基于FPGA的高速EOM偏壓自控系統

摘? 要：針對偏振式電光調制器在工作時出現的工作點漂移問題，設計數字化偏壓自控軟硬件系統，使用高速FPGA監測鈮酸鋰晶體的入射及出射光信號強度并分析，當工作點發生漂移，可根據漂移程度快速調節驅動信號的相位差實現自動化自加自減步進調壓來實現對偏置電壓的高速控制，具有在線設置和修改參數，顯示以及通信功能。最終實驗結果表明，采用偏置電壓數字化自動控制技術可使電光調制器偏置電壓始終位于線性區的中點，以保證不失真調制。

關鍵詞：電光調制;數字移相;全橋開關;高精度調壓

中圖分類號：TN79;TP212? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0056-03

Abstract：Aiming at the problem of the working point drift of the polarization electro-optic modulator，a digital bias automatic control software and hardware system is designed. The high-speed FPGA is used to monitor the input and output light signal intensity of lithium niobate crystal and analyze it. When the working point drifts，the phase difference of the driving signal can be adjusted quickly according to the deviation degree to realize the automatic self adding and self reducing step-by-step voltage regulation to realize the bias electricity high speed control of pressure. It has the functions of online setting and modifying parameters，display and communication. The final experimental results show that the bias voltage of the electro-optic modulator is always at the midpoint of the linear region by adopting the digital automatic control technology of the bias voltage，so as to ensure the distortion free modulation.

Keywords：electro-optic modulation;digital phase shift;full bridge switch;high precision pressure regulating

0? 引? 言

電光效應在工程技術和科學研究中有許多重要應用，利用電場引起的折射率的改變可控制光波的相位、偏振態等特性，實現對光束的調制，可以做成快速傳遞信息的電光調制器。筆者基于山東華宇工學院科技計劃項目“多功能智能語音飲水機的研制”對電光調制技術展開研究，使用FPGA對直流偏壓進行控制，確保電光調制器工作在穩定區，旨在解決飲水系統對外界目標識別的精確度問題，目前該項目已申報德州市自主研發項目。

直流偏置電源是電光調制系統的主要部分，其性能的優劣將直接影響到整個系統的性能。隨著開關電源的發展，它將越來越多地用在電光調制中，其一是因為開關電源具有較高的性能指標，如輸出紋波系數小、功率因數高、效率高等;其二是開關電源具有比較完善的自我檢測和控制功能，能夠實現較高的智能化水平。由于傳統的直流偏置電源只是采用手動調電阻控制輸出的模式，這種方法精度很低，容易錯過電光調制器的最佳靜態工作點，并且缺少溫度漂移補償系統，當晶體自身溫度發生變化時，會使調制工作點發生漂移，導致電光調制結果不理想，故本文設計一種基于FPGA的數字化偏壓自控系統，該系統可以自動定位電光調制器偏置電壓始終位于線性區的中點電壓值，確保電光調制波形不失真，具有很高的應用價值。

1? LN晶體半波電壓檢測

當LN晶體施加的電場方向與通光方向垂直時稱為橫向電光調制，由于外電場的作用，其折射率會發生變化，導致出射光出現電光相位延遲的現象，當相位差為180°時，此處的電壓為半波電壓，反映了調制功率的大小，其數學模型為：

式中：L為晶體的長度，d為晶體在x方向的橫向尺寸，λ為激光的波長，n0為橫向電光調制晶體中o光方向的折射率，r22為LN晶體的電光效應系數。

LN晶體橫向電光調制輸出激光強度I和入射激光強度I0的函數關系為：

式中：δ是兩偏振光分量的相位差，當晶體所加電壓為半波電壓Vπ時，兩偏振光經過晶體產生λ/2的光程差，其相位差δ=π，此時透光率T=100%，當晶體施加電壓V=V0+Vmsinωt，V0為直流偏置電壓，它決定了晶體的最佳調制工作狀態，Vmsinωt為調制信號，則出射光強：

可以看出，調整V0或Vm，輸出晶體的輸出光強都會發生變化，通常偏置電壓V0選在晶體的半波電壓的1/2處，此處的晶體電光調制曲線近似直線，此時晶體的透光率為50%，稱為調制器的線性工作區，能夠使調制信號不失真。該控制系統采用光電探測器與AD結合作為光強監測模塊，采集激光器的出射光強與入射光強，將光強對應的電壓信號送與FPGA分析處理，通過專門的算法比較二者的關系來實時調節偏置電壓的大小，保證晶體50%的透光率，確保晶體工作在穩定的調制狀態。

2? 數字化EOM偏置電壓自控系統的設計與實現

2.1? LN晶體偏置電壓自動控制系統

本文采取LN晶體的橫向電光調制方法，起偏器方向與晶體的光軸平行，此時激光束通過晶體后不會有雙折射現象，減少了晶體自身因素帶來的影響。通過FPGA控制驅動電路自動給晶體施加電壓，通過光電探測器采集出射光強信號給FPGA與激光器入射光強信號作比較，時刻定位出射光強電壓與入射光強電壓比值1/2處，使晶體工作在最佳工作點，不受其他因素的干擾，系統如圖1所示。

2.2? 直流偏置驅動電路系統

直流驅動電路結構框圖如圖2所示，包括市電降壓整流電路、全橋驅動電路、高頻變壓器、高壓整流電路、FPGA控制電路、AD采樣和液晶顯示電路。

圖中，220 V的交流市電經過降壓變壓器和全波整流橋后，經過濾波變為標準直流電壓，該電壓作為全橋驅動電路的漏極電壓，并為驅動芯片供電。通過算法使FPGA產生兩路相位、頻率以及占空比連續可調的方波f1和f2，把這兩路方波通過全橋驅動電路模塊中的與非門邏輯芯片，便可以通過FPGA改變兩路方波之間的相位差來控制全橋驅動電路兩個橋臂的導通時間[1]，從而改變高頻變壓器初級線圈的磁通量，使次級線圈可以產生連續可控的高壓，通過后面的高壓高頻整流濾波電路后便可以產生高壓直流，經過采樣分壓電阻把輸出高壓采集到AD芯片，經過模數轉換后送到FPGA進行數據處理[2]，經過去噪聲、求平均等，把穩定的高壓值通過液晶顯示出來。

光強監測模塊由雙路AD轉換器組成，負責把激光器的入射光強電壓和出射光強電壓轉化為數字信號送與FPGA分析處理，如果二者的比值不是50%，FPGA就會自動調節f1和f2的相位，使偏置電壓發生變化，直到找到準確的偏置電壓為止。

該數字化自控系統的高壓產生電路是由74LS00與非門外加兩個半橋電路驅動芯片IR2104S共同組成的全橋驅動電路[3]，高壓產生電路如圖3所示。通過FPGA對f1和f2之間的相位進行數字化高精度調節來實現對電光晶體所需偏置電壓的控制。高壓整流部分采用了全波整流，選取了四個高頻高壓二極管2CL2FJ，此二極管可耐達15000 V的高壓，高頻特性好，正向導通壓降低，還具有優異的抗高壓浪涌電流放電沖擊的特點。高壓電容決定了輸出高壓是否平直，它的容值越大，濾波效果越顯著，本電路選取了1000 pF的超高壓聚泵乙烯電容CB81，可耐上萬伏的高壓，耐沖放電壽命長，高頻性能好，電感量小，充放電速度快。

3? 基于FPGA的調相控壓算法的實現

該系統以FPGA為控制核心，以移相全橋開關電源為控制對象，對晶體施加的直流偏置電壓進行自動化調控，通過光電探測器采集出射光強信號，把光強信號轉化為電壓信號送給FPGA處理，通過計算激光器入射光反饋電壓和出射光的光強電壓之間的對應關系，尋找到透光率為50%的電壓值，從而連續準確定位偏置電壓，使電光晶體的偏置電壓不受環境因素的影響，工作在最佳線性調制狀態，克服了以往手動調節的誤差及視覺誤差等影響。

該系統通過FPGA調節兩路方波f1和f2的相位來控制輸出電壓，必須要有一個可靠的相位調控算法才能實現高精度的調節功能，借助于FPGA自帶的快速精確的計數功能，選擇了通過計數器實現對兩路方波之間的相位進行控制，此方法精度很高，非常實用，我們只需要定義兩個計數器[4]，通過改變相位控制字便可以對兩路高頻方波進行相位調控，精度可達毫伏。

相位調控算法（部分）如下所示：

wire? phase0=x;//把相位控制字定義為一個變量

assign phase=429496*phase0;//每次移相x/10000，實現高精度控制

4? 實驗

系統采用自帶光強反饋的激光器，對LN電光調制晶體進行了橫向電光相位調制[5]，圖4為鈮酸鋰晶體的激光調制輸出波形。

實驗表明，LN電光調制器的輸出波形非常穩定，說明晶體的偏置電壓非常理想，使晶體工作在穩定的線性狀態，可滿足實際工程要求。

5? 結? 論

系統通過數字化控相調壓的方式，設計了基于FPGA的EOM偏壓自控系統，對電光調制器的直流偏置高壓進行準確控制，使電光調制器偏置電壓始終位于線性區的中點電壓值，確保電光調制器工作在不失真狀態。與傳統的手動調偏置電壓的模式相比，該偏置電壓自控系統具有方便快捷、智能化、準確性及穩定性高等優點。最終實驗表明，在電光調制器工作的較長時間內，調制信號穩定且不失真，很好地滿足了實驗要求，對當前電光技術的應用具有重要意義。

參考文獻：

[1] 黃濟青，黃小軍.通信高頻開關電源 [M].北京：機械工業出版社，2004.

[2] 丁志剛，胡育文.ZVS DC/DC全橋變換器的研究 [J].電力電子技術，2003（3）：39-42.

[3] 陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應用 [M].北京：機械工業出版社，1998.

[4] 夏宇聞.Verilog數字系統設計教程 [M].北京：航空航天大學出版社，2017.

[5] 歐仁俠.電光調制器及其驅動技術研究 [D].長春：長春理工大學，2008.

作者簡介：高天學（1991-），男，漢族，山東濟南人，碩士研究生，主要研究方向：射頻信號的獲取與處理。