一種可輸出任意輪廓波形和極窄脈沖的光源控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種可輸出任意輪廓波形和極窄脈沖的光源控制裝置，波形幅值可調(diào)，利用該特性實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓調(diào)制激光源和X射線源等的精準(zhǔn)控制，可延伸應(yīng)用于自動(dòng)控制、光學(xué)導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。
【背景技術(shù)】
[0002]目前各種光源如激光源、X射線源均可實(shí)現(xiàn)調(diào)制輸出，控制輸出光子的功率符合輸入量的變化規(guī)律。一般可調(diào)制光源的輸入量為電壓信號(hào)，光源根據(jù)電壓的變化控制輸出光子的功率線性變化。
[0003]隨著精密測(cè)量和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光源的調(diào)制也提出了新的要求。恒定或周期性常規(guī)波形的輸入電壓已不能滿足光源調(diào)制的實(shí)際需求，許多領(lǐng)域要求輸入電壓輪廓為非常規(guī)波形，有的領(lǐng)域甚至要求輸入電壓為ns級(jí)窄脈沖，這些對(duì)光源的控制技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。
[0004]在研究熱點(diǎn)脈沖星探測(cè)領(lǐng)域，普遍采用可調(diào)制光源進(jìn)行探測(cè)技術(shù)的地面驗(yàn)證。要求光源能夠模擬脈沖星的運(yùn)行特點(diǎn)發(fā)射光子，發(fā)出的光子符合脈沖星福射脈沖輪廓的參數(shù)，如脈沖周期、周期穩(wěn)定度、形狀及FWHM等，如圖l(a)、l(b)、l(c)和1 (d)所示的四種典型的X射線脈沖星脈沖輪廓示意圖。同時(shí)，不同的脈沖星具有不同的脈沖輪廓特征，要求光源能夠按照實(shí)際情況隨意進(jìn)行選擇。因此，在脈沖星探測(cè)驗(yàn)證系統(tǒng)中，解決光源對(duì)脈沖星輻射脈沖輪廓參數(shù)的模擬問(wèn)題，為系統(tǒng)提供一個(gè)盡可能接近實(shí)際脈沖星的光源是首要解決的問(wèn)題。
[0005]目前較常用的脈沖星模擬方式如圖2所示，利用計(jì)算機(jī)生成脈沖星輪廓數(shù)據(jù)，通過(guò)存儲(chǔ)介質(zhì)將波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入至任意波形發(fā)生器，然后調(diào)節(jié)波形發(fā)生器的相關(guān)按鈕，使輸出信號(hào)滿足光源的調(diào)制要求。上述光源控制方式復(fù)雜，輪廓更改過(guò)程繁瑣，實(shí)現(xiàn)不了 ns級(jí)的脈沖輸出控制，且關(guān)鍵設(shè)備任意波形發(fā)生器價(jià)格昂貴，整套控制系統(tǒng)成本高昂。為解決常規(guī)光源控制方式存在的問(wèn)題，彌補(bǔ)不足，設(shè)計(jì)一種能夠輸出任意輪廓和極窄脈沖的光源控制器，精確模擬脈沖輪廓的形狀、占空比、FWHM和周期等特點(diǎn)和輸出ns級(jí)的窄脈沖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種可輸出任意輪廓波形和極窄脈沖的光源控制裝置，精確模擬脈沖輪廓且可輸出ns級(jí)的極窄脈沖，可降低設(shè)備成本同時(shí)，提高脈沖精度。
[0007]本發(fā)明的一種可輸出任意輪廓波形和極窄脈沖的光源控制裝置，包括FPGA控制單元、存儲(chǔ)器、幅度調(diào)節(jié)單元以及極窄脈沖產(chǎn)生單元，外圍設(shè)備為上位機(jī)；
[0008]所述FPGA控制單元從上位機(jī)接收脈沖星的輻射輪廓數(shù)據(jù)，并將其送入存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)；
[0009]當(dāng)要產(chǎn)生任意輪廓波形時(shí)，F(xiàn)PGA控制單元從所述存儲(chǔ)器調(diào)取客戶所需的波形對(duì)應(yīng)的脈沖星的輻射輪廓數(shù)據(jù)，采用直接數(shù)字頻率合成方法，根據(jù)要求對(duì)調(diào)取的脈沖星輻射輪廓進(jìn)行頻率調(diào)整，并得到頻率調(diào)整后的脈沖波形的模擬信號(hào)；所述幅度調(diào)節(jié)單元從FPGA控制單元接收經(jīng)過(guò)頻率調(diào)整的脈沖波形的模擬信號(hào)后，再按要求對(duì)其進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)以及幅度基準(zhǔn)調(diào)節(jié)，得到頻率和幅度均滿足需求的波形數(shù)據(jù)；
[0010]當(dāng)要產(chǎn)生極窄脈沖時(shí)，所述FPGA控制單元從上位機(jī)接收極窄脈沖發(fā)送時(shí)刻以及參考脈沖，并在極窄脈沖發(fā)送時(shí)刻將參考脈沖送入極窄脈沖產(chǎn)生單元；所述極窄脈沖產(chǎn)生單元在所述極窄脈沖發(fā)送時(shí)刻，根據(jù)客戶需求的脈沖寬度，基于所述參考脈沖產(chǎn)生滿足要求的極窄脈沖；
[0011]所述極窄脈沖產(chǎn)生單元包括與門電路和兩個(gè)比較器；將所述兩個(gè)比較器分別定義為第二比較器和第三比較器；所述第二比較器的正輸入端串接可調(diào)電阻R17后接所述參考脈沖；所述第三比較器的負(fù)輸入端串接可調(diào)電阻R18后接所述參考脈沖；可調(diào)電阻R17與第二比較器的正輸入端之間串接電容C17后接地；可調(diào)電阻R18與第三比較器的負(fù)輸入端之間串接電容C18后接地；第二比較器的負(fù)輸入端與第三比較器的正輸入端均接正參考電壓；
[0012]所述第二比較器和第三比較器的輸出端分別接所述與門電路的兩個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯輸入端口 A1和B1 ;所述第一比較器與門電路的電源正端接+5V，輸出端輸出的信號(hào)即為滿足要求寬度的極窄脈沖。
[0013]所述極窄脈沖產(chǎn)生單元還包括一個(gè)比較器，定義為第一比較器，接收所述參考脈沖，用于對(duì)所述參考脈沖進(jìn)行整形；第一比較器的輸出端分別通過(guò)可調(diào)電阻R17和R18接第二比較器的正輸入端和第三比較器的負(fù)輸入端。
[0014]三個(gè)所述比較器采用的型號(hào)為L(zhǎng)T1721，與門電路采用的型號(hào)為NL27W208 ;所述第一比較器的負(fù)輸入端串接50 Ω電阻R4后接地；正輸入端接在電阻R5和電阻R6之間；電阻R5和電阻R6的阻值均為lk Ω，串聯(lián)在+5V和地之間；所述可調(diào)電阻R17和R18的阻值調(diào)節(jié)范圍為1 Ω至10kQ ;電容C17和C18的容值均為8.2pF ;第二比較器的負(fù)輸入端與第三比較器的正輸入端均接在電阻R11和電阻R12之間；所述電阻R11和電阻R12的阻值均為lkQ，串聯(lián)在+5V和地之間；所述第二比較器的負(fù)輸入端串聯(lián)容值為0.1 yF的電容后接地；與門電路的其它互為與邏輯的輸入端口接地；電源正端并聯(lián)阻值為0.1 μ F和47 μ F的電容后接地。
[0015]所述FPGA控制單元包括DDS模塊，用于實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成方法；所述DDS模塊包括相位累加器、曲線查找表以及D/A轉(zhuǎn)換器；所述相位累加器根據(jù)從上位機(jī)接收的采樣頻率對(duì)所述調(diào)取的脈沖星輻射輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并生成采樣點(diǎn)地址；然后，在曲線查找表中存儲(chǔ)的采用地址與對(duì)應(yīng)的幅值中查找當(dāng)前生成的采樣點(diǎn)地址和對(duì)應(yīng)的幅值，并由D/A轉(zhuǎn)換器生成模擬信號(hào)。
[0016]所述存儲(chǔ)器包括FLASH和SRAM緩存器；所述FLASH用于預(yù)先存儲(chǔ)脈沖星輻射輪廓數(shù)據(jù)，并將上位機(jī)發(fā)送到FPGA控制單元的實(shí)時(shí)脈沖星輻射輪廓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SRAM緩存器中；當(dāng)SRAM緩存器中接收到實(shí)時(shí)脈沖星輻射輪廓數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA控制單元從SRAM緩存器接收實(shí)時(shí)脈沖星輻射輪廓數(shù)據(jù)。
[0017]所述幅度調(diào)節(jié)單元由運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)；所述運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端接從FPGA控制單元輸出的所述輪廓調(diào)整后的脈沖波形的模擬信號(hào)；運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和輸出端之間串接可調(diào)電阻R43 ;運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端串接電阻R42后接可調(diào)電阻R40的可調(diào)引線端；可調(diào)電阻R40的兩端串接在+5V和-5V之間；輸出端即輸出經(jīng)過(guò)輪廓幅度調(diào)節(jié)和幅度基準(zhǔn)調(diào)節(jié)后的波形數(shù)據(jù)。
[0018]運(yùn)算放大器的型號(hào)為HA2520 ;其正輸入端串接電阻R47和電阻R116后接地；負(fù)輸入端與所述模擬信號(hào)之間接阻值為lkQ的匹配電阻R44 ;電源負(fù)端接-12V電源；C0MP端串接51pF電容后接地；BAL1和BAL2端并接后串聯(lián)10k Ω電阻后接+12V電源；電源正端接+12V電源；電阻R47和電阻R116的阻值分別為45.3 Ω和680 Ω ;可調(diào)電阻R40的阻值調(diào)節(jié)范圍為l-lkQ，可調(diào)電阻R43的阻值調(diào)節(jié)范圍為l-10kQ。
[0019]還包括低通濾波電路，對(duì)所述輪廓調(diào)整后的脈沖波形的模擬信號(hào)進(jìn)行低通濾波后，輸入到幅度調(diào)節(jié)單元。
[0020]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0021](1)本發(fā)明的光源控制裝置，精確模擬脈沖輪廓的形狀、占空比、FWHM和周期等特點(diǎn)，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧，價(jià)格低廉，整套控制系統(tǒng)成本高昂；其中，采用兩個(gè)比較器和一個(gè)與門電路，實(shí)現(xiàn)了輸出ns級(jí)的極窄脈沖，降低設(shè)備成本同時(shí)，提高脈沖精度。
[0022](2)本發(fā)明的光源控制裝置中采用的幅度調(diào)節(jié)單元，可調(diào)整波形的幅度和幅度基準(zhǔn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能可靠，精度高的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1 (a)為B0531+21脈沖星脈沖輪廓圖；
[0024]圖1 (b)為B0138+59脈沖星脈沖輪廓圖；
[0025]圖1 (c)為B1937+21脈沖星脈沖輪廓圖；
[0026]圖1 (d)為J0006+1834脈沖星脈沖輪廓圖；
[0027]圖2為模擬脈沖星光源控制方式框圖；
[0028]圖3為本發(fā)明的光源控制裝置原理框圖。
[0029]圖4為本發(fā)明的光源控制裝置中DDS模塊的原理框圖。
[0030]圖5為本發(fā)明的幅度調(diào)節(jié)單元的電路圖。
[0031]圖6為本發(fā)明的極窄脈沖產(chǎn)生單元的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0033]如圖3所示，一種可輸出任意輪廓波形和極窄脈沖的光源控制裝置，包括FPGA控制單元、存儲(chǔ)器、幅度調(diào)節(jié)單元以及極窄脈沖產(chǎn)生單元，外圍設(shè)備為上位機(jī)和高穩(wěn)時(shí)鐘；
[0034]所述FPGA控制單元從上位機(jī)接收脈沖星的輻射輪廓數(shù)據(jù)，并將其送入存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0035]當(dāng)要產(chǎn)生任意輪廓波形時(shí)，F(xiàn)PGA控制單元從所述存儲(chǔ)器調(diào)取客戶所需的波形對(duì)應(yīng)的脈沖星的輻射輪廓數(shù)據(jù)，采用直接數(shù)字頻率合成方法，根據(jù)要求對(duì)對(duì)調(diào)取的脈沖星輻射輪廓進(jìn)行頻率調(diào)整，并得到頻率調(diào)整后的脈沖波形的模擬信號(hào)；由于每顆脈沖星均有對(duì)應(yīng)的獨(dú)特波形輪廓，通過(guò)調(diào)整頻率使其與真實(shí)波形輪廓一致，且能夠驅(qū)動(dòng)后級(jí)光源。所述幅度調(diào)節(jié)單元從FPGA控制單元接收經(jīng)過(guò)頻率調(diào)整的脈沖波形的模擬信號(hào)后，再按要求對(duì)其進(jìn)行幅度以及幅度基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到客戶需要的波形數(shù)據(jù)。
[0036]當(dāng)要產(chǎn)生極窄脈沖時(shí)，所述FPGA控制單元從上位機(jī)接收極窄脈沖發(fā)送時(shí)刻以及參考脈沖，并在極窄脈沖發(fā)送時(shí)刻將參考脈沖送入極窄脈沖產(chǎn)生單元；所述極窄脈沖產(chǎn)生單元在所述極窄脈沖發(fā)送時(shí)刻，根據(jù)客戶需求的脈沖寬度，基于所述參考脈沖產(chǎn)生滿足要求的極窄脈沖。其中，參考脈沖一般指與要產(chǎn)生的極窄脈沖波形一致，寬度大概為100ns的脈沖波形。
[0037]如圖6所示，所述極窄脈沖產(chǎn)生單元包括與門電路和兩個(gè)比較器；將所述兩個(gè)比較器分別定義為第二比較器和第三比較器；所述第二比較器的正輸入端串接可調(diào)電阻R17后接所述參考脈沖；所述第三比較器的負(fù)輸入端串接可調(diào)電阻R18后接所述參考脈沖；可調(diào)電阻R17與第二比較器的正輸入端之間串接電容C17后接地；可調(diào)電阻R18與第三比較器的負(fù)輸入端之間串接電容C18后接地；第二比較器的負(fù)輸入端與第三比較器的正輸入端均接正參考電壓；通過(guò)兩個(gè)電阻R1UR12分壓，將參考電壓設(shè)置為2.5V，能夠滿足比較器對(duì)輸入信號(hào)的比較判斷要求。
[0038]所述第二比較器和第三比較器的輸出端分別接所述與門電路的兩個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯輸入端口 A1和B1 ;所述第一比較器與門電路的電源正端接+5V，輸出端輸出的信號(hào)即為滿足要求寬度的極窄脈沖。
[0039]所述極窄脈沖產(chǎn)生單元還包括一個(gè)比較器，定義為第一比較器，接收所述參考脈沖，用于對(duì)所述參考脈沖進(jìn)行整形；第一比較器的輸出端分別通過(guò)可調(diào)