CN107706737B

CN107706737B - 一种用于半导体激光器的频率精密可调式脉冲发生电路

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Publication number: CN107706737B
Application number: CN201710840898.7A
Authority: CN
Inventors: 陈少强; 冉旭; 田赟鹏; 李鹏涛
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2019-06-14
Anticipated expiration: 2037-09-18
Also published as: CN107706737A

Abstract

本发明公开了一种用于半导体激光器的频率精密可调式脉冲发生电路，它包括微控制器、DDS模块及雪崩晶体管脉冲产生电路，所述微控制器连接DDS模块，DDS模块连接雪崩晶体管脉冲产生电路，DDS模块作为触发信号、雪崩晶体管脉冲产生电路接收触发信号从而激发电容产生脉冲信号。本发明利用微控制器通过Keil软件和STC‑ISP软件对DDS模块中的AD9851芯片写入不同频率控制字从而产生不同的频率作为触发信号提供给后级雪崩晶体管脉冲产生电路，从而得到不同的频率的脉冲信号。频率可调范围为0‑60MHz，且脉冲宽度也能通过改变供电电压来调节，可以方便的应用于半导体激光器的驱动。

Description

一种用于半导体激光器的频率精密可调式脉冲发生电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于半导体激光器的频率精密可调式脉冲发生电路。

背景技术

在现代科技中，半导体激光器已经发展的日趋成熟，而在这其中半导体激光器主要以脉冲式激光器为主，它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用不同频率直接进行电流调制以获得不同频率调制的激光脉冲输出。它在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面已经获得了广泛的应用。因此研究出连续可调频率的脉冲发生电路具有很重要的意义。

目前常用的频率可调方法主要包括:直接数字合成、模拟电路调节。

采用模拟电路调节频率输出电路简单，成本低廉。但是如果你想得到一个精准的精确到Hz单位的频率时，模拟调节变得很难实现。而随着直接数字频率合成技术（DDS）的发展和应用，这一问题得到了有效解决。它具有频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等优点。用DDS合成的频率源是目前很高级的技术，把这项技术应用到脉冲发生电路有比较重要的理论意义和现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术应用的缺失而提供的一种用于半导体激光器的频率精密可调式脉冲发生电路，以尽可能的快速和精确有效的调节半导体激光器所需的触发信号的频率。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种用于半导体激光器的频率精密可调式脉冲发生电路，特点是该电路包括微控制器、DDS模块及雪崩晶体管脉冲产生电路，所述微控制器连接DDS模块，DDS模块连接雪崩晶体管脉冲产生电路，其中：

所述DDS模块包括：AD9851芯片、AD9851芯片引脚VINP、IOUT连接的低通滤波网络电路、AD9851芯片引脚CLK连接的有源晶振U2及AD9851芯片引脚VINN连接的比较器正向输入电路，所述AD9851芯片引脚D0、D1分别接电阻R1、电阻R2后并联由电容C6、电容C7并联接地形成的滤波电路后连接电源VCC；AD9851芯片引脚RSET接电阻R3后接地；AD9851芯片引脚QOUT接电容C4后接Vout1端口；AD9851芯片引脚DACBP连接电容C5后接地；

所述雪崩晶体管脉冲产生电路包括：电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电阻R12、电阻R13、电阻R14及雪崩晶体管Q1，电容C15一端与触发信号连接，另一端与电阻R12、雪崩晶体管Q1基极连接，电阻R12另一端接地；雪崩晶体管Q1集电极连接电阻R13、电容C18，雪崩晶体管Q1发射极接地；电阻R13另一端接电源VCC2同时并联电容C16及电容C17；电容C18另一端接负载电阻R14同时接输出Vout2端口；电阻R14另一端接地；

其中：

所述低通滤波网络电路具体为：电阻R9、电阻R10与电容C8、电容C9、电容C10串联后并联电容C11、电容C12、电容C13、电容C14，然后电容C8、电容C9、电容C10分别并联电感L1、电感L2、电感L3，通过电阻R11接入AD9851芯片引脚VINP端；电阻R9的一端接AD9851芯片引脚IOUT；

所述比较器正向输入电路具体为：变阻器R7的两个固定端与串联电阻R5和电阻R6共享电源VCC和地形成并联回路，变阻器R7的可移动端与电阻R5、电阻R6的接触端相连并连接到AD9851芯片引脚VINN；电阻R4与该并联回路串联，一端连接电源VCC，一端连接AD9851芯片引脚VINN；所述变阻器R7为可调电阻，用于调节AD9851芯片输出方波信号的占空比。

所述有源晶振U2选用具有六倍频的30M晶振，有源晶振U2的电源VCC1端并联一个由电容C1、电容C2、电容C3并联接地所形成的滤波电路后接到电源VCC；电阻R8和发光二极管LED1串联接地后接入电源VCC组成电源指示，用于观察电路工作状况。

所述DDS模块电源电压VCC值为5V。

所述雪崩晶体管脉冲产生电路电源VCC2电压值为15V-25V，调节脉冲输出幅度同时也调节脉宽。

本发明的有益效果：

本发明充分利用了DDS（直接数字频率合成技术）来方便控制雪崩晶体管脉冲发生电路所需触发信号的频率，从而获得半导体激光器所需频率的脉冲。理论上频率可调范围为0-60MHz。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明DDS模块电路图；

图3为本发明雪崩晶体管脉冲发生电路原理图；

图4为DDS模块AD9851芯片功能流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明采用微控制器、DDS模块和雪崩晶体管脉冲发生电路实现频率连续精密可调，适合于半导体激光器的驱动应用。

实施例

参阅图1，为本发明结构框图，微控制器控制DDS模块产生一个预设频率的方波作为雪崩晶体管脉冲发生电路的触发信号，最后由雪崩晶体管脉冲发生电路产生与预设频率相同频率的脉冲信号。

以下分别对本实施例的各个组成部分进行详细说明。

微控制器

本实施例中，微控制器包括现有的AT89C52单片机模块、keil程序编译软件、STC-ISP程序烧录软件及频率控制程序。程序设计好所需频率后用keil编译生成hex文件后用STC-ISP烧录进AT89C52单片机模块。另本实施例采用串口通信模式。

DDS模块

参阅图2，为DDS模块的电路原理图，该电路包括：AD9851芯片、有源晶振U2的供电输入端VCC1经电容C1、C2、C3组成滤波网络后接到电源VCC，有源晶振U2输出脚接AD9851芯片CLK脚作为电路的外部参考时钟，脚D0、D1分别接电阻R1、R2后并联由C6、C7并联接地组成的滤波电路接到电源VCC用于组成上拉电阻使芯片进入串口输入模式。附图4为芯片AD9851的功能流程图，当微控制器发出的对频率控制字和相位控制字的指令到AD9851后，每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M通过相位累加器循环递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC以输出模式量。相位寄存器每过2^N/M个外部参考时钟后返回到初始状态一次，相位地址正弦查询表每一个循环也回到初始位置，从而使整个DDS模块输出一个正弦波从IOUT端输出。输出的正弦波周期To=Tc*2^N/M，频率fout=M*fc/2^NTcfc分别为外部参考时钟的周期和频率。AD9851采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC，DAC再输出两个互补的电流。DAC满量程输出电流通过一个外接电阻RSET（即电阻R3）调节，调节关系为ISET=32(1.148V/RSET)，R3取值一般为3.9KΩ。上述所产生的正弦波从IOUT端输出经由电阻R9、R10与电容C8、C9、C10串联后再并联4个电容C11、电容C12、C13、C14，然后电容C8、C9、C10分别并联一个电感L1、L2、L3所组成一个低通滤波网络（即图4中的LPF）通过R11接入到VINP端，再经内部比较器输出方波到 QOUT，QOUT经电容C4接到Vout1口连接到下一级雪崩晶体管脉冲产生电路，触发电路电压输出为3-4V，频率可调范围为0-60MHz。另外电阻R4、R5、R6、R7组成用于内部比较器正向输入电路，电阻 R7为可变阻器用于调节芯片输出方波信号的占空比。最后电阻R8和LED1组成电源工作指示电路，方便观察电路的工作状况。

为了更详细的理解整个电路，附AD9851每个管脚的功能表：

D0～D7：8 位数据输入口，可给内部寄存器装入 40 位控制数据。

PGND：6 倍参考时钟倍乘器地。

PVCC：6 倍参考时钟倍乘器电源。

WCLK：字装入信号，上升沿有效。

FQUD：频率更新控制信号，时钟上升沿确认输入数据有效。

CLK：外部参考时钟输入。

AGND：模拟地。

AVDD：模拟电源(+5Ｖ)。

DGND：数字地。

DVDD：数字电源(+5Ｖ)。

RSET、DAC：外部复位连接端。

VOUTN：内部比较器负向输出端。

VOUTP：内部比较器正向输出端。

VINN：内部比较器的负向输入端。

VINP：内部比较器的正向输入端。

DACBP：DAC 旁路连接端。

IOUTB： “互补”DAC 输出。

IOUT：内部 DAC 输出端。

RESET：复位端。低电平清除 DDS累加器和相位延迟器为 0Hz 和 0 相位，同时置数据输入为串行模式以及禁止 6 倍参考时钟倍乘器工作。

所述DDS模块供电电压为5V。

所述DDS模块中电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6取值为0.1uf，电容C7取值为0.01uf,电容C8取值为1pf，电容C9取值为5.6pf，电容C10取值为4.7pf，电容C11取值为22pf，电容C12取值为33pf，电容C13取值为22pf，电容C14 取值为22pf。

所述DDS模块电阻R1、R2阻值为10KΩ，电阻R3阻值为3.9KΩ，电阻R4阻值为105KΩ，电阻R5阻值为10KΩ，电阻R6阻值为1KΩ，电阻R8阻值为1KΩ，电阻R9取值为200Ω，电阻R10取值为200Ω，电阻R11取值为1KΩ电感L1值为470mH，电感L2值为390mH，电感L3值为390mH。

所述DDS模块变阻器R7取值范围为0-100KΩ。

雪崩晶体管脉冲产生电路

该电路包括：耦合电容C15、雪崩晶体管Q1、电阻R12、电阻R13、负载电阻R14及充放电电容C18，还有滤波电容C16和电容C17。所述耦合电容C15一端连接触发信号，另一端连接雪崩晶体管基极。第一偏置电阻R12一端接晶体管基极另一端接地成晶体管的静态偏置。晶体管发射极接地，集电极经过第二偏置电阻R13和滤波电容C16、C17接到电源VCC2，并经过第二耦合充放电电容C18接负载电阻R14一端和信号输出端Vout2，负载电阻R14另一端接地。

所述雪崩晶体管脉冲发生电路电容C15值为10pf-50pf，电容C16值为1uf，电容C17值为10uf，储能电容C18值为5pf-51pf，电阻R12值为50Ω-100Ω，集电极电阻R13值为1KΩ-10KΩ，负载电阻R14值为50Ω。

所述雪崩晶体管脉冲发生电路供电电压VCC2值为15V-25V,调节脉冲输出幅度同时也可以调节脉宽。

本实施例的工作过程如下：

步骤一、首先把微控制器与电脑连接，再根据程序设定把DDS模块和微控制器AT89C52单片机模块连线，具体连线为P17----D7,P20----RESET,P21----FQUD,P22----WCLK,VCC----VCC,GND----GND，再把DDS模块输出口Vout1与雪崩晶体管脉冲发生电路的信号输入口Vin连接，最后把脉冲发生电路的输出口Vout2接入到示波器即可；

步骤二、用keil软件打开程序文件，在程序中修改所需频率值，单位为Hz，然后编译文件生成新的hex文件后，用烧录软件STC-ISP烧录程序到AT89C52单片机模块后就可在示波器上观察到与设定频率相同的周期性脉冲信号，可调范围为0-60MHz；

步骤三、然后调节雪崩晶体管脉冲发生电路的电源电压VCC2就可以改变脉冲信号的幅度和脉宽，电源电压可调范围为15-25V，随之输出脉冲信号幅度范围为5-12V；

步骤四、多次更换频率值重复上述操作观察示波器显示。

实际测试表明，本实施例产生的频率精密可调脉冲信号，频率可调范围在0-60MHz。脉冲波形稳定，抖动很小，且频率稳定精确。因此非常适合半导体激光器的脉冲驱动应用。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。根据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

此外，上述对各个元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

（1）本实施例中，微控制器控制类型具有很多如：FPGA，STAM32及其他类型微控制器，同样市面上也有很多同样功能的控制程序软件；

（2）微控制器与DDS模块之间也可以使用并口模式，具体由所写程序决定。

综上所述，本发明主要通过采样时钟信号的控制下，通过由频率字控制的相位累加器输出相位字，将存储于只读存储器的波形量化采样数据值按一定的规律读出，经D/A转换和低通滤波后输出正弦信号，再经高速比较器产生方波信号作为下一级雪崩晶体管脉冲发生电路触发信号，雪崩晶体管在触发信号作用下迅速导通，产生了雪崩击穿效应，通过第二充放电电容C18放电雪崩晶体管在集电极产生了幅度很大的负脉冲信号后输出到半导体激光器然后满足于半导体激光器的脉冲驱动需求。

上述实施例仅是本发明的一个优选方案，并非用以限制本发明的实质技术内容范围。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，凡在权利要求书所限定的本发明的精神和原则内，对本发明做出修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于半导体激光器的频率精密可调式脉冲发生电路，其特征在于，该电路包括微控制器、DDS模块及雪崩晶体管脉冲产生电路，所述微控制器连接DDS模块，DDS模块连接雪崩晶体管脉冲产生电路，其中：

所述DDS模块包括：AD9851芯片、AD9851芯片引脚VINP、IOUT连接的低通滤波网络电路、AD9851芯片引脚CLK连接的有源晶振U2及AD9851芯片引脚VINN连接的比较器正向输入电路，所述AD9851芯片引脚D0、D1分别接电阻R1、电阻R2后并联由电容C6、电容C7并联接地形成的滤波电路后连接电源VCC；AD9851芯片引脚RSET接电阻R3后接地；AD9851芯片引脚QOUT接电容C4后接Vout1端口；AD9851芯片引脚 DACBP连接电容C5后接地；

其中：

2.根据权利要求1所述的频率精密可调式脉冲发生电路，其特征在于：所述有源晶振U2选用具有六倍频的30M晶振，有源晶振U2的电源VCC1端并联一个由电容C1、电容C2、电容C3并联接地所形成的滤波电路后接到电源VCC；电阻R8和发光二极管LED1串联接地后接入电源VCC组成电源指示，用于观察电路工作状况。

3.根据权利要求1所述的频率精密可调式脉冲发生电路，其特征在于：所述DDS模块电源VCC电压值为5V。

4.根据权利要求1所述的频率精密可调式脉冲发生电路，其特征在于：所述雪崩晶体管脉冲产生电路电源VCC2电压值为15V-25V，调节脉冲输出幅度同时也调节脉宽。