吳偉偉，余有龍，李勛濤，吳文斌

(1.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥 230009;2.德賽電子科技有限公司研發(fā)中心，廣東惠州 516029;3.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院北京綜建科技有限公司，北京 100007)

法布里－珀羅濾波器的鋸齒波驅(qū)動(dòng)技術(shù)

吳偉偉1，余有龍1，李勛濤2，吳文斌3

(1.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥 230009;2.德賽電子科技有限公司研發(fā)中心，廣東惠州 516029;3.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院北京綜建科技有限公司，北京 100007)

分析了可調(diào)法布里－珀羅濾波器的工作原理，設(shè)計(jì)了掃描濾波的驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)驗(yàn)中由數(shù)字電路產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)，并借助模擬電路進(jìn)行功率放大，獲得上升沿占空比達(dá)到99.90%的輸出。其頻率在0～50 Hz范圍內(nèi)可調(diào)，驅(qū)動(dòng)電壓的幅值和偏置電壓均可在0～30 V范圍內(nèi)調(diào)整。為便于后續(xù)信號(hào)的采集和尋峰，在單個(gè)自由光譜程范圍內(nèi)，利用3次曲線擬合方式對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行修正，波長(zhǎng)調(diào)諧的標(biāo)準(zhǔn)差分別降低62.7%、最大誤差分別降低80.1%。

法布里－珀羅濾波器;鋸齒波;嵌入式;非線性

波長(zhǎng)編碼的光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，一直受到人們的青睞［1－4］。其信號(hào)解調(diào)大致可分為濾波法［5］、干涉法［6］和色散法［7］。其中濾波法多利用可調(diào)法布里－珀羅(F－P)濾波器，通過(guò)其對(duì)透過(guò)波長(zhǎng)的選擇［8］，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感光柵的波長(zhǎng)掃描。而F－P濾波器透過(guò)波長(zhǎng)的變化，是借助壓電陶瓷(PZT)的電致伸縮效應(yīng)，通過(guò)對(duì)腔長(zhǎng)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。該濾波器的驅(qū)動(dòng)方式主要有三角波驅(qū)動(dòng)法［9］和鋸齒波驅(qū)動(dòng)法［10］兩種。前者存在以下不足:(1)一般使用模擬電路產(chǎn)生波形存在著精度不高和頻率調(diào)節(jié)不精確的缺點(diǎn)。(2)波形的上升和下降沿都會(huì)有反射信號(hào)透射，增加了后續(xù)電路處理的難度。(3)對(duì)于容性負(fù)載，易產(chǎn)生失真。而后者上升沿部分采集到的是低頻信號(hào)，下降沿部分采集到的是高頻信號(hào)，引入低通濾波器容易將高頻信號(hào)濾除，這樣便于后續(xù)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和峰值提取。

設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)基于嵌入式處理器(ARM)的頻率、幅值均可調(diào)的鋸齒波驅(qū)動(dòng)電路。針對(duì)F－P可調(diào)諧濾波器的非線性特性，在單個(gè)自由光譜程(FSR)范圍以內(nèi)進(jìn)行了非線性修正，降低了系統(tǒng)的誤差。

1 原理分析

可調(diào)諧F－P濾波器是由兩個(gè)高度平行的高反射率的反射鏡構(gòu)成。一個(gè)反射鏡位置固定，另一個(gè)反射鏡的背面貼有壓電陶瓷(PZT)。PZT的驅(qū)動(dòng)電壓是時(shí)間t的函數(shù)，記為V(t)，導(dǎo)致伸縮引起兩鏡構(gòu)成腔的長(zhǎng)度 L發(fā)生變化，表示成［11］

其中，L0為原始腔長(zhǎng);ΔL(t)為PZT伸縮引起的腔長(zhǎng)微擾;PZT的磁滯和蠕變效應(yīng)，使得ΔL(t)與驅(qū)動(dòng)電壓間呈非線性變化關(guān)系［12］。用周期為T(mén)的鋸齒波掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)PZT，ΔL(t)與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系可表示成［13］

根據(jù)文獻(xiàn)［14］，透過(guò)波長(zhǎng)與電壓依賴關(guān)系為

其中，i表示干涉的級(jí)數(shù);n表示腔中介質(zhì)的折射率;A、B、C、D分別表示系數(shù)常量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于嵌入式處理器的F－P濾波器控制器主要由波形產(chǎn)生電路、信號(hào)處理電路、串口通訊電路及電源管理電路組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)電路框圖

2.1 波形產(chǎn)生電路

針對(duì)模擬驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不足，采用數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)。其數(shù)字信號(hào)由主頻達(dá)到72 MHz的嵌入式ARM處理器STM32F103C8產(chǎn)生，避免了電容充放電帶來(lái)的延時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)頻率的控制更準(zhǔn)確。選用16位高精度芯片AD5660來(lái)執(zhí)行數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，有利于提高鋸齒波信號(hào)的平滑度和精確度。所用ARM芯片具有快速的響應(yīng)速度，可將鋸齒波的下降沿降至ns量級(jí)。波形產(chǎn)生電路與放大電路原理框圖如圖2所示。波形產(chǎn)生電路如圖3所示。

圖2 原理框圖

圖3 信號(hào)發(fā)生電路

2.2 提高F－P濾波器控制器驅(qū)動(dòng)能力

由于PZT為容性負(fù)載，F(xiàn)－P濾波器的阻抗較大，若驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力不足，輸出波形會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。在保證驅(qū)動(dòng)大負(fù)載的同時(shí)輸出電壓要穩(wěn)定，必須提高它的輸出功率。選擇輸出電壓最大可達(dá)40 V，輸出電流最高可達(dá)50 mA的OPA452芯片，結(jié)合由NPN型和PNP型三極管構(gòu)成的推挽式功率放大電路，對(duì)前述鋸齒波信號(hào)進(jìn)行功率放大，如圖4所示，獲得電流可達(dá)3 A的驅(qū)動(dòng)輸出。

圖4 放大電路

驅(qū)動(dòng)器輸出電壓在0～30 V;頻率在0～50 Hz;偏置在0～30 V連續(xù)可調(diào)。通過(guò)示波器觀察鋸齒波頻率為10 Hz，上升沿的占空比達(dá)99.90%的波形如圖5所示。輸出波形穩(wěn)定，在驅(qū)動(dòng)F－P濾波器以后，電壓輸出正常，達(dá)到最大3 A的電流輸出。

圖5 輸出電壓

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，寬帶光源LED發(fā)出的光波，經(jīng)傳感光柵陣列反射后，由3 dB耦合器耦合至由上述電路驅(qū)動(dòng)的可調(diào)濾波器，其輸出用光纖光譜儀觀察，而放大后的鋸齒波信號(hào)由示波器監(jiān)測(cè)。隨著驅(qū)動(dòng)信號(hào)的改變，當(dāng)濾波器透過(guò)波長(zhǎng)與傳感陣列中某一傳感元的布喇格波長(zhǎng)一致時(shí)，光譜儀能夠接收并可能觀測(cè)到較強(qiáng)的輸出譜。所用光源的波長(zhǎng)范圍為1 410～1 610 nm，可調(diào)濾波器在1 550 nm通信窗口的自由光譜程為94 nm，3 dB帶寬為90.6 pm，單自由光譜程調(diào)節(jié)所需電壓為18 V。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

3.2 F－P濾波驅(qū)動(dòng)器非線性修正

設(shè)置直流電平為9 V，在單自由光譜程范圍內(nèi)，手動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的幅值，觀測(cè)濾波器的透過(guò)波長(zhǎng)，圖7為兩者的實(shí)驗(yàn)關(guān)系?？梢?jiàn)透過(guò)波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電壓間呈明顯的非線性關(guān)系，這主要是F－P濾波器的腔長(zhǎng)變化與其驅(qū)動(dòng)電壓間的非線性關(guān)系所致。根據(jù)原理中驅(qū)動(dòng)電壓與輸出波長(zhǎng)成三次曲線關(guān)系對(duì)圖7的曲線進(jìn)行擬合，表達(dá)式為

其中，λ表示透過(guò)波長(zhǎng);V表示F－P濾波器的驅(qū)動(dòng)電壓。

圖7 驅(qū)動(dòng)電壓與F－P濾波器透過(guò)波長(zhǎng)關(guān)系曲線

對(duì)F－P可濾波器進(jìn)行非線性修正是為了使驅(qū)動(dòng)電壓連續(xù)變化時(shí)，可以讓透射的波長(zhǎng)等間距改變。利用式(4)對(duì)F－P可調(diào)諧濾波器進(jìn)行非線性修正，分別計(jì)算出在一個(gè)FSR范圍內(nèi)透過(guò)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓。將電壓數(shù)據(jù)做成表格的形式存入ARM內(nèi)部，使用C語(yǔ)言的查表方式對(duì)ARM的電壓輸出進(jìn)行調(diào)整。這樣，可以一定程度上起到非線性修正的效果。利用線性擬合方式分別擬合修正之間的電壓與波長(zhǎng)之間關(guān)系曲線以及修正后的電壓與波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線。圖8為修正前后的實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖，其中A表示擬合前的數(shù)據(jù)，B表示擬合后的數(shù)據(jù)。圖8中修正前的線性擬合曲線，標(biāo)準(zhǔn)差是3.786 66，最大誤差值為6.783 45;修正后的線性擬合曲線，標(biāo)準(zhǔn)差是1.413 33，最大誤差值為1.346 84。采用修正后的電壓驅(qū)動(dòng)F－P濾波器，標(biāo)準(zhǔn)差分別降低62.7%，最大誤差分別降低80.1%，非線性特性有了明顯改善。

圖8 修正對(duì)比曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

利用嵌入式處理器與D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5660結(jié)合產(chǎn)生鋸齒波，采用高電壓高電流運(yùn)放提升電壓幅值和功率。輸出波形上升沿占空比達(dá)99.90%，幅值和偏置在0～30 V之間可調(diào)，輸出最大可達(dá)3 A的電流，輸出的鋸齒波驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)，且驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)波形不會(huì)產(chǎn)生變化。采用3次曲線擬合方式對(duì)F－P濾波器的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行了非線性修正，標(biāo)準(zhǔn)差降低62.7%，最大誤差分別降低80.1%。比市場(chǎng)上傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)F－P濾波器的控制器更能滿足解調(diào)儀的需求。

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The Drive Technology of Sawtooth Wave for Fabry-Perot Filter

WU Weiwei1，YU Youlong1，LI Xuntao2，WU Wenbin3
(1.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering，Heifei University of Technology，Hefei 230009，China;2.R＆D Center，DESAY Electronics，Huizhou 516029，China;3.Beijing Comprehensive Construction Company Limited，China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying，Beijing 100007，China)

The working principle of the tunable Fabry-Perot(F-P)filter is analyzed，and the driving circuit of the filter is designed.In the experiment，a sawtooth wave is obtained by using a digital circuit，which is amplified by an analog circuit.Thus the duty cycle of the rising edge of the sawtooth wave can amount to 99.90%.And its frequency can be adjusted from 0 to 50 Hz.Both the amplitude of the output voltage and offset can be adjusted from 0 V to 30 V.To sample and search the signal and peak more easily，the applied voltage is rectified by using the cubic fitting algorithm in a free spectral range.Experiment results show that the standard error and the maximum error of the tuning wavelength are reduced by 62.7%and 80.1%，respectively.

F-P filter;sawtooth wave;embedded;nonlinear

TN253

A

1007－7820(2012)08－016－05

2012-03-07

吳偉偉(1986—)，女，碩士研究生。研究方向:光纖光柵傳感，電子電路。