三比较器的正输入端均接在电阻R11和电阻R12之间；所述电阻R11和电阻R12的阻值均为1kΩ，串联在+5V和地之间；所述第二比较器的负输入端串联容值为0.1μF的电容后接地；与门电路的其它互为与逻辑的输入端口接地；电源正端并联阻值为0.1μF和47μF的电容后接地。
4.如权利要求1所述的一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，其特征在于，所述FPGA控制单元包括DDS模块，用于实现直接数字频率合成方法；所述DDS模块包括相位累加器、曲线查找表以及D/A转换器；所述相位累加器根据从上位机接收的采样频率对所述调取的脉冲星辐射轮廓数据进行采样，并生成采样点地址；然后，在曲线查找表中存储的采用地址与对应的幅值中查找当前生成的采样点地址和对应的幅值，并由D/A转换器生成模拟信号。
5.如权利要求1所述的一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，其特征在于，所述存储器包括FLASH和SRAM缓存器；所述FLASH用于预先存储脉冲星辐射轮廓数据，并将上位机发送到FPGA控制单元的实时脉冲星辐射轮廓数据存储到SRAM缓存器中；当SRAM缓存器中接收到实时脉冲星辐射轮廓数据后，FPGA控制单元从SRAM缓存器接收实时脉冲星辐射轮廓数据。
6.如权利要求1所述的一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，其特征在于，所述幅度调节单元由运算放大器实现；所述运算放大器的负输入端接从FPGA控制单元输出的所述轮廓调整后的脉冲波形的模拟信号；运算放大器的负输入端和输出端之间串接可调电阻R43；运算放大器的负输入端串接电阻R42后接可调电阻R40的可调引线端；可调电阻R40的两端串接在+5V和-5V之间；输出端即输出经过轮廓幅度调节和幅度基准调节后的波形数据。
7.如权利要求6所述的一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，其特征在于，运算放大器的型号为HA2520；其正输入端串接电阻R47和电阻R116后接地；负输入端与所述模拟信号之间接阻值为1kΩ的匹配电阻R44；电源负端接-12V电源；COMP端串接51pF电容后接地；BAL1和BAL2端并接后串联10kΩ电阻后接+12V电源；电源正端接+12V电源；电阻R47和电阻R116的阻值分别为45.3Ω和680Ω；可调电阻R40的阻值调节范围为1Ω-1kΩ，可调电阻R43的阻值调节范围为1Ω-10kΩ。
8.如权利要求1所述的一种可输出任意轮廓波形和极窄脉冲的光源控制装置，其特征在于，还包括低通滤波电路，对所述轮廓调整后的脉冲波形的模拟信号进行低通滤波后，输入到幅度调节单元。
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