CN206757368U - 基于fpga的可调谐f‑p滤波器驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型基于FPGA的可调谐F‑P滤波器驱动器涉及光纤光栅传感器领域，尤其涉及一种可调谐F‑P滤波器驱动器；包括模拟电源模块、FPGA信号发生模块、单片机系统模块、矩阵键盘模块、液晶显示模块、D/A转换模块、运算放大模块和数字电源模块，单片机系统模块分别连接液晶显示模块、矩阵键盘模块和FPGA信号发生模块，FPGA信号发生模块的输出端依次连接D/A转换模块和运算放大模块，数字电源模块分别为液晶显示模块、单片机系统模块和FPGA信号发生模块供电，模拟电源模块分别为D/A转换模块和运算放大模块供电，所以该驱动器结构简单，信号稳定，频率、幅值均可调，实现了一种基于FPGA的可调谐F‑P滤波器驱动器。

Description

基于FPGA的可调谐F-P滤波器驱动器

技术领域

本实用新型基于FPGA的可调谐F-P滤波器驱动器涉及光纤光栅传感器领域，尤其涉及一种可调谐F-P滤波器驱动器。

背景技术

目前，光纤光栅传感器实用化的关键在于精确检测光纤光栅反射波长的微小偏移量，即对光纤光栅波长信息进行解调。可调谐F-P滤波器法是光纤光栅传感器的信号解调方法之一，这种方法的优势在于直接得到与波长变化成一定比例的电信号，调谐范围大，并且技术比较成熟，应用比较广泛。可调谐F-P滤波器通常采用微位移驱动器调谐腔长，对于精度的高低是由标定的F-P透射波长与其驱动电压的关系所决定的。光纤布拉格光栅解调系统中，一般采用压电陶瓷作为驱动元件，由于压电陶瓷具有很好的电能-机械能转换特性，在外加电动势的作用下产生形变，通过改变加在压电陶瓷上的驱动电压，对可调谐F-P滤波器的腔长进行扫描，即满足某些特定波长的光才能透出来。通过分析透过峰与压电陶瓷驱动电压的对应关系，得到光纤光栅的波长，进而得到所测的参变量。专用可调谐F-P滤波器驱动器速度慢，价格昂贵，结构复杂、体积大、不利于嵌入到FBG波长解调系统中，对FBG波长信息进行解调，并且不能实时、精准的调整输出驱动电压的频率与幅值。本实用新型选用现场可编程门阵列FPGA作为核心原件，通过编程生成周期驱动电压，并且通过与单片机相连的矩阵键盘控制FPGA信号发生模块输出信号的频率，进而实现对输出波形频率的控制，并通过液晶显示屏实时显示波形变化，能够更加精准、灵活地实现波形的调频调幅功能；该驱动器结构简单，体积小，更加方便测量，并且价格低廉，有更高的实用价值；还可以更加方便的将该驱动器嵌入到FBG波长解调系统中，对FBG波长信息进行解调。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于FPGA的可调谐F-P滤波器驱动器，该驱动器中FPGA信号发生模块、单片机系统模块、矩阵键盘模块和液晶显示模块组成一个输出信号电压幅值和频率可调的F-P滤波器驱动器，改变频率控制字，来控制FPGA信号发生模块输出信号的频率，送到D/A转换模块转换成模拟信号，通过与运算放大器相连的电位器调整输出波形幅值，最终得到可变频调幅的信号。

本实用新型的目的是这样实现的：

基于FPGA的可调谐F-P滤波器驱动器，包括模拟电源模块、FPGA信号发生模块、单片机系统模块、矩阵键盘模块、液晶显示模块、D/A转换模块、运算放大模块和数字电源模块，单片机系统模块分别连接液晶显示模块、矩阵键盘模块和FPGA信号发生模块，FPGA信号发生模块的输出端依次连接D/A转换模块和运算放大模块，数字电源模块分别为液晶显示模块、单片机系统模块和FPGA信号发生模块供电，模拟电源模块分别为D/A转换模块和运算放大模块供电；其中：

模拟电源模块：为运算放大模块提供±12V电源，为D/A转换模块提供+5V～+12电源；

FPGA信号发生模块：用于实现累加器、相位寄存器、加法器和ROM查找表；

单片机系统模块：用于接收矩阵键盘模块的输入和控制液晶显示模块的显示；

矩阵键盘模块：矩阵式键盘采用行列式结构，按键设置在行列的交点上，口线数量为8根，将其中的4根口线定义为行线，另外4根定义为列线，形成4×4键盘，配置16个按键；定义十个按键调整频率，其中两个按键分别实现增加0.1Hz与减少0.1Hz频率，两个按键分别实现增加1Hz与减少1Hz频率，两个按键分别实现增加10Hz与减少10Hz频率，两个按键分别实现增加100Hz与减少100Hz频率，两个按键分别实现增加1kHz与减少1kHz频率；

液晶显示模块：点阵字符式的液晶显示器是根据显示容量分为1×16字，2×16字及2×20字三种形式，用来显示现场可编程门阵列FPGA输出周期驱动信号的频率和幅值；

D/A转换模块：用于完成数模转换；

运算放大模块：采用8引线双列直插式LM358放大器，将模拟电流信号转化为模拟电压信号，并放大，驱动可调谐F-P滤波器；

数字电源模块：为液晶显示模块提供5V电源，为单片机系统模块提供5V电源，为FPGA信号发生模块提供3.3V电源。

有益效果：

本实用新型基于FPGA的可调谐F-P滤波器驱动器，选用现场可编程门阵列FPGA作为核心原件，通过编程生成周期驱动电压，大大加快了实现的速度，电路中信号产生的逻辑控制功能都是FPGA信号发生模块完成，单片机系统模块、矩阵键盘模块和液晶显示模块都起到辅助功能，这样大大简化了外围硬件电路的设计并增加了系统的稳定性和可靠性，并且该驱动器通过改变频率控制字，来控制FPGA信号发生模块输出信号的频率，经过D/A转换模块换成模拟信号,通过与运算放大器相连的电位器调整输出波形幅值，最终得到可变频调幅的信号。该驱动信号输出的频率范围可达1Hz～10KHz，频率分辨率为0.1Hz；幅值范围为-20V～+20V，其分辨率为0.1V，所以该驱动器结构简单，信号稳定，频率、幅值均可调，并且更便于嵌入到解调系统中，实现了一种基于FPGA的可调谐F-P滤波器驱动器。

附图说明

图1是基于FPGA的可调谐F-P滤波器驱动器设计功能模块框图。

图2是单片机部分电路原理图。

图3是矩阵键盘电路原理图。

图4液晶显示电路原理图。

图5是D/A转换电路原理图。

图中：1模拟电源模块、2FPGA信号发生模块、3单片机系统模块、4矩阵键盘模块、5液晶显示模块、6D/A转换模块、7运算放大模块、8数字电源模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例的基于FPGA的可调谐F-P滤波器驱动器，结构示意图如图1所示，该基于FPGA的可调谐F-P滤波器驱动器包括模拟电源模块1、FPGA信号发生模块2、单片机系统模块3、矩阵键盘模块4、液晶显示模块5、D/A转换模块6、运算放大模块7和数字电源模块8，单片机系统模块3分别连接液晶显示模块5、矩阵键盘模块4和FPGA信号发生模块2，FPGA信号发生模块2的输出端依次连接D/A转换模块6和运算放大模块7，数字电源模块8分别为液晶显示模块5、单片机系统模块3和FPGA信号发生模块2供电，模拟电源模块1分别为D/A转换模块6和运算放大模块7供电；其中：

模拟电源模块1：为运算放大模块7提供±12V电源，为D/A转换模块6提供+5V～+12电源；

FPGA信号发生模块2：用于实现累加器、相位寄存器、加法器和ROM查找表；

单片机系统模块3：用于接收矩阵键盘模块的输入和控制液晶显示模块的显示，如图2所示，单片机的引脚Pin_14、Pin_15、Pin_16分别与FPGA芯片的引脚Pin_82、Pin_78、Pin_84相连接；

矩阵键盘模块4：矩阵式键盘采用行列式结构，按键设置在行列的交点上，口线数量为8根，将其中的4根口线定义为行线，另外4根定义为列线，形成4×4键盘，配置16个按键；定义十个按键调整频率，其中两个按键分别实现增加0.1Hz与减少0.1Hz频率，两个按键分别实现增加1Hz与减少1Hz频率，两个按键分别实现增加10Hz与减少10Hz频率，两个按键分别实现增加100Hz与减少100Hz频率，两个按键分别实现增加1kHz与减少1kHz频率，如图3所示，矩阵键盘的key1、key2、key3、key4、key5、key6、key7、key8引脚分别与图2中的Pin_1、Pin_2、Pin_3、Pin_4、Pin_5、Pin_6、Pin_7、Pin_8相连接；

液晶显示模块5：点阵字符式的液晶显示器是根据显示容量分为1×16字，2×16字及2×20字三种形式，用来显示现场可编程门阵列FPGA输出周期驱动信号的频率和幅值，如图4所示，液晶显示屏的Pin_3、Pin_4、Pin_5、Pin_10、Pin_11、Pin_12、Pin_13引脚分别与图2中的Pin_28、Pin_27、Pin_26、Pin_25、Pin_24、Pin_23、Pin_22相连接；

D/A转换模块6：用于完成数模转换，如图5所示，FPGA芯片的Pin_40、Pin_42、Pin_44、Pin_48、Pin_50、Pin_52、Pin_54、Pin_56引脚分别与DAC0832的Pin_7、Pin_6、Pin_5、Pin_4、Pin_16、Pin_15、Pin_14、Pin_13引脚相连接；

运算放大模块7：采用8引线双列直插式LM358放大器，将模拟电流信号转化为模拟电压信号，并放大，驱动可调谐F-P滤波器；

数字电源模块8：为液晶显示模块5提供5V电源，为单片机系统模块3提供5V电源，为FPGA信号发生模块2提供3.3V电源。

工作原理：FPGA信号发生模块2内部实现累加器、相位寄存器、加法器、和ROM查找表，通过外设晶振提供时钟源，在FPGA信号发生模块2内部进行分频和倍频，频率控制字是通过单片机系统模块3来产生控制信号，进而改变FPGA信号发生模块2的输出频率，通过运算放大模块7连接的电位器来改变输出幅值。周期驱动信号产生的原理是利用采样定理，通过查表法产生波形，根据D/A转换模块6转换位数确定周期采样点数，并将采样值放入ROM查找表中，每一个采样点对应一个数据地址。周期驱动信号的核心是相位累加器，相位累加器由一个累加器和一个N位相位寄存器组成，每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长K增加，并读取对应数据地址的采样值，在时钟的作用下，相位累加器对频率控制字进行线性累加，当相位累加器累积满量时，就会产生一次溢出，累加器的溢出频率就是周期驱动信号输出的信号频率，当取不同的频率控制字时，将导致相位累加器的不同相位增量，这样FPGA信号发生模块输出信号的频率就不同，输出信号被送到数模转换器DAC中，转变成频率可调的模拟信号，通过与运算放大器相连的电位器调整输出波形幅值，最终得到可变频调幅的信号。

Claims (1)

1.基于FPGA的可调谐F-P滤波器驱动器，其特征在于，包括模拟电源模块(1)、FPGA信号发生模块(2)、单片机系统模块(3)、矩阵键盘模块(4)、液晶显示模块(5)、D/A转换模块(6)、运算放大模块(7)和数字电源模块(8)，单片机系统模块(3)分别连接液晶显示模块(5)、矩阵键盘模块(4)和FPGA信号发生模块(2)，FPGA信号发生模块(2)的输出端依次连接D/A转换模块(6)和运算放大模块(7)，数字电源模块(8)分别为液晶显示模块(5)、单片机系统模块(3)和FPGA信号发生模块(2)供电，模拟电源模块(1)分别为D/A转换模块(6)和运算放大模块(7)供电；其中：

模拟电源模块(1)：为运算放大模块(7)提供±12V电源，为D/A转换模块(6)提供+5V～+12电源；

FPGA信号发生模块(2)：用于实现累加器、相位寄存器、加法器和ROM查找表；

单片机系统模块(3)：用于接收矩阵键盘模块的输入和控制液晶显示模块的显示；

矩阵键盘模块(4)：矩阵式键盘采用行列式结构，按键设置在行列的交点上，口线数量为8根，将其中的4根口线定义为行线，另外4根定义为列线，形成4×4键盘，配置16个按键；定义十个按键调整频率，其中两个按键分别实现增加0.1Hz与减少0.1Hz频率，两个按键分别实现增加1Hz与减少1Hz频率，两个按键分别实现增加10Hz与减少10Hz频率，两个按键分别实现增加100Hz与减少100Hz频率，两个按键分别实现增加1kHz与减少1kHz频率；

液晶显示模块(5)：点阵字符式的液晶显示器是根据显示容量分为1×16字，2×16字及2×20字三种形式，用来显示现场可编程门阵列FPGA输出波形的频率和幅值；

D/A转换模块(6)：用于完成数模转换；

运算放大模块(7)：采用8引线双列直插式LM358放大器，将模拟电流信号转化为模拟电压信号，并放大，驱动可调谐F-P滤波器；

数字电源模块(8)：为液晶显示模块(5)提供5V电源，为单片机系统模块(3)提供5V电源，为FPGA信号发生模块(2)提供3.3V电源。