現(xiàn)代電路與系統(tǒng)論文可調(diào)光源驅(qū)動設(shè)計

1、學(xué)號1049721202900課程名稱：現(xiàn)代電路與系統(tǒng)學(xué) 院：信息工程學(xué)院專 業(yè)：電子與通信工程班 級：信研1203姓 名：楊順生指導(dǎo)老師：婁平2013年6月11日摘 要本文的設(shè)計內(nèi)容是基于一個光纖傳感項目，主要是光源驅(qū)動的設(shè)計，設(shè)計中涉及數(shù)字頻率合成器、程控電壓放大器、壓控電流源、溫度補償電路以及負(fù)載熱插拔檢測電路的設(shè)計，并對程控電路有了新的認(rèn)識。通過理論分析、波形仿真和實際電路的搭建，深入理解了系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)思想。同時對基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的波形發(fā)生器的輸出特性進(jìn)行了分析，對輸出波形頻率帶寬，頻率分辨率進(jìn)行了討論，并在ISE中進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計，并在Modelsim中進(jìn)行了仿真，并對數(shù)模轉(zhuǎn)

2、換器件參數(shù)及性能作了一定的認(rèn)識。最后，本文基于光源驅(qū)動的性能優(yōu)點上對今后實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵字：數(shù)字頻率合成器，程控電路，壓控電流源，光源驅(qū)動AbstractThis design is based on a project associated with optical fiber sensing, mainly light-driven design, the design involves digital frequency synthesizer, programmable voltage amplifier, voltage-controlled current source,

3、temperature compensation circuit and a load hot plug detect circuit design brought a new understanding of programmable circuits to me. Through theoretical analysis, waveform simulation and actual circuit building, I obtain in-depth understanding of the technical ideas of system design. At the same t

4、ime, I analyzed output characteristics of the direct digital frequency synthesis technology based on waveform generator, discussed the output waveform frequency bandwidth, frequency resolution and carried out system design in the ISE and carried out simulation in Modelsim, and the parameters and per

5、formance of DAC members made a certain understanding. Finally, I will discuss the performance advantages of technology for future implementation based on the light source driving.Key Word: DDS, programmable circuit, voltage-controlled current source, light-driven目 錄摘 要IAbstractII1. 緒論11.1 研究背景11.2 研

6、究內(nèi)容22. 硬件電路設(shè)計32.1 系統(tǒng)總體方案32.2 數(shù)字頻率合成器的設(shè)計32.2.1 頻率合成簡介32.2.2 數(shù)字頻率合成原理42.2.3 DDS硬件設(shè)計52.3 程控放大電路72.4 壓控電流源的設(shè)計72.5 補償電路93. 軟件設(shè)計101. 緒論1.1 研究背景在醫(yī)學(xué)臨床診斷中，血液的氧分壓（pO2）和酸堿度（pH值）是評估病人病理生理狀態(tài)的兩個重要監(jiān)測指標(biāo)。在休克、呼吸衰竭、腦損傷等危重病人監(jiān)護(hù)和重大麻醉手術(shù)中，需要通過頻繁測定血液或組織的pO2和pH來評價病人的氧供需平衡和酸堿平衡狀態(tài)。目前，臨床多采用常規(guī)血氣分析儀，通過間歇性的動脈采血，對血樣進(jìn)行離體的化學(xué)分析得出pO2 和

7、pH等多參量信息。常規(guī)血氣分析存在幾大缺點：間斷的血氣快照無法準(zhǔn)確地反映連續(xù)的生理事件；通常只在發(fā)生不良反應(yīng)后行血氣分析，可能延誤治療；非實時的離體分析存在血樣改變或污染的風(fēng)險；多次采血還可能造成醫(yī)源性貧血。毋庸置疑，能對血液、組織甚至是單個細(xì)胞進(jìn)行原位、實時、無創(chuàng)、多參量監(jiān)測，己經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)臨床和生命科學(xué)研究中的迫切需求。為了同時測量生物體內(nèi)的多參量信息，人們先后提出了各種各樣的生物醫(yī)學(xué)多傳感解決方案，如電化學(xué)微陣列、片上實驗室（Lab on a chip）、微全分析系統(tǒng)（TAS）、生物微機電系統(tǒng)（BioMEMS）等。它們都為微尺度下多參量的原位分析提供了可行的實現(xiàn)手段，但大多存在著需消耗

8、被測物、可靠性較差、制造平臺要求高、檢測系統(tǒng)復(fù)雜等問題。與上述傳感方案相比，熒光光纖傳感器集合了光纖傳感的微小、抗電磁干擾、遙測，以及熒光傳感的不消耗被測物、特異性強、包含多維信息（發(fā)射光譜、熒光強度、熒光壽命、熒光偏振等）等獨特優(yōu)點，從眾多傳感器中脫穎而出，成為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)傳感領(lǐng)域的研究熱點。本文的設(shè)計是在一個光纖傳感項目的基礎(chǔ)上進(jìn)行探討，而且項目處于初步探索階段，對猜想和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗證和校正，因此，設(shè)計一個功能比較齊全的光源驅(qū)動是這個項目的第一步。1.2 研究內(nèi)容 光源驅(qū)動的設(shè)計包括以下幾個模塊：數(shù)字頻率合成器、程控電壓放大器、壓控電流源、溫度補償電路以及負(fù)載熱插拔檢測電路。數(shù)字頻率合成

9、器主要是生成所需的調(diào)制波形，這里使用雙頻自動切換技術(shù)，在輸入相應(yīng)參數(shù)后，系統(tǒng)可自動輸出相應(yīng)幅度、相位、單個頻率波形持續(xù)時間、相位無縫頻率轉(zhuǎn)換。程控電壓放大器用于控制頻率合成器的輸出增益和濾波帶寬，能有效降低噪聲對波形的干擾。壓控電流源將上述兩個模塊輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動光源的電流信號，由于光源發(fā)射光強由電流直接控制（發(fā)射光波長由光源本身決定），由此實現(xiàn)光的調(diào)制。至于溫度補償電路是為防止溫度波動使得光源電流偏置發(fā)生漂移而設(shè)計的，對溫度進(jìn)行檢測并反饋到壓控電流源上。負(fù)載熱插拔檢測電路屬于保護(hù)性電路，實現(xiàn)空載時候電路的零功耗，降低電路的發(fā)熱損耗。2. 硬件電路設(shè)計2.1 系統(tǒng)總體方案光源驅(qū)動的設(shè)計

10、包括以下幾個模塊：數(shù)字頻率合成器、程控電壓放大器、壓控電流源、溫度補償電路以及負(fù)載熱插拔檢測電路。圖1 光源驅(qū)動器總體設(shè)計圖2.2 數(shù)字頻率合成器的設(shè)計2.2.1 頻率合成簡介頻率合成就是以一個或幾個參考源為基準(zhǔn)，產(chǎn)生多個頻率的過程。頻率合成技術(shù)是近代通信系統(tǒng)的重要組成部分，在無線電技術(shù)與電子系統(tǒng)的各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。各種新型的頻率合成器和頻率合成方案還在不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在己達(dá)到比較成熟的階段。目前頻率合成主要有三種方法:直接模擬合成法(Direct simulation Frequency synthesis)、鎖相環(huán)合成法(Phase-lock link Frequency Synthe

11、sis即PLL)和直接數(shù)字合成法(Direct Digital Frequency Synthesis)。直接模擬合成法利用倍頻(乘法)、分頻(除法)、混頻(加法與減法)及濾波，從單一或幾個參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個所需頻率。直接頻率合成中，基準(zhǔn)信號通過脈沖形成電路，產(chǎn)生諧波豐富的窄脈沖。該方法頻率轉(zhuǎn)換時間短(小于100ns)，用這種方法合成的頻率范圍將受到限制，更重要的是由于采用大量的倍頻，混頻，分頻，濾波等裝置，使得頻率合成器不僅帶來了龐大的體積和重量，而且輸出的諧波，噪聲及寄生頻率都難以抑制，目前己經(jīng)基本不被采用。鎖相環(huán)合成法通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運算。該方法結(jié)構(gòu)簡單、便于集成，且頻

12、譜純度高，目前使用比較廣泛，但存在高分辨率和快轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾，一般只能用于小步進(jìn)頻率合成技術(shù)中。DDS或DDFS是Direct Digital Frequencysynthesis的簡稱，通常將此視為第三代頻率合成技術(shù)。它突破了前兩種頻率合成法的原理，從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。這種方法不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，還可以用DDS方法產(chǎn)生任意波形，它是把一系列數(shù)字量形式的信號通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號的合成技術(shù)。2.2.2 數(shù)字頻率合成原理 DDS與大多數(shù)的數(shù)字信號處理技術(shù)一樣，它的基礎(chǔ)仍然是奈圭斯特采樣定理。奈圭斯特采樣定理是任何模擬信號進(jìn)行數(shù)字化

13、處理的基礎(chǔ)，它描述的是一個帶限的模擬信號經(jīng)抽樣變成離散序列后可不可以由這些離散序列恢復(fù)出原始模擬信號的問題。奈圭斯特采樣定理告訴我們，當(dāng)抽樣頻率大于或者等于模擬信號最高頻率的兩倍時，可以由抽樣得到的離散序列無失真地恢復(fù)出原始模擬信號。只不過在DDS技術(shù)中，這個過程被顛倒過來了。DDS不是對模擬信號進(jìn)行抽樣，而是一個假定抽樣過程已經(jīng)發(fā)生且抽樣值已經(jīng)量化完成，如何通過某種方法把已經(jīng)量化的數(shù)值重建原始信號的問題。DDS電路一般由參考時鐘、相位累加器、波形存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）和低通濾波器（LPF）組成。 N位加法器 N位寄存器波形存儲器DACLFPNfoNKAD參考時鐘fc圖2 DDS原理圖

14、假設(shè)系統(tǒng)時鐘頻率為fc，DDS系統(tǒng)輸出頻率為fo，當(dāng)fo非常接近fc/2時，非諧波分量fc-fo也接近fc/2，且兩者幅度趨于相等，這是很難設(shè)計出能濾除fc-fo分量的低通濾波器，這是DDS最大輸出頻率不取fc/2而取0.4fc的原因，因為實際的低通濾波器總存在一定的過渡帶，在設(shè)計DDS最大輸出頻率是一定要留有一定的余量。為了取出干凈的主頻fo，常在D/A輸出端接入截止頻率為fc/2的低通濾波器以抑制雜散信號。圖3 DDS輸出信號頻譜分量2.2.3 DDS硬件設(shè)計在DDS系統(tǒng)中，波形的幅度值被量化成數(shù)字值存儲在ROM中，通過一組數(shù)據(jù)線輸出代表二進(jìn)制編碼的電平信號。為了將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，

15、需要用到數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC(Digital-Analog Converter)。為了數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，DAC轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換精度，同時為了能夠在較高頻率下工作，它必須有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。因此，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是衡量DAC轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。本文的設(shè)計使用DAC902，這是帶有12bits分辨率以及165M的轉(zhuǎn)換速率的電流型DA轉(zhuǎn)換器。圖4 DAC902外圍接口電路本設(shè)計使用兩片DAC902，一片負(fù)責(zé)對DDS輸出內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)換，另一個為前者提供參考電壓，假設(shè)DDS用的DAC1采樣電阻使用2K歐姆和50歐姆的負(fù)載電阻，而為DAC1提供參考電壓的DAC2使用內(nèi)部參考源即1.24

16、V，其滿偏輸出范圍于01.25V，對應(yīng)于最大電流擺幅020mA，因此DAC2應(yīng)該使用63歐姆的負(fù)載電阻。假設(shè)后面的電路增益為1，則DDS幅度調(diào)節(jié)精度為在DAC后緊接著是帶增益低通濾波器，由于項目需求，DDS輸出可調(diào)頻調(diào)幅，頻率范圍為1kHz1MHz，這里使用的轉(zhuǎn)換時鐘為25MHz（或者50MHz），由上述，LPF通帶范圍為0.4fc，應(yīng)為10MHz，其原理圖如下：圖5 0dB增益的有源低通濾波器這里的運放使用AD8656，其帶寬與供電范圍滿足要求。上圖的低通濾波器幅頻相頻特性如下:圖6 LPF幅頻特性與相頻特性圖7 DAC+LPF的PCB布局2.3 程控放大電路 程控放大電路使用模擬開關(guān)實現(xiàn)不

17、同增益通道的選通，但需要注意的是模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻隨供電電壓的增大而下降，而且存在導(dǎo)通電容，這里使用MAX4983的單刀雙擲模擬開關(guān)芯片，這款芯片屬于低壓高速CMOS模擬開關(guān)，在5V的貢獻(xiàn)下，導(dǎo)通電阻僅有8歐姆，寄生電容為5pF，圖8 程控電路示意圖圖中的開關(guān)均為模擬開關(guān)，程控電路工作流程如下：C9與R18組成交流耦合，U3A組成電壓跟隨器，用于隔離和增加輸出阻抗，U3B為可選增益反相放大電路，U4A則將U3B的負(fù)增益轉(zhuǎn)化為正增益。這里需要說明一點的是，對于精密儀表電路而言，使用模擬開關(guān)還需要考慮為消除開關(guān)電阻而進(jìn)行的補償，由于模擬開關(guān)的電阻隨溫度呈非線性關(guān)系，還可以對其建立數(shù)學(xué)模型以提高補償

18、精度。2.4 壓控電流源的設(shè)計 在經(jīng)過DDS與增益放大器后，將得到的調(diào)制電壓信號轉(zhuǎn)換為調(diào)制電流信號，這里使用雙反饋電路設(shè)計壓控電流源。OP37運放屬于高速運放，帶寬比較寬，而且具有低偏置電流以及低失衡電壓。運放輸出接入射極放大電路對電流進(jìn)行放大，從而為光源提供足夠電流。R6屬于采樣電阻，這里使用大功率金屬膜電阻。圖9 壓控電流源電路 圖10 模擬輸入設(shè)置以及仿真結(jié)果圖11 采樣電阻上的波形2.5 補償電路為降低溫度的波動對器件穩(wěn)定工作的影響，引入溫度補償電路是很有必要的。溫度補償電路如下所示：圖12 簡單的溫度檢測電路U5A屬于比較器，VRon_off用于數(shù)字輸入，對溫度補償電路進(jìn)行開關(guān)控制，

19、當(dāng)使能溫度補償電路，Q1導(dǎo)通使得+5V由R19、RT以及可調(diào)電阻共同決定補償電壓，補償電路后面還可以接程控放大電路以進(jìn)行非線性的溫度補償設(shè)定。補償信號則由加減法電路使得反饋信號進(jìn)入控制電路： 圖13 加法減法電路引入反饋信號3. 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計主要圍繞著STM32與上位機的通信協(xié)議、STM32與FPGA的接口時序、STM32外圍電路控制程序以及FPGA的DDS生成器。STM32與上位機通信使用串口通信，在STM32方使用字節(jié)序列檢測方法檢測命令，命令由上位機決定，支持非定長命令與數(shù)據(jù)長度。其流程圖如下：圖 串口通信協(xié)議流程至于STM32關(guān)于LCD屏幕菜單、鍵盤及其他控制程序，由于篇幅有限，

20、這里不詳細(xì)說明。STM32與FPGA通信采用8080時序，其接口有WR、RD、EN、RS、D0D7，并行口的設(shè)計有助于降低FPGA的設(shè)計難度。FPGA的DDS模塊流程如下：圖 FPGA的調(diào)制波流程圖DDS模塊部分代碼如下：module Sine_Waveform(sysclk, nrst, start, eint, sine_waveform_dout, ROM_addr, daclk);parameter reg_freq_size = 28; /為保證輸出精度，頻率控制字位數(shù)不超過（頻率累加位數(shù)-波形尋址位數(shù)）即reg_addrcnt_size-reg_outputaddr_sizepar

21、ameter reg_cycle_size = 4; /最多可連續(xù)產(chǎn)生16個周期信號parameter reg_addrcnt_size = 32; /累加寄存器parameter reg_phase_size = reg_addrcnt_size; /可調(diào)相位0到360度parameter reg_outputaddr_size = 10; /輸出12位分辨率精度，10位尋址，最多1024個采樣點if (!nrst)begindaclk <= 0;div_clk <= 0;endelse if (div_clk<8'h02)begindiv_clk <= di

22、v_clk+1;endelsebegindaclk <= daclk;div_clk <= 0;endend/頻率控制字計算公式如下：/delta_f=2(reg_addrcnt_size-reg_outputaddr_size)/(f_osc/f_define)reg reg_freq_size-1:0 freq1;reg reg_freq_size-1:0 freq2;/相位初始位移p度(即p/360*2*pi弧度)的增量計算公式如下：1弧度相當(dāng)于頻率控制字增加2(reg_addrcnt_size-reg_outputaddr_size)/delta_p=2(reg_addrc

23、nt_size-reg_outputaddr_size)*p_define/360*2*pireg reg_phase_size-1:0 phase1;reg reg_phase_size-1:0 phase2;reg reg_cycle_size-1:0 cycle1;reg reg_cycle_size-1:0 cycle2;reg 31:0 time_protect;/ROM_addr恒等于ROM_addr_cnt的高reg_outputaddr_size位reg reg_addrcnt_size-1:0 ROM_addr_cnt;reg reg_outputaddr_size-1:0

24、ROM_addr_cnt_shadow;reg reg_outputaddr_size-1:0 ROM_addr; /截取查找地址reg 31:0 time_protect_cnt;reg reg_cycle_size-1:0 cycle_cnt;reg 2:0 state;reg 19:0 eint_pulse_width;reg 1:0 cycle_state;reg 2:0 start_edge;/start端口上跳沿開始執(zhí)行always (posedge sysclk)beginif(nrst) beginstart_edge <= 3'b000;endelse begi

25、nstart_edge2:1 <= start_edge1:0;start_edge0 <= start;endendreg action;/dds動作使能位always (posedge sysclk)beginif(nrst) beginaction <= 0;endelse beginif(start_edge2:1 = 2'b01) beginaction <= 1;endelse if(start_edge2:1 = 2'b10) beginaction <= 0;endendend/有狀態(tài)機完成always (posedge daclk

26、)beginif(nrst) begin/參數(shù)控制freq1<=68710000;/1M /3355;/10Kfreq2<=103079000;/500K/6711;/20Kphase1 <= 0;phase2 <= 0;cycle1 <= 1;cycle2 <= 1;time_protect<= 32'h00000000;/實時運行參數(shù)cycle_cnt <= 0;cycle_state <= 0;time_protect_cnt <= 0;ROM_addr_cnt <= 0;ROM_addr_cnt_shadow &

27、lt;= 0;eint_pulse_width <= 0;/中斷信號/eint <= 0;/狀態(tài)機狀態(tài)state <= 3'b000;end/*/else if(action = 0) begin /實際使用else if(start = 0) begin /調(diào)試使用state <= 3'b000;cycle_state <= 2'b00;eint_pulse_width <= 0;end*/else begin/if(action = 1) begin /實際使用/if(start = 1) begin /調(diào)試使用case (sta

28、te) /state采用格雷碼3'b000 : begin/從外部獲取參數(shù)/*freq1=頻率控制字freq2=phase1=初始相位位移phase2=cycle1=波形產(chǎn)生周期數(shù)cycle2=*/state <= 3'b001;end3'b001 : begin/初始化運行參數(shù)cycle_cnt <= 0;time_protect_cnt <= 0;ROM_addr_cnt <= 0;/ROM_addr_cnt_shadow <= 0;eint_pulse_width <= 0;ROM_addr_cnt <= phase1;R

29、OM_addr_cnt_shadow<=phase1reg_addrcnt_size-1:reg_addrcnt_size-reg_outputaddr_size-1;state <= 3'b011;cycle_state <= 2'b00;end3'b011 : begin/產(chǎn)生cycle1個周期的波形1if(cycle_cnt < cycle1) begin/ROM_addr_cnt_shadow <= ROM_addr_cnt;ROM_addr_cnt <= ROM_addr_cnt + freq1;case (cycle_st

30、ate)2'b00 : beginif(ROM_addr_cnt_shadow!=ROM_addr_cntreg_addrcnt_size-1:reg_addrcnt_size-reg_outputaddr_size-1) begincycle_state <= 2'b01;endend2'b01 : beginif(ROM_addr_cnt_shadow=ROM_addr_cntreg_addrcnt_size-1:reg_addrcnt_size-reg_outputaddr_size-1) begincycle_state <= 2'b11;e

31、ndend2'b11 : beginif(ROM_addr_cnt_shadow!=ROM_addr_cntreg_addrcnt_size-1:reg_addrcnt_size-reg_outputaddr_size-1) begincycle_state<= 2'b10;endend2'b10 : begincycle_state <= 2'b00;enddefault: beginendendcaseif(cycle_state = 2'b10) begincycle_cnt <= cycle_cnt + 1;endendelse

32、 begincycle_cnt <= 0;ROM_addr_cnt <= 0;ROM_addr_cnt_shadow <= 0;state <= 3'b010;cycle_state <= 2'b00;endend3'b010 : begin/波形間保護(hù)間隔if(time_protect_cnt < time_protect) begintime_protect_cnt <= time_protect_cnt + 1;endelse begintime_protect_cnt <= 0; /可省略ROM_addr_cnt

33、<= phase2;ROM_addr_cnt_shadow<= phase2reg_addrcnt_size-1:reg_addrcnt_size-reg_outputaddr_size-1;state <= 3'b110;cycle_cnt <= 0;cycle_state <= 2'b00;endend3'b110 : begin/產(chǎn)生cycle2個周期的波形2if(cycle_cnt < cycle2) beginROM_addr_cnt <= ROM_addr_cnt + freq2;case (cycle_state)

34、2'b00 : beginif(ROM_addr_cnt_shadow!= ROM_addr_cntreg_addrcnt_size-1:reg_addrcnt_size-reg_outputaddr_size-1) begincycle_state <= 2'b01;endend2'b01 : beginif(ROM_addr_cnt_shadow= ROM_addr_cntreg_addrcnt_size-1:reg_addrcnt_size-reg_outputaddr_size-1) begincycle_state <= 2'b11;endend2'b11 : beginif(ROM_addr_cnt_shadow!= ROM_addr_cntreg_addrcnt_size-1:reg_addrcnt_size-reg_outputaddr_size-1) begincycle_state <= 2'b10;endend2'b10 : begincycle_state <= 2'b00;enddefault: beginendendcaseif(cycle_state = 2&