CN107247348B - 一种相位同步的声光调制器驱动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位同步的声光调制器驱动装置及方法，包括：信号源输出时钟同步的高频信号和低频信号，利用源自低频信号的矩形波实现高频信号的斩波，并将斩波后的信号用于驱动声光调制器。利用信号源、波形整形单元、可编程数字延迟器、电子开关、模数转换器和处理器，实现高频信号斩波前后波形的同相检测，并根据检测结果调整用于斩波的矩形波信号延迟时间，形成一个实现相位同步的闭环控制系统。将斩波前的高频信号送入解调装置作为正交混频的本振信号，实现了声光调制器驱动信号与解调装置中正交混频本振信号的相位同步，提高了解调精度。

Description

一种相位同步的声光调制器驱动装置及方法

技术领域

本发明涉及声光调制器驱动技术领域，特别涉及一种相位同步的声光调制器驱动装置及方法。

背景技术

声光调制器广泛应用于相干型相位敏感光时域反射技术领域。该技术依靠声光调制器对光信号进行频率调制，调频后的光信号分为本振光和探测光。在信号解调过程中，首先将本振光和返回的探测光相干，然后对相干后的信号与声光调制器的驱动信号进行下变频正交混频，最终得到被测信号。

在相干型相位敏感光时域反射技术领域，声光调制器的驱动需要采用正弦波信号与脉冲信号叠加的形式。当脉冲信号为高电平时，声光调制器被正弦波信号驱动；当脉冲信号为低电平时，声光调制器不存在驱动信号。

在现有声光调制器驱动技术中，正弦波信号和脉冲信号通常采用不同的时钟源，每个脉冲最终获取的正弦波信号的初相位是随机的，导致解调过程引入了不确定的干扰项，影响了解调精度。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种相位同步的声光调制器驱动装置及方法，实现了声光调制器驱动信号与解调装置中正交混频本振信号的相位同步，提高了解调精度。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种相位同步的声光调制器驱动装置，包括：处理器、信号源、波形整形单元、可编程数字延迟器、电子开关、模数转换器和放大模块；

所述处理器与信号源连接，所述信号源、波形整形单元、可编程数字延迟器和模数转换器依次串联连接，所述处理器与可编程数字延迟器和模数转换器分别连接；

所述电子开关的输入端与信号源和可编程数字延迟器分别连接，所述电子开关的输出端与模数转换器和放大模块分别连接。

进一步地，所述信号源输出两路正弦信号，第一路是高频信号，作为声光调制器驱动信号的源信号，连接到电子开关和模数转换器；第二路是低频信号，作为电子开关的控制源信号，连接到波形整形单元。

进一步地，所述可编程数字延迟器接收到波形整形单元输出的方波信号的边沿，延迟设定时间后，输出一个矩形波信号分别给电子开关和模数转换器。

进一步地，电子开关接收到的开关控制信号为低电平时，开关断开，不输出信号；接收到的开关控制信号为高电平时，开关闭合，将信号源的第一路高频信号输出到模数转换器和放大模块。

进一步地，所述处理器包括：

信号源驱动单元：用于设置信号源两路信号的频率和相位；

延迟驱动单元：用于设置可编程数字延迟器的延迟时间和矩形波信号高电平宽度；

同相检测单元：用于判断来自模数转换器的两路路数字信号相位是否同步。

进一步地，所述信号源包括：第一直接数字频率合成器、第二直接数字频率合成器和高稳定性晶振；

第一直接数字频率合成器和第二直接数字频率合成器连接同一个高稳定性晶振，保证时钟同步；第一直接数字频率合成器的输出作为信号源的第一路高频信号，第二直接数字频率合成器的输出作为信号源的第二路低频信号。

进一步地，所述放大模块包括：依次连接的初级放大器和次级放大器；初级放大器对输入的信号进行幅度放大；次级放大器对初级放大器输出的信号进行功率放大，并输出给声光调制器。

一种相位同步的声光调制器驱动方法，包括以下步骤：

步骤1：信号源输出两路时钟同步的正弦信号，第一路是高频信号，第二路是低频信号；

步骤2：将第二路低频正弦信号转换为方波信号；

步骤3：将方波信号转换为矩形波信号，并且设定延迟时间和高电平宽度；

步骤4：对第一路高频信号在矩形波信号的作用下实现斩波；

步骤5：对第一路高频信号斩波前和斩波后的信号进行同相检测，如果相位不同步，调整矩形波信号的延迟时间，直到相位同步；

步骤6：对斩波后的信号进行幅度和功率放大，得到声光调制器的驱动信号。

进一步地，所述步骤4中，斩波后的信号为：

其中，V_chop表示斩波后的信号；

表示第一路高频信号实现斩波过程中产生的相位延迟；

表示初始相位；Δt表示延迟时间，且

f₁表示高频信号频率；τ表示矩形波高电平时间；T表示方波周期；A₁表示幅度。

进一步地，所述步骤6中，得到的声光调制器的驱动信号为：

其中，κ表示幅度放大倍数，

表示延迟时间改变引起的相位变化，用于保证第一路高频信号斩波前后的相位同步。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用的信号源输出时钟同步的高频信号和低频信号，利用源自低频信号的矩形波实现高频信号的斩波，并将斩波后的信号用于驱动声光调制器。将斩波前的高频信号送入解调装置作为正交混频的本振信号，实现了声光调制器驱动信号与解调装置中正交混频本振信号的相位同步，提高了解调精度。

(2)本发明利用信号源、波形整形单元、可编程数字延迟器、电子开关、模数转换器和处理器，实现高频信号斩波前后波形的同相检测，并根据检测结果调整用于斩波的矩形波信号延迟时间，形成一个实现相位同步的闭环控制系统，可以消除高频信号斩波过程中由于器件不稳定造成的相位抖动，提高了相位同步精度和稳定性。将斩波前的高频信号送入解调装置作为正交混频的本振信号，实现了声光调制器驱动信号与解调装置中正交混频本振信号的动态相位同步，能够进一步提高解调精度。

附图说明

图1是本发明相位同步的声光调制器驱动装置结构示意图。

图2是信号源第二路低频正弦信号；

图3是波形整形单元输出的方波信号；

图4是可编程数字延迟器输出的矩形波信号。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明公开了一种相位同步的声光调制器驱动装置，如图1所示，包括：处理器、信号源、波形整形单元、可编程数字延迟器、电子开关、模数转换器和放大模块；

处理器与信号源连接，信号源、波形整形单元、可编程数字延迟器和模数转换器依次串联连接，所述处理器与可编程数字延迟器和模数转换器分别连接；

电子开关的输入端与信号源和可编程数字延迟器分别连接，电子开关的输出端与模数转换器和放大模块分别连接。

信号源输出时钟同步的高频信号和低频信号，利用源自低频信号的矩形波实现高频信号的斩波，并将斩波后的信号用于驱动声光调制器；

实现处理器对高频信号斩波前后波形进行同相检测，并根据检测结果调整用于斩波的矩形波信号延迟时间，形成一个实现相位同步的闭环控制系统。

信号源输出两路正弦信号，第一路是80MHz正弦波信号，作为声光调制器驱动信号的源信号，连接到电子开关和模数转换器；第二路是1kHz正弦波信号，作为电子开关的控制源信号，连接到波形整形单元，波形如图2所示。

信号源由第一直接数字频率合成器、第二直接数字频率合成器和高稳定性晶振组成。第一直接数字频率合成器和第二直接数字频率合成器连接同一个高稳定性晶振，保证时钟同步。第一直接数字频率合成器的输出作为信号源的第一路高频信号，第二直接数字频率合成器的输出作为信号源的第二路低频信号。

波形整形单元将输入的正弦信号转换为方波信号，输出到可编程数字延迟器，波形如图3所示。

可编程数字延迟器接收到方波信号的边沿后，延迟一段时间Δt，输出一个高电平宽度为τ的矩形波信号给电子开关和模数转换器。输出给电子开关的矩形波信号作为电子开关的开关控制信号，输出给模数转换器的矩形波信号作为触发信号，波形如图4所示。

电子开关接收到的开关控制信号为低电平时，开关断开，不输出信号；接收到的开关控制信号为高电平时，开关闭合，将信号源的第一路高频信号输出到模数转换器和放大模块。

模数转换器在触发信号为高电平时，采集来自电子开关和信号源的模拟信号，并将转换后的数字信号传输给处理器。

处理器连接信号源，设置信号源两路输出信号的相位和频率。处理器包括：

信号源驱动单元、延迟驱动单元和同相检测单元3个功能模块。信号源驱动单元设置信号源两路信号的频率和相位；延迟驱动单元设置可编程数字延迟器的延迟时间Δt和矩形波信号高电平宽度τ；同相检测单元判断来自模数转换器的两路路数字信号相位是否同步。

放大模块对输入的高频正弦波信号进行幅度放大和功率放大，输出给声光调制器作为驱动信号。

放大模块包括依次连接的初级放大器和次级放大器。初级放大器对输入的信号进行幅度放大；次级放大器对初级放大器输出的信号进行功率放大，并输出给声光调制器。

基于上述装置，采用以下方法实现相位同步的声光调制器驱动：

步骤1：信号源输出两路时钟同步的正弦信号。

第一路是80MHz正弦波信号，可以表示为：

其中，V₁表示第一路高频信号，A₁表示幅度，f₁＝80MHz表示频率，t表示时间，

表示相位。

第二路是1kHz正弦波信号，如图2所示，可以表示为：

其中，V₂表示第二路低频信号，A₂表示幅度，f₂＝1kHz表示频率，

表示相位。

步骤2：第二路低频正弦信号转换为方波信号，如图3所示，得到：

其中，V_square表示方波信号，T表示方波周期，且

步骤3，方波信号转换为矩形波信号，并且延迟一定时间，如图4所示，得到：

其中，V_pulse表示矩形波信号，Δt表示延迟时间，且

τ＝50ns表示矩形波高电平时间。

步骤4，第一路高频信号在矩形波信号的作用下实现斩波，斩波后的信号为：

其中，V_chop表示斩波后的信号，

表示第一路高频信号实现斩波过程中产生的相位延迟。

步骤5，对第一路高频信号斩波前和斩波后的信号进行同相检测，如果相位不同步，调整矩形波信号的延迟时间Δt，直到相位同步，此时Δt＝5ns。

步骤6：对斩波后的信号进行幅度和功率放大，得到声光调制器的驱动信号：

其中，V_drive表示声光调制器的驱动信号，κ表示幅度放大倍数，

表示延迟时间改变引起的相位变化，用于保证第一路高频信号斩波前后的相位同步。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种相位同步的声光调制器驱动装置，其特征是，包括：处理器、信号源、波形整形单元、可编程数字延迟器、电子开关、模数转换器和放大模块；

所述处理器与信号源连接，所述信号源、波形整形单元、可编程数字延迟器和模数转换器依次串联连接，所述处理器与可编程数字延迟器和模数转换器分别连接；

所述电子开关的输入端与信号源和可编程数字延迟器分别连接，所述电子开关的输出端与模数转换器和放大模块分别连接；

所述处理器包括：

信号源驱动单元：用于设置信号源两路信号的频率和相位；

延迟驱动单元：用于设置可编程数字延迟器的延迟时间和矩形波信号高电平宽度；

同相检测单元：用于判断来自模数转换器的两路路数字信号相位是否同步；

所述信号源包括：第一直接数字频率合成器、第二直接数字频率合成器和高稳定性晶振；

第一直接数字频率合成器和第二直接数字频率合成器连接同一个高稳定性晶振，保证时钟同步；第一直接数字频率合成器的输出作为信号源的第一路高频信号，第二直接数字频率合成器的输出作为信号源的第二路低频信号；

所述波形整形单元将输入的正弦信号转换为方波信号，输出到可编程数字延迟器；

所述可编程数字延迟器接收到波形整形单元输出的方波信号的边沿，延迟设定时间后，输出一个矩形波信号分别给电子开关和模数转换器；

所述模数转换器在触发信号为高电平时，采集来自电子开关和信号源的模拟信号，并将转换后的数字信号传输给处理器；

所述放大模块包括：依次连接的初级放大器和次级放大器；初级放大器对输入的信号进行幅度放大；次级放大器对初级放大器输出的信号进行功率放大，并输出给声光调制器。

2.如权利要求1所述的一种相位同步的声光调制器驱动装置，其特征是，所述信号源输出两路正弦信号，第一路是高频信号，作为声光调制器驱动信号的源信号，分别连接到电子开关和模数转换器；第二路是低频信号，作为电子开关的控制源信号，连接到波形整形单元。

3.如权利要求1所述的一种相位同步的声光调制器驱动装置，其特征是，电子开关接收到的开关控制信号为低电平时，开关断开，不输出信号；接收到的开关控制信号为高电平时，开关闭合，将信号源的第一路高频信号输出到模数转换器和放大模块。

4.一种相位同步的声光调制器驱动方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：信号源输出两路时钟同步的正弦信号，第一路是高频信号，第二路是低频信号；

步骤2：将第二路低频正弦信号转换为方波信号；

步骤3：将方波信号转换为矩形波信号，并且设定延迟时间和高电平宽度；

步骤4：对第一路高频信号在矩形波信号的作用下实现斩波；

步骤5：对第一路高频信号斩波前和斩波后的信号进行同相检测，如果相位不同步，调整矩形波信号的延迟时间，直到相位同步；

步骤6：对斩波后的信号进行幅度和功率放大，得到声光调制器的驱动信号。

5.如权利要求4所述的一种相位同步的声光调制器驱动方法，其特征是，所述步骤4中，斩波后的信号为：

其中，V_chop表示斩波后的信号；

表示第一路高频信号实现斩波过程中产生的相位延迟；

表示初始相位；Δt表示延迟时间，且

f₁表示高频信号频率；τ表示矩形波高电平时间；T表示方波周期；A₁表示幅度。

6.如权利要求4所述的一种相位同步的声光调制器驱动方法，其特征是，所述步骤6中，得到的声光调制器的驱动信号为：

其中，κ表示幅度放大倍数，

表示延迟时间改变引起的相位变化，用于保证第一路高频信号斩波前后的相位同步，

表示第一路高频信号实现斩波过程中产生的相位延迟；

表示初始相位；Δt表示延迟时间，且

f₁表示高频信号频率；τ表示矩形波高电平时间；T表示方波周期；A₁表示幅度。

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