基于光纖布里（測(cè)量系統(tǒng)的脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

趙愛玲，王秀欣，李道良

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司洛陽(yáng)供電公司，河南洛陽(yáng) 471000）

基于光纖布里（測(cè)量系統(tǒng)的脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

趙愛玲，王秀欣，李道良

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司洛陽(yáng)供電公司，河南洛陽(yáng) 471000）

該設(shè)計(jì)是為分布型光纖布里（測(cè)量系統(tǒng)中的電光調(diào)制器提供一個(gè)激勵(lì)源，包括數(shù)控脈沖系統(tǒng)和自動(dòng)偏壓系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)在對(duì)測(cè)量系統(tǒng)認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上，制定了基于SOPC的實(shí)現(xiàn)方案，并分別對(duì)數(shù)控脈沖發(fā)生系統(tǒng)和自動(dòng)偏壓系統(tǒng)的硬件電路、軟件設(shè)計(jì)，最終成功實(shí)現(xiàn)了作為電光調(diào)制器激勵(lì)源的設(shè)計(jì)。

脈沖發(fā)生器；自動(dòng)偏壓控制；SOPC；N iosII

1 引言

該設(shè)計(jì)是為分布型光纖布里（測(cè)量系統(tǒng)中的電光調(diào)制器提供一個(gè)激勵(lì)源。在測(cè)量布里（散射信號(hào)時(shí)，由窄譜激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合器輸出，一部分光作為本振光，另一部分光通過由脈沖發(fā)生器激勵(lì)的電光調(diào)制器（Electro-Optic Modulator，EOM）調(diào)制成脈沖光。光在傳播時(shí)產(chǎn)生的散射光經(jīng)環(huán)形器輸出，在光電檢測(cè)器上與本振光進(jìn)行相干檢測(cè)，將布里（散射信號(hào)變換為電信號(hào)，通過分析電信號(hào)頻譜的方法同時(shí)得到布里（散射信號(hào)的強(qiáng)度和頻移。

2 整體系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)所實(shí)現(xiàn)的功能，可以分為兩部分：高速脈沖發(fā)生源及其控制系統(tǒng)部分；偏壓產(chǎn)生及自動(dòng)偏壓控制系統(tǒng)部分，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

3 功能結(jié)構(gòu)

3.1 高速脈沖發(fā)生源

高速脈沖發(fā)生源使用硬件描述語(yǔ)言在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)，它的主要功能是產(chǎn)生一個(gè)周期和脈寬可變的脈沖波。通過改變計(jì)數(shù)器的上限值來改變周期，通過改變電平翻轉(zhuǎn)的閾值來改變脈寬。由FPGA產(chǎn)生的脈沖電壓幅度為3.3 V，之后使用高速、高轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)算放大器把脈沖幅度放大，作為輸入電光調(diào)制器的電脈沖。

脈沖發(fā)生源所用的時(shí)鐘，是使用FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)將外部50 MHz有源晶振進(jìn)行4倍頻后產(chǎn)生的200 MHz時(shí)鐘。EP1C6Q240C8內(nèi)部集成了2個(gè)可編程鎖相環(huán)，可以提供高性能的時(shí)鐘管理能力，如頻率合成、可編程移相、片外時(shí)鐘輸出、可編程占空比、失鎖檢測(cè)以及高速差分時(shí)鐘信號(hào)的輸入和輸出等。與直接來自片外的時(shí)鐘相比，通過鎖相環(huán)輸出的片內(nèi)時(shí)鐘可以減少時(shí)鐘延時(shí)和時(shí)鐘變形，減少片內(nèi)干擾，可以改善時(shí)鐘的建立時(shí)間和保持時(shí)間。

3.2 脈沖控制系統(tǒng)

作為一個(gè)數(shù)控的脈沖源，脈沖的頻率及脈寬由用戶通過FPGA中嵌入的Nios IICPU所提供的人機(jī)接口進(jìn)行指定，用戶將所需的脈沖頻率及脈寬輸入到Nios IICPU，CPU會(huì)將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖發(fā)生器中計(jì)數(shù)器的上限值和電平翻轉(zhuǎn)的閾值控制脈沖的產(chǎn)生。

脈沖發(fā)生器控制系統(tǒng)以Nios IICPU核為核心，添加了片上ROM作程序存儲(chǔ)器，片上RAM作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，添加了若干PIO模塊提供外設(shè)接口，控制鍵盤、液晶和脈沖發(fā)生器。系統(tǒng)時(shí)鐘由外部50MHz有源時(shí)鐘經(jīng)PLL鎖相環(huán)分為兩路，一路二分頻，為Nios IICPU提供25MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，另一路四倍頻，為脈沖發(fā)生器提供200MHz脈沖源時(shí)鐘，系統(tǒng)內(nèi)各IP模塊通過Avalon交換結(jié)構(gòu)總線連接。如圖2所示。

圖2 脈沖控制暈隕韻雜隕隕系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

基本從端口傳輸由Avalon總線模塊發(fā)起，然后從端口向Avalon總線模塊傳輸一個(gè)單元的數(shù)據(jù)。

3.3 偏壓產(chǎn)生及自動(dòng)偏壓控制

偏壓是疊加在調(diào)制電壓上的控制電壓，通過對(duì)偏壓的控制可以使電光調(diào)制器穩(wěn)定的工作。為了方便控制且保證自動(dòng)偏壓中數(shù)據(jù)采集的速度，系統(tǒng)為偏壓產(chǎn)生及偏壓控制部分添加了另一個(gè)專用Nios IICPU，與脈沖控制系統(tǒng)一起，構(gòu)成雙CPU系統(tǒng)，兩個(gè)CPU分別對(duì)脈沖發(fā)生源和自動(dòng)偏壓進(jìn)行控制，這是本設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。偏壓產(chǎn)生及自動(dòng)偏壓控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)偏壓控制暈隕韻雜隕隕系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

偏壓的產(chǎn)生是利用12位D/A芯片MAX5120設(shè)計(jì)高精度數(shù)控穩(wěn)壓源實(shí)現(xiàn)的。通過Nios IICPU產(chǎn)生一個(gè)12位數(shù)字信號(hào)，輸入到D/A芯片，由MAX5120將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，為電光調(diào)制器提供偏壓。由于MAX5120的最大輸出電壓為4.095 V，所以在信號(hào)輸入電光調(diào)制器之前，用一級(jí)運(yùn)放作驅(qū)動(dòng)，放大后的信號(hào)作為電光調(diào)制器的偏壓輸入。

偏壓的自動(dòng)控制是Nios IICPU對(duì)電光調(diào)制器偏壓的一種閉環(huán)負(fù)反饋的調(diào)節(jié)，它通過對(duì)電光調(diào)制器輸出光的檢測(cè)，控制數(shù)控電壓源產(chǎn)生適當(dāng)?shù)钠珘海瑸殡姽庹{(diào)制器提供一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，從而保證了整體測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)集脈沖發(fā)生器和自動(dòng)偏壓控制于一體，實(shí)現(xiàn)了為電光調(diào)制器提供激勵(lì)源的目的；采用了雙CPU分別控制數(shù)控脈沖發(fā)生系統(tǒng)和自動(dòng)偏壓系統(tǒng)；采用直流模式加預(yù)判斷的方法解決了對(duì)電光調(diào)制器工作點(diǎn)漂移的檢測(cè)；采用FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)，將時(shí)鐘分為高頻的脈沖發(fā)生器時(shí)鐘和低頻的控制系統(tǒng)時(shí)鐘分開，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且降低了因外部晶振頻率太高帶來的干擾；采用高精度的ADC和DAC做偏壓的產(chǎn)生和信號(hào)檢測(cè)，能將電光調(diào)制器的消光比控制在-30dB以上。最終完成了作為電光調(diào)制器激勵(lì)源的最窄10ns以5ns為步進(jìn)可調(diào)的脈沖設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

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［2］宋牟平.微波電光調(diào)制的布里（散射分布型光纖傳感技術(shù)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（8）：1111-1114.

［3］劉迪仁，宋牟平，章獻(xiàn)民，等.基于連續(xù)光抽運(yùn)的布里（光時(shí)域分析儀新技術(shù).光學(xué)儀器，2005-06，27（3）：70-74.

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10.3969/j.issn.1673-0194.2015.19.072

F273.1

A

1673-0194（2015）19-0127-02

2015-08-13