【導讀】本文設計了一種半導體激光器驅動電路，重點介紹了利用FPGA 實現(xiàn)DDS 的方法。利用QuartusII 軟件進行在線仿真，減少了后期進行綜合試驗的錯誤率。在完成系統(tǒng)的核心部分設計之后，對硬件電路的設計進行了詳細的討論，感興趣的童鞋可以瞧瞧！
利用波長調(diào)制光譜技術測量氣體濃度，需要使用波長可調(diào)諧的激光器，分布反饋式（Distributed Feed Back， DFB）激光器是可選的一種光源。本文介紹了用于波長調(diào)制光譜技術的激光器驅動電路的設計。由于波長與驅動電流有確定的依賴關系，研究半導體激光器的電流驅動是很有必要的，本文設計的壓控恒流源可實現(xiàn)對激光器的恒流驅動。通過直接頻率合成技術（Direct DigitalSynthesis，DDS）產(chǎn)生的正弦信號和三角信號可以對激光器的波長進行微調(diào)，實現(xiàn)了對DFB 半導體激光器的波長調(diào)制和波長掃描。
基于FPGA 技術實現(xiàn)DDS 主體部分的設計
DDS 是以奈奎斯特采樣定理為基礎，通過控制相位的增加量，最終合成不同頻率的波形信號。由DDS 基本原理可知，f=Kf0/2N.其中，f0 是系統(tǒng)時鐘的頻率，N 為相位寄存器的字長，K 是頻率控制字。由此可知，輸出頻率f 的大小由N 和K 的大小決定。
DSS 基本結構框圖如圖1 所示，它包括頻率控制字。相位控制字。加法器。寄存器。波形存儲器。DAC 等模塊。本設計以正弦信號產(chǎn)生為例，采用層次結構，使用VHDL 語言進行程序編寫，并利用A1tera 公司的QuartusII 軟件對各部分模塊的代碼進行編譯和仿真，仿真結果如圖2 所示。
加法器電路
DDS 產(chǎn)生的兩路信號需要加法器進行疊加。加法器的核心器件是運算放大器。本系統(tǒng)采用同向加法電路，如下圖3 所示。
壓控恒流源電路設計
本系統(tǒng)設計了壓控恒流源，它主要是利用電壓負反饋的原理制作而成的，它由運算放大器OP07 N 溝道增強型場效應管。采樣電阻和二極管等組成，原理圖如圖4 所示：
根據(jù)場效應管的工作原理可知，當該電路正常工作時候，流過激光器的電流Ilaser 等于流過電阻R23 的電流IR23.
為了保證電路在動態(tài)的過程中保持激光器電流的穩(wěn)定性，電容與運放并聯(lián)，形成積分電路，作用是給予阻尼，防止電路震蕩。與激光器并聯(lián)的反向二極管是起分流作用，防止浪涌擊穿激光器，保護激光器。
本文設計了一種半導體激光器驅動電路，重點介紹了利用FPGA 實現(xiàn)DDS 的方法。利用QuartusII 軟件進行在線仿真，減少了后期進行綜合試驗的錯誤率。在完成系統(tǒng)的核心部分設計之后，對硬件電路的設計進行了詳細的討論，包括加法器和壓控恒流源的設計等。該驅動電路全程設計數(shù)字化，可以很方便的應用到激光器驅動和氣體檢測中，具有一定的參考意義。DDS 系統(tǒng)模塊測試本系統(tǒng)采用A1tera 公司CycloneII 系列的EP2C8Q208C8N(＄23.3400) 型芯片，總邏輯單元達8256 個，I/O 引腳為138 個，該芯片具有強大的硬件邏輯功能。將DDS 信號源設計文件在線編譯下到FPGA 最小系統(tǒng)板上，再通過DAC 轉換器，最終得到了輸出頻率為20k Hz 的正弦波形，其用來進行DFB 激光器的調(diào)制，如圖3 所示。
為了提高激光器驅動電路的性能，設計了一款低成本。數(shù)字化的激光器驅動電路，包括波長調(diào)制電路，波長掃描電路，加法器電路以及壓控恒流源電路。利用現(xiàn)場可編程門陣列生成的直接頻率合成器可以產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波和三角波，并利用QuartusII 軟件進行在線仿真和調(diào)試。然后利用加法電路進行疊加，并將其輸出信號與恒流驅動整合到一起，完成對分布反饋式激光器的驅動。最后，進行了模擬實驗研究，結果表明該驅動電路具有較高的穩(wěn)定性。
