CN209929679U - 脉冲激光器的窄脉冲驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及脉冲激光器的窄脉冲驱动系统，微控制单元数字输出端口与数模转换器数字输入端口相连，时钟输出端口接D触发器时钟输入端口，D触发器清零端连接电容一和可调电阻一，输出端连接可调电阻一、模拟开关的使能端，数模转换器模拟输出端连接运算放大器正输入端，运算放大器输出端连接模拟开关模拟输入端，模拟开关输出端接入模拟缓冲器输入端，模拟缓冲器输出端连接MOS管栅极，源极连接采样电阻二，漏极连接激光二极管负极，激光二极管正极连接电源，采样电阻二信号接入平滑滤波器输入端，平滑滤波器输出端连接模数转换器模拟输入端口，模数转换器数字输出端口接入微控制单元数字输入端口。调节简便，驱动产生的激光脉冲稳定性好。

Description

脉冲激光器的窄脉冲驱动系统

技术领域

本实用新型涉及一种脉冲激光器的窄脉冲驱动系统。

背景技术

目前利用半导体激光器激光脉冲在光通信、测距以及医学中都有广泛的应用，而且激光脉冲的上升时间与测量精度有很大关系，脉冲越窄，信噪比也越高。但激光脉冲的质量主要取决驱动电源的性能，传统的驱动电路主要采用雪崩管和阻容元件实现窄脉冲，或者采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS管)和阻容元件在开关器件的作用下进行充放电获得窄脉冲，但两者的缺点是由于电路板寄生参数的影响，窄脉冲不容易得到，调试过程复杂，而且脉冲幅度很难控制。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种调试简单、易于实现的脉冲激光器的窄脉冲驱动系统，窄脉冲宽度和幅度可控。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

脉冲激光器的窄脉冲驱动系统，特点是：包含运算放大器一、D触发器、MOS管、模拟开关以及模拟缓冲器BUF，微控制单元MCU的数字输出端口与数模转换器D/A的数字输入端口相连，微控制单元MCU的时钟输出端口连接D触发器的时钟输入端口，D触发器的清零端连接电容一和可调电阻一，D触发器的输出端连接可调电阻一、接入模拟开关的使能端，数模转换器D/A的模拟输出端连接运算放大器一的正输入端，运算放大器一的输出端连接模拟开关的模拟输入端，模拟开关的输出端接入模拟缓冲器BUF的输入端，模拟缓冲器BUF的输出端连接MOS管的栅极，MOS管的源极连接采样电阻二，MOS管的漏极连接激光二极管LD的负极，激光二极管LD的正极连接电源，采样电阻二信号接入平滑滤波器的输入端，平滑滤波器的输出端连接模数转换器A/D的模拟输入端口，模数转换器A/D的数字输出端口接入微控制单元MCU的数字输入端口。

进一步地，上述的脉冲激光器的窄脉冲驱动系统，其中，所述平滑滤波器包含运算放大器二、运算放大器三、电容二、电容三以及电容四，电容二连接运算放大器二正相输入端，运算放大器二的负相输入端连接电阻三和反馈电阻四一端，电阻四另一端连接运算放大器二的输出端，构成比例运算放大电路，运算放大器二采样电阻二的脉冲进行放大；运算放大器二的输出端连接滤波电容三、连接运算放大器三的正相输入端，运算放大器三的负相输入端接电阻五和反馈电阻六的一端，反馈电阻六的另一端连接运算放大器的输出端，构成比例运算放大电路，运算放大器三将滤波后的直流电压进行放大，放大后的信号端连接电容四一端，经过电容四的信号连接至模数转换器A/D输入端进行采集转换。

进一步地，上述的脉冲激光器的窄脉冲驱动系统，其中，所述D触发器为边沿型D触发器。

本实用新型与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①对最终输出的激光脉冲幅度和脉冲宽度都可兼顾，若要改变激光输出功率只需要数模转换器D/A输出即可，若有改变激光脉冲宽度，只需要调节可调电阻一即可，而且调节简便，在高频重复触发下，脉冲稳定性好，同时可有效测出激光器工作时的电流大小，另外可有效降低驱动管的耗散功率；

②对外部触发信号进行压缩窄化处理，而现有技术中通常采用单稳态多谐振荡器外加电阻和电容进行调节脉冲宽度，或者采用复杂可编程逻辑器件和驱动芯片来实现，但窄化过后的脉冲至少也有10nS以上，本实用新型采用高速边沿型D触发器和阻容元件来实现，所产生的窄脉冲可达到5nS甚至更低，并且脉宽可调；

③实现输出脉冲幅度可以设定调节；而现有技术驱动设计中，当电阻电容参数确定好之后，输出脉冲幅度也随之确定，本实用新型中采用高速模拟开关和高速大电流输出模拟缓冲器将调幅电压作用于高速驱动MOS管上，从而得到可调幅度输出；

④电路设计中利用采样电阻，通过硬件电路对脉冲信号平滑滤波处理可获得当前激光器驱动电流，而现有技术设计中无法直接获得；

⑤外部重复触发频率可以达20MHz以上，而现有技术由于电路中的电阻、电容或电感的充放电特性，一般重复频率很低；

⑥未采用传统充放电的方案来驱动激光二极管，驱动管在开通瞬间没有叠加充电电流，电路中的驱动MOS管上的功耗很低，只有窄脉冲输入的开通瞬间才会有相应的功耗，开通电流和流经激光器二极管的脉冲电流相等；有效降低了电路功耗，避免MOS管发烫损坏。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型具体实施方式了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本实用新型系统的电路框图；

图2：平滑滤波器的电路框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，脉冲激光器的窄脉冲驱动系统，包括：

数模转换器D/A 1，用于设定激光器脉冲电流幅度；

运算放大器(Amp)一2，用于将数模转换器D/A 1输出的信号进行放大；

模拟开关3，以输入窄脉冲信号作为开关信号，将幅度信号转化为脉冲幅度信号输出；

模拟缓冲器BUF 4，作为脉冲幅度信号的缓冲级，可大电流输出；

电源5，为激光二极管LD6及驱动管提供电源；

激光二极管LD6，用于输出激光脉冲；

MOS管Q1 7，可高速开通，直接致激光二极管LD6输出；

采样电阻二8，用于反馈当前脉冲电流大小；

平滑滤波器9，将脉冲频率信号进行整流滤波平滑；

模数转换器A/D10，用于采集电流信号；

D触发器11，用于产生窄脉冲信号；采用边沿型D触发器；

微控制单元MCU 12，用于产生频率信号，设定脉冲电流幅度，计算当前脉冲电流大小；

可调电阻一13，用于调节窄脉冲宽度，改变激光脉冲宽度；

电容一14，作为D触发器11的外围元件，影响窄脉冲宽度；

微控制单元MCU12的数字输出端口与数模转换器D/A1的数字输入端口相连，微控制单元MCU12的时钟输出端口连接D触发器11的时钟输入端口，D触发器11的清零端连接电容一14和可调电阻一13，D触发器11的输出端连接可调电阻一13、接入模拟开关(3)的使能端，数模转换器D/A1的模拟输出端连接运算放大器一2的正输入端，运算放大器一2的输出端连接模拟开关3的模拟输入端，模拟开关3的输出端接入模拟缓冲器BUF4的输入端，模拟缓冲器BUF4的输出端连接MOS管7的栅极，MOS管7的源极连接采样电阻二8，MOS管7的漏极连接激光二极管LD6的负极，激光二极管LD6的正极连接电源5，采样电阻二8信号接入平滑滤波器9的输入端，平滑滤波器9的输出端连接模数转换器A/D10的模拟输入端口，模数转换器A/D10的数字输出端口接入微控制单元MCU12的数字输入端口。

如图2所示，平滑滤波器9包含运算放大器二15)、运算放大器三16、电容二17、电容三20以及电容四23，电容二17连接运算放大器二15正相输入端，运算放大器二15的负相输入端连接电阻三18和反馈电阻四19一端，电阻四19另一端连接运算放大器二15的输出端，构成比例运算放大电路，运算放大器二15采样电阻二8的脉冲进行放大；运算放大器二15的输出端连接滤波电容三20、连接运算放大器三16的正相输入端，运算放大器三16的负相输入端接电阻五21和反馈电阻六22的一端，反馈电阻六22的另一端连接运算放大器16的输出端，构成比例运算放大电路，运算放大器三16将滤波后的直流电压进行放大，放大后的信号端连接电容四23一端，经过电容四23的信号连接至模数转换器A/D10输入端进行采集转换。

具体应用时，微控制单元MCU12将设定的频率信号输出给D触发器11，频率信号也可以是来自外部触发输入，最高频率信号可达20MHz以上，频率信号输入至D触发器11后，输出端输出高电平，高电平信号经过可调电阻一13和充放电电容一14，可调电阻一13对电平信号分压，同时对电容一14进行充电，电容一14充电端连接D触发器11的清零端，当充电电压达到D触发器11清零翻转条件时，D触发器11的输出翻转，变为低电平，电容一14经过可调电阻一13放电使D触发器11清零端变低；D触发器11输出的高电平时间短，即产生窄脉冲信号，脉冲信号持续时间取决于可调电阻一13和电容一14的大小，调节可调电阻一13可改变脉冲时间，D触发器11输出信号的延迟、上升以及下降时间小，可将输入的频率信号转化为频率相同、脉冲极窄的信号输出，脉冲宽度最小可达5nS以下。

微控制单元MCU12设定数模转换器D/A1输出所需要的幅度信号，信号可改变激光二极管LD6上电流大小，数模转换器D/A1信号输出至运算放大器一2，对信号幅度进行放大，以满足MOS管7所需要的开通深度；

D触发器11产生的窄脉冲频率信号和运算放大器一2产生的幅度信号同时作用于模拟开关3，窄脉冲信号相当于开关使能信号，当脉冲信号到来时，模拟开关3输出一大幅度的窄脉冲信号，因模拟开关输出信号的延迟、上升以及下降时间极短，模拟开关输出的是脉宽和频率与输入窄脉冲相等，信号幅度和输入信号幅度相同；

模拟开关3输出的大幅度窄脉冲信号输入至模拟缓冲器BUF4，模拟缓冲器BUF4具有高带宽、高压摆率、大电流输出特性，模拟缓冲器BUF4输出一驱动能力较强的大幅窄脉冲信号；

MOS管7是具有高速开通功能的MOS管，模拟缓冲器BUF4输出窄脉冲信号至MOS管7的栅极，使MOS管7瞬间开通，MOS管7的漏极和源极导通；电源5输出连接至激光二极管LD6的正极，激光二极管LD6的负极连接MOS管7的漏极，当MOS管7瞬间开通时，可驱动激光二极管LD6产生脉冲激光。

MOS管7开通瞬间，通过激光二极管LD6的电流和采样电阻二8的电流相等，通过测量采样电阻二8的电压得到激光二极管LD6的脉冲电流；采样电阻二8上的电压为频率脉冲信号，信号输入平滑滤波器9后，先经过电容二17进行滤波，滤除噪声毛刺，不会将有用信号滤除，经过电容二17滤波后的信号输入到运算放大器二15进行放大，运算放大器二15和电阻三18以及电阻四19构成同相比例运算电路，放大倍数为F1＝1+R4/R3，采样电阻二8上的电压信号通过运算放大器二15后变为幅度放大F1倍的输出信号，信号经过电容三20后，滤除脉冲信号中的脉动成分，变成直流电压信号，经过电容三20滤波后的信号输入至运算放大器三16进行放大，运算放大器三16和电阻五21以及反馈电阻六构成同相比例运算电路，放大倍数为F2＝1+R6/R5，经过电容三20后的滤波信号变为幅度为F2倍的直流信号，信后再经滤波电容四23进一步平滑，滤除运算放大器三16输出信号的纹波，因此平滑滤波器9可输出一幅度稳定的直流电压，平滑滤波器9输出的电压输入模数转换器A/D10之后转换为数字量输出，数字量输入至微控制单元MCU12后进行运算，通过标定可得到在不同频率以及不同的信号幅度下的对应关系，微控制单元MCU12计算得到相应激光二极管LD6的脉冲电流值。

若要改变激光输出功率只需要改变数模转换器D/A 1输出即可，若有改变激光脉冲宽度，只需要调节可调电阻一13即可，非常简便。

本实用新型未采用传统充放电的方案来驱动激光二极管，驱动管在开通瞬间没有叠加充电电流，电路中的驱动MOS管上的功耗很低，只有窄脉冲输入的开通瞬间才会有相应的功耗，开通电流和流经激光器二极管的脉冲电流相等。

本实用新型对最终输出的激光脉冲幅度和脉冲宽度都可兼顾，而且调节简便，在高频重复触发下，脉冲稳定性好，同时可有效测出激光器工作时的电流大小，另外可有效降低驱动管的耗散功率，采用型号为DSO9254A安捷伦示波器，带宽为2.5GHz，采样率是20GSa/S测得的波形，D触发器调节后产生的窄脉冲，脉宽5nS左右；用高速光电探测器测得的激光脉冲信号，脉宽约1.2nS左右；重复频率为100kHz时的，用光电探测器测得激光脉冲串，光脉冲非常稳定。

综上所述，本实用新型技术方案与现有技术相比，凸显出以下特点：

1)本实用新型对外部触发信号进行压缩窄化处理，而现有技术中通常采用单稳态多谐振荡器(如德州仪器公司的74HC123)外加电阻和电容进行调节脉冲宽度，或者采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)和驱动芯片(如IXYS公司器件)来实现，但窄化过后的脉冲至少也有10nS以上，本实用新型采用高速边沿型D触发器(Data flip-flop)和阻容元件来实现，所产生的窄脉冲可达到5nS甚至更低，并且脉宽可调。

2)本实用新型实现输出脉冲幅度可以设定调节；而现有技术驱动设计中，当电阻电容参数确定好之后，输出脉冲幅度也随之确定，本实用新型中采用高速模拟开关和高速大电流输出模拟缓冲器将调幅电压作用于高速驱动MOS管上，从而得到可调幅度输出。

3)本实用新型电路设计中利用采样电阻，通过硬件电路对脉冲信号平滑滤波处理可获得当前激光器驱动电流，而现有技术设计中无法直接获得。

4)外部重复触发频率可以达20MHz以上，而现有技术由于电路中的电阻、电容或电感的充放电特性，一般重复频率很低。

5)本实用新型有效降低了电路功耗，避免MOS管发烫损坏。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (3)

1.脉冲激光器的窄脉冲驱动系统，其特征在于：包含运算放大器一(2)、D触发器(11)、MOS管(7)、模拟开关(3)以及模拟缓冲器BUF(4)，微控制单元MCU(12)的数字输出端口与数模转换器D/A(1)的数字输入端口相连，微控制单元MCU(12)的时钟输出端口连接D触发器(11)的时钟输入端口，D触发器(11)的清零端连接电容一(14)和可调电阻一(13)，D触发器(11)的输出端连接可调电阻一(13)、接入模拟开关(3)的使能端，数模转换器D/A(1)的模拟输出端连接运算放大器一(2)的正输入端，运算放大器一(2)的输出端连接模拟开关(3)的模拟输入端，模拟开关(3)的输出端接入模拟缓冲器BUF(4)的输入端，模拟缓冲器BUF(4)的输出端连接MOS管(7)的栅极，MOS管(7)的源极连接采样电阻二(8)，MOS管(7)的漏极连接激光二极管LD(6)的负极，激光二极管LD(6)的正极连接电源(5)，采样电阻二(8)信号接入平滑滤波器(9)的输入端，平滑滤波器(9)的输出端连接模数转换器A/D(10)的模拟输入端口，模数转换器A/D(10)的数字输出端口接入微控制单元MCU(12)的数字输入端口。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光器的窄脉冲驱动系统，其特征在于：所述平滑滤波器(9)包含运算放大器二(15)、运算放大器三(16)、电容二(17)、电容三(20)以及电容四(23)，电容二(17)连接运算放大器二(15)正相输入端，运算放大器二(15)的负相输入端连接电阻三(18)和反馈电阻四(19)一端，电阻四(19)另一端连接运算放大器二(15)的输出端，构成比例运算放大电路，运算放大器二(15)采样电阻二(8)的脉冲进行放大；运算放大器二(15)的输出端连接滤波电容三(20)、连接运算放大器三(16)的正相输入端，运算放大器三(16)的负相输入端接电阻五(21)和反馈电阻六(22)的一端，反馈电阻六(22) 的另一端连接运算放大器三(16)的输出端，构成比例运算放大电路，运算放大器三(16)将滤波后的直流电压进行放大，放大后的信号端连接电容四(23)一端，经过电容四(23)的信号连接至模数转换器A/D(10)输入端进行采集转换。

3.根据权利要求1所述的脉冲激光器的窄脉冲驱动系统，其特征在于：所述D触发器(11)为边沿型D触发器。

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