CN217008072U - 一种高分辨率任意波形激光器驱动源 - Google Patents
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Abstract
一种高分辨率任意波形激光器驱动源，涉及调频连续波激光测距技术领域。本实用新型是为了解决现有电流调谐半导体激光器无法保证良好的调频线性度，进而导致测量结果准确性低的问题。本实用新型所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，ARM处理器用于采集上位机发送的波形数据、频率字数据和偏置电压数据，ARM处理器连接第一数模转换器和CPLD，第一数模转换器连接信号调理电路，电压发生电路连接第一数模转换器，电压发生电路连接第二数模转换器，CPLD连接RAM，RAM连接第二数模转换器，第二数模转换器连接信号调理电路，信号调理电路连接恒流源电路，恒流源电路输出驱动电流。
Description
技术领域
本实用新型属于调频连续波激光测距技术领域。
背景技术
调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达测距技术是激光测量技术和雷达测距技术相结合而产生的新兴技术。由于激光可以向固定的方向进行辐射，并且辐射的散开角度极小，因此利用激光测量得到的结果更加可靠，精度更高，并且激光的抗干扰能力更强。雷达测距技术能够不受天气的影响，应用场景更加丰富。调频连续波激光雷达测距技术充分的结合了激光测量技术和雷达测距技术的优点，对物体的绝对距离进行测量，分辨率更高，稳定性更强，并且可以实现非接触式测量，即使面对恶劣的环境，激光雷达测距技术也能提供准确的测量信息。
调频连续波激光雷达测距技术原理是在时间上对发射信号频率进行调制，发射信号照射到被测物体表面反射形成回波信号，通过测量回波信号与发射信号的差拍信号频率来分析出目标的绝对距离。而可调谐电流半导体激光器的输出频率是通过改变注入电流幅值来控制的，并且由于其小体积，成本低、调制速度快等优点成为了激光雷达测距技术的理想光源。
因此为保证调频连续波激光雷达测距技术的准确性，则必须保证可调谐半导体激光器输出光频率的稳定。而可调谐半导体激光器是通过控制注入电流幅值达到控制输出激光频率的目的，因此提高注入电流的精度是提高调频连续波激光雷达测距技术精度的关键。
在理想情况下，电流调谐半导体激光器输出频率随注入电流幅值的改变而发生线性变化。但是在实际应用中，由于电流调谐半导体激光器自身结构上的缺陷以及对温度变化非常敏感的特点，导致电流调谐半导体激光器不能得到良好的调频线性度，进而影响到测量结果的准确性。
实用新型内容
本实用新型是为了解决现有电流调谐半导体激光器无法保证良好的调频线性度，进而导致测量结果准确性低的问题，现提供一种高分辨率任意波形激光器驱动源。
一种高分辨率任意波形激光器驱动源，包括：ARM处理器1、基准电压电路2、任意波形发生电路3、信号调理电路4和恒流源电路5，基准电压电路2包括第一数模转换器2-1和电压发生电路2-2，任意波形发生电路3包括CPLD3-1、RAM3-2和第二数模转换器3-3，
ARM处理器1用于采集上位机发送的波形数据、频率字数据和偏置电压数据，ARM处理器1的偏置电压数据输出端连接第一数模转换器2-1的偏置电压数据输入端，ARM处理器1的频率字数据和波形数据输出端连接CPLD3-1的输入端，
第一数模转换器2-1的偏置电压输出端连接信号调理电路4的偏置电压输入端，
电压发生电路2-2的一号基准电压输出端连接第一数模转换器2-1的一号基准电压输入端，电压发生电路2-2的二号基准电压输出端连接第二数模转换器3-3的二号基准电压输入端，
CPLD3-1的地址与数据输出端连接RAM3-2的地址与数据输入端，
RAM3-2的数据输出端连接第二数模转换器3-3的数据输入端，
第二数模转换器3-3的差分电压输出端连接信号调理电路4的差分电压输入端，
信号调理电路4的单端电压输出端连接恒流源电路5的电压输入端，恒流源电路5的电流输出端输出驱动电流。
进一步的，上述电压发生电路2-2包括：ADR03芯片、放大器N2A、放大器N3A、电容CR1～CR14、电阻R1和电阻R2，
ADR03芯片的2号引脚和电容CR7的一端同时连接电源正极，ADR03芯片的6号引脚分别连接电容CR8的一端、放大器N2A的同相输入端和放大器N3A的同相输入端，放大器N2A的输出端分别连接放大器N2A的反相输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端分别连接电容CR5的一端和电容CR6的一端，放大器N3A的输出端分别连接放大器N3A的反相输入端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接电容CR13的一端和电容CR14的一端，放大器N2A的正极、电容CR1的一端、电容CR2的一端、放大器N3A的正极、电容CR9的一端和电容CR10的一端同时连接正电压源，放大器N2A的负极、电容CR3的一端、电容CR4的一端、放大器N3A的负极、电容CR11的一端、电容CR12的一端同时连接负电压源，
电阻R1的另一端作为电压发生电路2-2的一号基准电压输出端，电阻R2的另一端作为电压发生电路2-2的二号基准电压输出端，ADR03芯片的4号引脚、电容CR1～CR14的另一端均连接电源地。
进一步的，上述第一数模转换器2-1包括：DAC8552芯片、放大器N2B、电容CR15～CR17和电阻R3，
DAC8552芯片的7号引脚作为第一数模转换器2-1的偏置电压数据输入端，
DAC8552芯片的2号引脚作为第一数模转换器2-1的一号基准电压输入端，
DAC8552芯片的4号引脚分别连接电容CR15的一端和放大器N2B的同相输入端，
放大器N2B的输出端分别连接放大器N2B的反相输入端和电阻R3的一端，
电阻R3的另一端分别连接电容CR16和CR17的一端，
电阻R3的另一端作为第一数模转换器2-1的偏置电压输出端，
DAC8552芯片的8号引脚和电容CR15～CR17的另一端均连接电源地。
进一步的，上述第二数模转换器3-3包括：LTC1668芯片、电容CF40～CF42、电阻RF12～RF13和电感LP1～LP2，
LTC1668芯片的IO0～IO15引脚是第二数模转换器3-3的数据输入端，LTC1668芯片的16号引脚为第二数模转换器3-3的二号基准电压输入端，LTC1668芯片的19和20号引脚为第二数模转换器3-3的差分电压输出端，
LTC1668芯片的22、21和15号引脚分别连接电容CF40～CF42的一端，LTC1668芯片的25和23号引脚分别连接电感LP1和电感LP2的一端，LTC1668芯片的19和20号引脚分别连接电阻RF12和电阻RF13的一端，
电感LP1的另一端连接正电压源，电感LP2的另一端、电容CF40的另一端和电容CF41的一端均连接负电压源，电容CF42的另一端、电阻RF12的另一端和电阻RF13的另一端均连接电源地。
进一步的，上述信号调理电路4包括：增益可调电路和滤波器电路，
增益可调电路的偏置电压输入端作为信号调理电路4的偏置电压输入端，增益可调电路的差分电压输入端作为信号调理电路4的差分电压输入端，增益可调电路的增益输出端连接滤波器电路的增益输入端，滤波器电路的输出端作为信号调理电路4的单端电压输出端。
进一步的，上述增益可调电路包括：AD8231芯片、电容CA1和电容CA2，
AD8231芯片的2和3号引脚为增益可调电路的差分电压输入端，AD8231芯片的9号引脚为增益可调电路的偏置电压输入端，AD8231芯片的10号引脚为增益可调电路的增益输出端，AD8231芯片的12和11号引脚分别连接正负电压源，AD8231芯片的5号引脚连接电源正极，电容CA1串联在AD8231芯片的12号引脚与电源地之间，电容CA2串联在AD8231芯片的11号引脚与电源地之间。
进一步的，上述滤波器电路包括：放大器N1C、放大器N2C、电阻RA1～RA4和电容CA3～CA5，
电阻RA1的一端为滤波器电路的增益输入端，电阻RA1的另一端分别连接电容CA3的一端和放大器N1C的同相输入端，放大器N1C的输出端分别连接放大器N1C的反相输入端和电阻RA2的一端，电阻RA2的另一端分别连接电容CA5的一端和电阻RA3的一端，电阻RA3的另一端分别连接电容CA4的一端和放大器N2C的同相输入端，放大器N2C的输出端分别连接放大器N2C的反相输入端、电容CA5的另一端和电阻RA4的一端，电阻RA4的另一端为滤波器电路的输出端，电容CA3的另一端和电容CA4的另一端均连接电源地，
放大器N1C和放大器N2C均为轨对轨运算放大器ADA4096。
进一步的，上述恒流源电路5包括：三极管电路底座MA1、放大器NA3、三极管电路、放大器N3、电容CI1～CI7、有极电容CI8、电阻RI1～RI8、电阻RL和电感LA1，
放大器NA3的3号引脚为恒流源电路5的电压输入端，放大器NA3的4号引脚分别连接电容CI1、CI2的一端和负电压源，放大器NA3的1号引脚分别连接放大器N3的输出端和反相输入端，放大器N3的电源正极分别连接电容CI3、CI4的一端和正电压源，放大器N3的同相输入端分别连接电阻RI1～RI8的一端和电阻RL的一端，电阻RL的另一端为恒流源电路5的电流输出端，
放大器NA3的5号引脚分别连接电阻RI1～RI8的另一端和三极管电路底座MA1的S端，放大器NA3的6号引脚连接三极管电路底座MA1的G端，放大器NA3的7号引脚分别连接电容CI5、CI6的一端和正电压源，三极管电路底座MA1的VCC端分别连接电容CI7的一端、有极电容CI8的正极、电感LA1的一端和正电压源，电感LA1的另一端连接正电压源，
电容CI1～CI7的另一端、放大器N3的电源负极、有极电容CI8的负极、放大器NA3的2号引脚均连接电源地，三极管电路插接在三极管电路底座MA1上，
放大器NA3为单位增益差动放大器AD8276。
进一步的，上述三极管电路包括：三极管Q1、电阻RS1～RS5、电容C1和电容C2，
三极管Q1的基极插接在三极管电路底座MA1的G端，三极管Q1的发射极插接在三极管电路底座MA1的S端，三极管Q1的集电极分别连接电阻RS1～RS5的一端，电阻RS1～RS5的另一端同时连接电源正极，电容C1和电容C2的一端同时连接电源正极，电容C1和电容C2的另一端同时连接电源地。
进一步的，上述ARM处理器1通过网口电路与上位机建立数据连接。
本实用新型所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，具有如下有益效果：
(1)本实用新型实现了恒流输出的能力，输出电流只与输入电压和采样电阻有关，实现输出电流不会随着负载的变化而变化。
(2)本实用新型采用可编程逻辑器件CPLD配合16位分辨率的DAC设计的任意波形发生电路，相对于专用的DDS芯片，基于可编程逻辑器件CPLD设计的DDS电路精度更高、灵活性更大、稳定性更强。
(3)本实用新型采用以差动放大器AD8276为核心的恒流源电路，AD8276内部集成了四个经激光调整的片内电阻，片内电阻严格匹配，将最大程度上减小由电阻带来的误差。与分立式的恒流源电路方案相比，节省了空间，并且在改善增益精度和温度漂移性能上更具有优势。
(4)本实用新型采用低温度漂移的芯片和电阻；在恒流源电路部分中的三极管电路采用接插的方式与恒流源电路主体连接，并增加了焊盘面积和过孔数量，大大的增加了散热面积，有效的减少因为温度变化对恒定输出电流的影响。
(5)本实用新型采用以轨对轨运算放大器ADA4096为核心设计的三阶巴特沃斯低通滤波器，通带范围20KHz，能够有效的滤除掉由电源纹波引起的噪声以及数模转换器自身固有的噪声。
附图说明
图1为本实用新型所述一种高分辨率任意波形激光器驱动源的整体结构示意图；
图2为电压发生电路的结构示意图；
图3为第一数模转换器的结构示意图；
图4为CPLD的芯片结构示意图；
图5为RAM的芯片结构示意图；
图6为第二数模转换器的芯片结构示意图；
图7为增益可调电路的结构示意图；
图8为滤波器电路的结构示意图；
图9为恒流源电路的结构示意图；
图10为三极管电路的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，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。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：参照图1所示，本实施方式所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，如图1所示，包括：ARM处理器1、基准电压电路2、任意波形发生电路3、信号调理电路4和恒流源电路5，基准电压电路2包括第一数模转换器2-1和电压发生电路2-2，任意波形发生电路3包括CPLD3-1、RAM3-2和第二数模转换器3-3。
ARM处理器1用于采集上位机发送的波形数据、频率字数据和偏置电压数据，ARM处理器1的偏置电压数据输出端连接第一数模转换器2-1的偏置电压数据输入端，ARM处理器1的频率字数据和波形数据输出端连接CPLD3-1的输入端，
第一数模转换器2-1的偏置电压输出端连接信号调理电路4的偏置电压输入端，
电压发生电路2-2的一号基准电压输出端连接第一数模转换器2-1的一号基准电压输入端，电压发生电路2-2的二号基准电压输出端连接第二数模转换器3-3的二号基准电压输入端，
CPLD3-1的地址与数据输出端连接RAM3-2的地址与数据输入端，
RAM3-2的数据输出端连接第二数模转换器3-3的数据输入端，
第二数模转换器3-3的差分电压输出端连接信号调理电路4的差分电压输入端，
信号调理电路4的单端电压输出端连接恒流源电路5的电压输入端，恒流源电路5的电流输出端输出驱动电流。
本实施方式中，上位机通过MATLAB软件以以太网通信的方式向下位机ARM处理器1发送波形数据、频率字数据和偏置电压数据。任意波形发生电路3根据接收到的频率字数据依据DDS原理产生差分电压信号，并将产生的差分电压信号传输给信号调理电路4。基准电压电路根据接收到偏置电压数据产生偏置电压信号同样将偏置电压信号传输给信号调理电路4。信号调理电路4首先将由任意波形发生电路3产生的差分电压信号转为单端电压，并将来自基准电压电路2的偏置电压信号加入到单端电压信号输出，与此同时还可通过上位机设置增益倍数，其次通过三阶低通巴特沃斯滤波器滤除噪声。最后信号调理电路4的单端电压输出通过恒流源电路5进行VI转换来输出可使电流调谐半导体激光器稳定工作的驱动电流。
本实施方式ARM处理器1采用的是32位的STM32F103RB芯片，最大频率72MHz，具有多个通信接口，包括I2C、SPI、USART、CAN接口等。主要功能是与上位机进行通信、接收波形数据、频率字数据、偏置电压数据、设置信号调理电路的增益倍数，设置偏置电压以及控制任意波形发生。
具体实施方式二：参照图2和图3所示，本实施方式是对实施方式一所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源的进一步说明，本实施方式中，如图2所示，基准电压电路2中的电压发生电路2-2包括：ADR03芯片、放大器N2A、放大器N3A、电容CR1～CR14、电阻R1和电阻R2。
ADR03芯片的2号引脚和电容CR7的一端同时连接电源正极，ADR03芯片的6号引脚分别连接电容CR8的一端、放大器N2A的同相输入端和放大器N3A的同相输入端，放大器N2A的输出端分别连接放大器N2A的反相输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端分别连接电容CR5的一端和电容CR6的一端，放大器N3A的输出端分别连接放大器N3A的反相输入端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接电容CR13的一端和电容CR14的一端，放大器N2A的正极、电容CR1的一端、电容CR2的一端、放大器N3A的正极、电容CR9的一端和电容CR10的一端同时连接正电压源，放大器N2A的负极、电容CR3的一端、电容CR4的一端、放大器N3A的负极、电容CR11的一端、电容CR12的一端同时连接负电压源，电阻R1的另一端作为电压发生电路2-2的一号基准电压输出端，电阻R2的另一端作为电压发生电路2-2的二号基准电压输出端，ADR03芯片的4号引脚、电容CR1～CR14的另一端均连接电源地。
如图3所示，第一数模转换器2-1包括：DAC8552芯片、放大器N2B、电容CR15～CR17和电阻R3。
DAC8552芯片的7号引脚作为第一数模转换器2-1的偏置电压数据输入端，DAC8552芯片的2号引脚作为第一数模转换器2-1的一号基准电压输入端，DAC8552芯片的4号引脚分别连接电容CR15的一端和放大器N2B的同相输入端，放大器N2B的输出端分别连接放大器N2B的反相输入端和电阻R3的一端，电阻R3的另一端分别连接电容CR16和CR17的一端，电阻R3的另一端作为第一数模转换器2-1的偏置电压输出端，DAC8552芯片的8号引脚和电容CR15～CR17的另一端均连接电源地。
由于任意波形发生电路和基准电压电路中的数模转换器进行数模转换都是在基准电压的基础上进行的，因此基准电压的精度影响着波形发生电路产生的差分电压波形和基准电压电路产生偏置电压精度，所以精度高的基准电压电路是保证输出电压波形精度的前提。本实施方式以带隙基准电压源芯片ADR03为核心构建了电压发生电路2-2，带隙基准电压源芯片ADR03能够提供一个2.5V电压输出，并且其电源电压范围非常广泛。与此同时，因为其具有低温度偏移和低输出噪声等特点，使其成为数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)的理想选择。最大程度上降低了由于基准电压误差而对差分电压精度和偏置电压精度的影响。
具体的，带隙基准电压源芯片ADR03输出的2.5V基准电压通过以精密运算放大器OPA2132为核心构成的两路电压跟随器跟随分别输出两路基准电压(REF2.5、REF2V5)，以此来提高带负载的能力。其中一号基准电压REF2.5用来向产生偏置电压的第一数模转换器2-1(DAC8552)提供电压，第一数模转换器2-1在一号基准电压REF2.5V的基础上，由ARM处理器控制进行数模转换产生偏置电压DACA，偏置电压DACA经过以精密运算放大器OPA2132为核心构成的电压跟随器为信号调理电路提供偏置电压OFFSA。二号基准电压REF2V5用来向任意波形发生电路的第二数模转换器3-3(LTC1668)提供二号基准电压，第二数模转换器3-3在二号基准电压REF2V5下根据从静态RAM读出的16位电压数据进行数模转换产生差分电压信号。
具体实施方式三：参照图4、图5和图6所示，本实施方式是对实施方式一所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源的进一步说明，本实施方式中，任意波形发生电路3由复杂可编程逻辑器件CPLD3-1、64K*16高速CMOS静态RAM3-2以及16位分辨率的第二数模转换器3-3(LTC1668)组成。其中，CPLD3-1用来对静态存储器RAM3-2进行写数据以及根据DDS原理设计相位累加器。本实施方式相对于利用专用的DDS芯片具有更大的灵活性、更快的工作速度、和更强的稳定性。RAM3-2用来存储经过计算生成的数据，16位分辨率的数模转换器LTC1668用来进行对由RAM3-2读出的电压数据进行数模转换输出差分电压。
结合图4，其中CPLD3-1实现分为两个阶段：
第一阶段：可编程逻辑器件CPLD的din[7..0]端将来自于ARM处理器1的波形数据处理后，再由可编程逻辑器件CPLD的dout[15..0]端写数据到静态RAM中。其中
由于静态RAM的数据位宽是16位，而来自于ARM处理器1的数据为8位，因此设计了位宽转换模块(change)，用来将来自ARM处理器的8位数据转成与静态RAM数据位宽一致的16位数据。同时，为配合静态RAM对数据进行存储，设计了RAM地址累加模块(address_count)，将数据依次存到不同地址的静态RAM中。
实现方法为：可编程逻辑器件CPLD一经上电会向ARM处理器发送一个back反馈信号，代表可编程逻辑器件CPLD已就绪，ARM处理器接收到back反馈信号后，向静态RAM的读写控制引脚(WE)发送一个低电平信号使静态RAM处于写数据状态。同时ARM处理器开始通过IO口向可编程逻辑器件CPLD发送8位一组的数据，数据经过位宽转换模块每两组8位位宽的数据转为一组16位位宽的数据发送给静态RAM，与此同时每向静态RAM发送一组16位的数据，RAM地址累加模块产生的地址也随之增加一位，静态RAM开始存储数据。
第二阶段：可编程逻辑器件CPLD根据任意波形发生技术原理设计相位累加器产生地址数据，发送给静态RAM以此来读出对应地址的数据，读出的数据传输给16位分辨率的数模转换器LTC1668进行数模转换输出差分电压信号。
实现方法为：当静态RAM完成写数据时，RAM地址累加模块会输出一个标志flag信号，将flag信号作为可编程逻辑器件CPLD中的DDS模块的使能信号。ARM处理器1向可编程逻辑器件CPLD(Fword[15..0])发送频率字数据，基于可编程逻辑器件CPLD的相位累加器接收到频率字数据后在参考时钟的控制下开始工作，相位累加器的输出一方面反馈作为输入与频率控制字在相位累加器中完成加法运算，一方面输出作为静态RAM的地址信息。取相位累加器输出高位数据作为静态RAM的地址信息，由于静态存储器RAM的地址位宽为16位，因此取相位累加器的高16位输出作为静态RAM的地址数据。已知频率字数据为16位，相位累加器为32位，时钟频率为50MHz，则有频率分辨率为762.9Hz。且DDS模块工作时，会同时输出控制静态RAM读的WE信号和OE信号，使静态存储器RAM处于读状态。
静态RAM根据接收到的地址信息，输出对应地址所存储的电压数据，16位的电压数据经由16位分辨率的数模转换器LTC1668进行数模转换输出差分电压，从而实现了任意波形发生功能。
如图6所示，第二数模转换器3-3包括：LTC1668芯片、电容CF40～CF42、电阻RF12～RF13和电感LP1～LP2。
LTC1668芯片的IO0～IO15引脚是第二数模转换器3-3的数据输入端，LTC1668芯片的16号引脚为第二数模转换器3-3的二号基准电压输入端，LTC1668芯片的19和20号引脚为第二数模转换器3-3的差分电压输出端，LTC1668芯片的22、21和15号引脚分别连接电容CF40～CF42的一端，LTC1668芯片的25和23号引脚分别连接电感LP1和电感LP2的一端，LTC1668芯片的19和20号引脚分别连接电阻RF12和电阻RF13的一端，电感LP1的另一端连接正电压源，电感LP2的另一端、电容CF40的另一端和电容CF41的一端均连接负电压源，电容CF42的另一端、电阻RF12的另一端和电阻RF13的另一端均连接电源地。
具体实施方式四：参照图7和图8所示，本实施方式是对实施方式一所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源的进一步说明，本实施方式中的信号调理电路4包括增益可调电路和滤波器电路。增益可调电路的偏置电压输入端作为信号调理电路4的偏置电压输入端，增益可调电路的差分电压输入端作为信号调理电路4的差分电压输入端，增益可调电路的增益输出端连接滤波器电路的增益输入端，滤波器电路的输出端作为信号调理电路4的单端电压输出端。
增益可调电路主要负责将来自于任意波形发生电路的差分电压转换为单端电压并加入偏置电压，同时进行将信号进行放大。滤波器电路主要负责对单端输出的电压信号进行滤波，滤除掉信号中的高次谐波，提高电压波形的精度。具体如下：
如图7所示，增益可调电路包括：AD8231芯片、电容CA1和电容CA2。
AD8231芯片的2和3号引脚为增益可调电路的差分电压输入端，AD8231芯片的9号引脚为增益可调电路的偏置电压输入端，AD8231芯片的10号引脚为增益可调电路的增益输出端，AD8231芯片的12和11号引脚分别连接正负电压源，AD8231芯片的5号引脚连接电源正极，电容CA1串联在AD8231芯片的12号引脚与电源地之间，电容CA2串联在AD8231芯片的11号引脚与电源地之间。
本实施方式以数字可编程仪表放大器AD8231为核心设计了增益可调电路，来完成对差分电压转单端电压输出，并通过微处理器控制增益放大倍数。AD8231芯片是一款具有低输入失调偏移、低噪声的可编程增益仪表放大器，具有出色的直流性能。增益可通过改变三根信号线的电平状态来设置为1、2、4、8、16、32、64或128，并且当设置增益小于32时，增益漂移不超过10ppm/℃。引脚3为差分电压中的同相输入端、引脚2为反相输入端、引脚9为偏置电压的输入端、引脚10为单端电压输出、引脚11和引脚12为电源，分别通过0.1uF的电容接地解耦，引脚13、引脚14、引脚15和引脚16位增益设置引脚。仪表放大器AD8231的增益是通过当引脚13CS为低电平时，查询引脚14(A0)、引脚15(A1)、引脚16(A2)的电平状态，不同的电平状态对应着不同的增益倍数，当引脚13(CS)为高电平状态时，增益将会被锁存，此时改变引脚14、引脚15、引脚16的电平状态并不会对增益倍数造成改变。
如图8所示，滤波器电路包括：放大器N1C、放大器N2C、电阻RA1～RA4和电容CA3～CA5。
电阻RA1的一端为滤波器电路的增益输入端，电阻RA1的另一端分别连接电容CA3的一端和放大器N1C的同相输入端，放大器N1C的输出端分别连接放大器N1C的反相输入端和电阻RA2的一端，电阻RA2的另一端分别连接电容CA5的一端和电阻RA3的一端，电阻RA3的另一端分别连接电容CA4的一端和放大器N2C的同相输入端，放大器N2C的输出端分别连接放大器N2C的反相输入端、电容CA5的另一端和电阻RA4的一端，电阻RA4的另一端为滤波器电路的输出端，电容CA3的另一端和电容CA4的另一端均连接电源地。
由于电源噪声以及任意波形发生电路中的数模转化器自身固有的噪声，使之由数模转换器LTC1668产生的差分电压也会带有一定的噪声，即使经过信号调理电路，噪声依旧存在，因此本实施方式采用三阶巴特沃斯低通滤波器来滤除掉电压信号中的噪声。本实施方式以轨对轨运算放大器ADA4096为核心，通带范围为20KHz。本实施方式能够保留需要的电压波形，滤除掉高次谐波和噪声，满足滤波器设计需求。
具体实施方式五：参照图9和图10所示，本实施方式是对实施方式一所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源的进一步说明，本实施方式中，三极管电路底座MA1、放大器NA3、三极管电路、放大器N3、电容CI1～CI7、有极电容CI8、电阻RI1～RI8、电阻RL和电感LA1。
放大器NA3的3号引脚为恒流源电路5的电压输入端，放大器NA3的4号引脚分别连接电容CI1、CI2的一端和负电压源，放大器NA3的1号引脚分别连接放大器N3的输出端和反相输入端，放大器N3的电源正极分别连接电容CI3、CI4的一端和正电压源，放大器N3的同相输入端分别连接电阻RI1～RI8的一端和电阻RL的一端，电阻RL的另一端为恒流源电路5的电流输出端，
放大器NA3的5号引脚分别连接电阻RI1～RI8的另一端和三极管电路底座MA1的S端，放大器NA3的6号引脚连接三极管电路底座MA1的G端，放大器NA3的7号引脚分别连接电容CI5、CI6的一端和正电压源，三极管电路底座MA1的VCC端分别连接电容CI7的一端、有极电容CI8的正极、电感LA1的一端和正电压源，电感LA1的另一端连接正电压源，
电容CI1～CI7的另一端、放大器N3的电源负极、有极电容CI8的负极、放大器NA3的2号引脚均连接电源地，三极管电路插接在三极管电路底座MA1上。
如图10所示，三极管电路包括：三极管Q1、电阻RS1～RS5、电容C1和电容C2，
三极管Q1的基极插接在三极管电路底座MA1的G端，三极管Q1的发射极插接在三极管电路底座MA1的S端，三极管Q1的集电极分别连接电阻RS1～RS5的一端，电阻RS1～RS5的另一端同时连接电源正极，电容C1和电容C2的一端同时连接电源正极，电容C1和电容C2的另一端同时连接电源地。
本实施方式中的恒流源电路5主要由单位增益差动放大器AD8276、三极管电路模块、集成运放AD8661组成。主要对经过调理的电压信号进行VI转换，将电压信号转换成稳定的电流信号来驱动电流调谐半导体激光器工作。该方法以单位增益差动放大器AD8276为核心，单位增益差动放大器AD8276内部集成4个经激光调整过的片内电阻，相对于分立式的恒流源电路设计，能更大程度上的提高精度、减小误差。且三极管电路模块与恒流源电路在硬件上通过接插的方式进行连接，同时增加了焊盘面积和过孔数量，以此最大程度上降低因温度变化对输出电流精度的影响。
实现过程为：单位增益差动放大器AD8276的引脚5连接由RI1、RI2、RI3、RI4、RI5、RI6、RI7、RI8并联组成的采样电阻RI顶端，AD8276的引脚1连接由RI1、RI2、RI3、RI4、RI5、RI6、RI7、RI8并联组成的采样电阻RI底端。由于AD8276内部集成了4个严格匹配的电阻，为了最大程度上的降低由于电阻而带来的误差，所以本实用新型中采样电阻均采用高精度、低温漂电阻以降低误差。
图9中MA1为三极管电路模块底座。单位增益差动放大器AD8276的引脚6连接三极管电路模块底座MA1的引脚G，而三极管电路模块底座的引脚G对应三极管的基极。采样电阻RI的高端连接三极管电路模块底座的引脚S，其引脚S对应着三极管的发射极，三极管的集电极经由并联起来的电阻RS1、电阻RS2、电阻RS3、电阻RS4、电阻RS5后接电源VCC，三极管电路与恒流源电路在硬件上采用接插式的连接。
记并联之后的采样电阻顶端电压为VH，底端电压为VL，经信号调理电路输出电压为VSA。采样电阻RI顶端VH连接到单位增益差动放大器AD8276的引脚5，采样电阻RI底端电压VL连接到单位增益差动放大器的引脚1，信号调理电路输出电压VSA连接单位增益差动放大器AD8276的引脚2。单位增益差动放大器AD8276的内部电阻严格匹配，因此可知单位增益差动放大器AD8276的反相端输入电压为
同相端输入电压为
并且理想情况下，运算放大器存在虚短现象，既单位增益差动放大器AD8276的同相端电压与反相端电压相同。则有
即VH-VL＝VSA，而流经电阻RI和RL的电流是一样的，因此恒流源电路输出电流为IOUT＝(VH-VL)/RI＝VSA/RI。因此由上式可知恒流源电路最终输出电流只与采样电阻RI以及电压VSA有关，故负载电阻RL的变化并不会对恒流源电路输出电流造成影响。
具体实施方式六：本实施方式是对实施方式一所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源的进一步说明，本实施方式中，ARM处理器1通过网口电路与上位机建立数据连接。本实施方式中，上位机和下位机ARM处理器1通过网口进行通信，采用了全硬件TCP/IP嵌入式以太网芯片W5500，它支持TCP/IP协议，8个独立端口(Socket)可以同时独立的进行通讯。此电路所采用的W5500芯片通过SPI通信的方式可以更加简洁的与微处理器连接，工作电压为3.3V，I/O口5V耐压。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本实用新型，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本实用新型的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本实用新型的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (10)
1.一种高分辨率任意波形激光器驱动源，其特征在于，包括：ARM处理器(1)、基准电压电路(2)、任意波形发生电路(3)、信号调理电路(4)和恒流源电路(5)，基准电压电路(2)包括第一数模转换器(2-1)和电压发生电路(2-2)，任意波形发生电路(3)包括CPLD(3-1)、RAM(3-2)和第二数模转换器(3-3)，
ARM处理器(1)用于采集上位机发送的波形数据、频率字数据和偏置电压数据，ARM处理器(1)的偏置电压数据输出端连接第一数模转换器(2-1)的偏置电压数据输入端，ARM处理器(1)的频率字数据和波形数据输出端连接CPLD(3-1)的输入端，
第一数模转换器(2-1)的偏置电压输出端连接信号调理电路(4)的偏置电压输入端，
电压发生电路(2-2)的一号基准电压输出端连接第一数模转换器(2-1)的一号基准电压输入端，电压发生电路(2-2)的二号基准电压输出端连接第二数模转换器(3-3)的二号基准电压输入端，
CPLD(3-1)的地址与数据输出端连接RAM(3-2)的地址与数据输入端，
RAM(3-2)的数据输出端连接第二数模转换器(3-3)的数据输入端，
第二数模转换器(3-3)的差分电压输出端连接信号调理电路(4)的差分电压输入端，
信号调理电路(4)的单端电压输出端连接恒流源电路(5)的电压输入端，恒流源电路(5)的电流输出端输出驱动电流。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，其特征在于，电压发生电路(2-2)包括：ADR03芯片、放大器N2A、放大器N3A、电容CR1～CR14、电阻R1和电阻R2，
ADR03芯片的2号引脚和电容CR7的一端同时连接电源正极，ADR03芯片的6号引脚分别连接电容CR8的一端、放大器N2A的同相输入端和放大器N3A的同相输入端，放大器N2A的输出端分别连接放大器N2A的反相输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端分别连接电容CR5的一端和电容CR6的一端，放大器N3A的输出端分别连接放大器N3A的反相输入端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接电容CR13的一端和电容CR14的一端，放大器N2A的正极、电容CR1的一端、电容CR2的一端、放大器N3A的正极、电容CR9的一端和电容CR10的一端同时连接正电压源，放大器N2A的负极、电容CR3的一端、电容CR4的一端、放大器N3A的负极、电容CR11的一端、电容CR12的一端同时连接负电压源，
电阻R1的另一端作为电压发生电路(2-2)的一号基准电压输出端，电阻R2的另一端作为电压发生电路(2-2)的二号基准电压输出端，ADR03芯片的4号引脚、电容CR1～CR14的另一端均连接电源地。
3.根据权利要求1或2所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，其特征在于，第一数模转换器(2-1)包括：DAC8552芯片、放大器N2B、电容CR15～CR17和电阻R3，
DAC8552芯片的7号引脚作为第一数模转换器(2-1)的偏置电压数据输入端，
DAC8552芯片的2号引脚作为第一数模转换器(2-1)的一号基准电压输入端，
DAC8552芯片的4号引脚分别连接电容CR15的一端和放大器N2B的同相输入端，
放大器N2B的输出端分别连接放大器N2B的反相输入端和电阻R3的一端，
电阻R3的另一端分别连接电容CR16和CR17的一端，
电阻R3的另一端作为第一数模转换器(2-1)的偏置电压输出端，
DAC8552芯片的8号引脚和电容CR15～CR17的另一端均连接电源地。
4.根据权利要求1所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，其特征在于，第二数模转换器(3-3)包括：LTC1668芯片、电容CF40～CF42、电阻RF12～RF13和电感LP1～LP2，
LTC1668芯片的IO0～IO15引脚是第二数模转换器(3-3)的数据输入端，LTC1668芯片的16号引脚为第二数模转换器(3-3)的二号基准电压输入端，LTC1668芯片的19和20号引脚为第二数模转换器(3-3)的差分电压输出端，
LTC1668芯片的22、21和15号引脚分别连接电容CF40～CF42的一端，LTC1668芯片的25和23号引脚分别连接电感LP1和电感LP2的一端，LTC1668芯片的19和20号引脚分别连接电阻RF12和电阻RF13的一端，
电感LP1的另一端连接正电压源，电感LP2的另一端、电容CF40的另一端和电容CF41的一端均连接负电压源，电容CF42的另一端、电阻RF12的另一端和电阻RF13的另一端均连接电源地。
5.根据权利要求1所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，其特征在于，信号调理电路(4)包括：增益可调电路和滤波器电路，
增益可调电路的偏置电压输入端作为信号调理电路(4)的偏置电压输入端，增益可调电路的差分电压输入端作为信号调理电路(4)的差分电压输入端，增益可调电路的增益输出端连接滤波器电路的增益输入端，滤波器电路的输出端作为信号调理电路(4)的单端电压输出端。
6.根据权利要求5所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，其特征在于，增益可调电路包括：AD8231芯片、电容CA1和电容CA2，
AD8231芯片的2和3号引脚为增益可调电路的差分电压输入端，AD8231芯片的9号引脚为增益可调电路的偏置电压输入端，AD8231芯片的10号引脚为增益可调电路的增益输出端，AD8231芯片的12和11号引脚分别连接正负电压源，AD8231芯片的5号引脚连接电源正极，电容CA1串联在AD8231芯片的12号引脚与电源地之间，电容CA2串联在AD8231芯片的11号引脚与电源地之间。
7.根据权利要求5或6所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，其特征在于，滤波器电路包括：放大器N1C、放大器N2C、电阻RA1～RA4和电容CA3～CA5，
电阻RA1的一端为滤波器电路的增益输入端，电阻RA1的另一端分别连接电容CA3的一端和放大器N1C的同相输入端，放大器N1C的输出端分别连接放大器N1C的反相输入端和电阻RA2的一端，电阻RA2的另一端分别连接电容CA5的一端和电阻RA3的一端，电阻RA3的另一端分别连接电容CA4的一端和放大器N2C的同相输入端，放大器N2C的输出端分别连接放大器N2C的反相输入端、电容CA5的另一端和电阻RA4的一端，电阻RA4的另一端为滤波器电路的输出端，电容CA3的另一端和电容CA4的另一端均连接电源地，
放大器N1C和放大器N2C均为轨对轨运算放大器ADA4096。
8.根据权利要求1所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，其特征在于，恒流源电路(5)包括：三极管电路底座MA1、放大器NA3、三极管电路、放大器N3、电容CI1～CI7、有极电容CI8、电阻RI1～RI8、电阻RL和电感LA1，
放大器NA3的3号引脚为恒流源电路(5)的电压输入端，放大器NA3的4号引脚分别连接电容CI1、CI2的一端和负电压源，放大器NA3的1号引脚分别连接放大器N3的输出端和反相输入端，放大器N3的电源正极分别连接电容CI3、CI4的一端和正电压源，放大器N3的同相输入端分别连接电阻RI1～RI8的一端和电阻RL的一端，电阻RL的另一端为恒流源电路(5)的电流输出端，
放大器NA3的5号引脚分别连接电阻RI1～RI8的另一端和三极管电路底座MA1的S端，放大器NA3的6号引脚连接三极管电路底座MA1的G端，放大器NA3的7号引脚分别连接电容CI5、CI6的一端和正电压源，三极管电路底座MA1的VCC端分别连接电容CI7的一端、有极电容CI8的正极、电感LA1的一端和正电压源，电感LA1的另一端连接正电压源，
电容CI1～CI7的另一端、放大器N3的电源负极、有极电容CI8的负极、放大器NA3的2号引脚均连接电源地，三极管电路插接在三极管电路底座MA1上，
放大器NA3为单位增益差动放大器AD8276。
9.根据权利要求8所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，其特征在于，三极管电路包括：三极管Q1、电阻RS1～RS5、电容C1和电容C2，
三极管Q1的基极插接在三极管电路底座MA1的G端，三极管Q1的发射极插接在三极管电路底座MA1的S端，三极管Q1的集电极分别连接电阻RS1～RS5的一端，电阻RS1～RS5的另一端同时连接电源正极，电容C1和电容C2的一端同时连接电源正极，电容C1和电容C2的另一端同时连接电源地。
10.根据权利要求1所述的一种高分辨率任意波形激光器驱动源，其特征在于，ARM处理器(1)通过网口电路与上位机建立数据连接。
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| CN202220872493.8U CN217008072U (zh) | 2022-04-15 | 2022-04-15 | 一种高分辨率任意波形激光器驱动源 |
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| CN202220872493.8U CN217008072U (zh) | 2022-04-15 | 2022-04-15 | 一种高分辨率任意波形激光器驱动源 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| WO2024031944A1 (zh) * | 2022-08-10 | 2024-02-15 | 山东大学 | 驱动可调谐激光器的自动锁相恒流源电路及方法 |
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2022
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