基于FPGA的高速EOM偏压自控系统

摘  要：针对偏振式电光调制器在工作时出现的工作点漂移问题，设计数字化偏压自控软硬件系统，使用高速FPGA监测铌酸锂晶体的入射及出射光信号强度并分析，当工作点发生漂移，可根据漂移程度快速调节驱动信号的相位差实现自动化自加自减步进调压来实现对偏置电压的高速控制，具有在线设置和修改参数，显示以及通信功能。最终实验结果表明，采用偏置电压数字化自动控制技术可使电光调制器偏置电压始终位于线性区的中点，以保证不失真调制。

关键词：电光调制;数字移相;全桥开关;高精度调压

中图分类号：TN79;TP212      文献标识码：A 文章编号：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

電光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，利用电场引起的折射率的改变可控制光波的相位、偏振态等特性，实现对光束的调制，可以做成快速传递信息的电光调制器。笔者基于山东华宇工学院科技计划项目“多功能智能语音饮水机的研制”对电光调制技术展开研究，使用FPGA对直流偏压进行控制，确保电光调制器工作在稳定区，旨在解决饮水系统对外界目标识别的精确度问题，目前该项目已申报德州市自主研发项目。

直流偏置电源是电光调制系统的主要部分，其性能的优劣将直接影响到整个系统的性能。随着开关电源的发展，它将越来越多地用在电光调制中，其一是因为开关电源具有较高的性能指标，如输出纹波系数小、功率因数高、效率高等;其二是开关电源具有比较完善的自我检测和控制功能，能够实现较高的智能化水平。由于传统的直流偏置电源只是采用手动调电阻控制输出的模式，这种方法精度很低，容易错过电光调制器的最佳静态工作点，并且缺少温度漂移补偿系统，当晶体自身温度发生变化时，会使调制工作点发生漂移，导致电光调制结果不理想，故本文设计一种基于FPGA的数字化偏压自控系统，该系统可以自动定位电光调制器偏置电压始终位于线性区的中点电压值，确保电光调制波形不失真，具有很高的应用价值。

1  LN晶体半波电压检测

当LN晶体施加的电场方向与通光方向垂直时称为横向电光调制，由于外电场的作用，其折射率会发生变化，导致出射光出现电光相位延迟的现象，当相位差为180°时，此处的电压为半波电压，反映了调制功率的大小，其数学模型为：

式中：L为晶体的长度，d为晶体在x方向的横向尺寸，λ为激光的波长，n0为横向电光调制晶体中o光方向的折射率，r22为LN晶体的电光效应系数。

LN晶体横向电光调制输出激光强度I和入射激光强度I0的函数关系为：

式中：δ是两偏振光分量的相位差，当晶体所加电压为半波电压Vπ时，两偏振光经过晶体产生λ/2的光程差，其相位差δ=π，此时透光率T=100%，当晶体施加电压V=V0+Vmsinωt，V0为直流偏置电压，它决定了晶体的最佳调制工作状态，Vmsinωt为调制信号，则出射光强：

可以看出，调整V0或Vm，输出晶体的输出光强都会发生变化，通常偏置电压V0选在晶体的半波电压的1/2处，此处的晶体电光调制曲线近似直线，此时晶体的透光率为50%，称为调制器的线性工作区，能够使调制信号不失真。该控制系统采用光电探测器与AD结合作为光强监测模块，采集激光器的出射光强与入射光强，将光强对应的电压信号送与FPGA分析处理，通过专门的算法比较二者的关系来实时调节偏置电压的大小，保证晶体50%的透光率，确保晶体工作在稳定的调制状态。

2  数字化EOM偏置电压自控系统的设计与实现

2.1  LN晶体偏置电压自动控制系统

本文采取LN晶体的横向电光调制方法，起偏器方向与晶体的光轴平行，此时激光束通过晶体后不会有双折射现象，减少了晶体自身因素带来的影响。通过FPGA控制驱动电路自动给晶体施加电压，通过光电探测器采集出射光强信号给FPGA与激光器入射光强信号作比较，时刻定位出射光强电压与入射光强电压比值1/2处，使晶体工作在最佳工作点，不受其他因素的干扰，系统如图1所示。

2.2  直流偏置驱动电路系统

直流驱动电路结构框图如图2所示，包括市电降压整流电路、全桥驱动电路、高频变压器、高压整流电路、FPGA控制电路、AD采样和液晶显示电路。

图中，220 V的交流市电经过降压变压器和全波整流桥后，经过滤波变为标准直流电压，该电压作为全桥驱动电路的漏极电压，并为驱动芯片供电。通过算法使FPGA产生两路相位、频率以及占空比连续可调的方波f1和f2，把这两路方波通过全桥驱动电路模块中的与非门逻辑芯片，便可以通过FPGA改变两路方波之间的相位差来控制全桥驱动电路两个桥臂的导通时间[1]，从而改变高频变压器初级线圈的磁通量，使次级线圈可以产生连续可控的高压，通过后面的高压高频整流滤波电路后便可以产生高压直流，经过采样分压电阻把输出高压采集到AD芯片，经过模数转换后送到FPGA进行数据处理[2]，经过去噪声、求平均等，把稳定的高压值通过液晶显示出来。

光强监测模块由双路AD转换器组成，负责把激光器的入射光强电压和出射光强电压转化为数字信号送与FPGA分析处理，如果二者的比值不是50%，FPGA就会自动调节f1和f2的相位，使偏置电压发生变化，直到找到准确的偏置电压为止。

该数字化自控系统的高压产生电路是由74LS00与非门外加两个半桥电路驱动芯片IR2104S共同组成的全桥驱动电路[3]，高压产生电路如图3所示。通过FPGA对f1和f2之间的相位进行数字化高精度调节来实现对电光晶体所需偏置电压的控制。高压整流部分采用了全波整流，选取了四个高频高压二极管2CL2FJ，此二极管可耐达15000 V的高压，高频特性好，正向导通压降低，还具有优异的抗高压浪涌电流放电冲击的特点。高压电容决定了输出高压是否平直，它的容值越大，滤波效果越显著，本电路选取了1000 pF的超高压聚泵乙烯电容CB81，可耐上万伏的高压，耐冲放电寿命长，高频性能好，电感量小，充放电速度快。

3  基于FPGA的调相控压算法的实现

该系统以FPGA为控制核心，以移相全桥开关电源为控制对象，对晶体施加的直流偏置电压进行自动化调控，通过光电探测器采集出射光强信号，把光强信号转化为电压信号送给FPGA处理，通过计算激光器入射光反馈电压和出射光的光強电压之间的对应关系，寻找到透光率为50%的电压值，从而连续准确定位偏置电压，使电光晶体的偏置电压不受环境因素的影响，工作在最佳线性调制状态，克服了以往手动调节的误差及视觉误差等影响。

该系统通过FPGA调节两路方波f1和f2的相位来控制输出电压，必须要有一个可靠的相位调控算法才能实现高精度的调节功能，借助于FPGA自带的快速精确的计数功能，选择了通过计数器实现对两路方波之间的相位进行控制，此方法精度很高，非常实用，我们只需要定义两个计数器[4]，通过改变相位控制字便可以对两路高频方波进行相位调控，精度可达毫伏。

相位调控算法（部分）如下所示：

wire  phase0=x;//把相位控制字定义为一个变量

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

4  实验

系统采用自带光强反馈的激光器，对LN电光调制晶体进行了横向电光相位调制[5]，图4为铌酸锂晶体的激光调制输出波形。

实验表明，LN电光调制器的输出波形非常稳定，说明晶体的偏置电压非常理想，使晶体工作在稳定的线性状态，可满足实际工程要求。

5  结  论

系统通过数字化控相调压的方式，设计了基于FPGA的EOM偏压自控系统，对电光调制器的直流偏置高压进行准确控制，使电光调制器偏置电压始终位于线性区的中点电压值，确保电光调制器工作在不失真状态。与传统的手动调偏置电压的模式相比，该偏置电压自控系统具有方便快捷、智能化、准确性及稳定性高等优点。最终实验表明，在电光调制器工作的较长时间内，调制信号稳定且不失真，很好地满足了实验要求，对当前电光技术的应用具有重要意义。

参考文献：

[1] 黄济青，黄小军.通信高频开关电源 [M].北京：机械工业出版社，2004.

[2] 丁志刚，胡育文.ZVS DC/DC全桥变换器的研究 [J].电力电子技术，2003（3）：39-42.

[3] 陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用 [M].北京：机械工业出版社，1998.

[4] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程 [M].北京：航空航天大学出版社，2017.

[5] 欧仁侠.电光调制器及其驱动技术研究 [D].长春：长春理工大学，2008.

作者简介：高天学（1991-），男，汉族，山东济南人，硕士研究生，主要研究方向：射频信号的获取与处理。