48级灰度线性声光调制驱动源研究*

魏玉芸，张志伟，2*，张文静，朱祥

(1.中北大学信息与通信工程学院，太原030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051)

48级灰度线性声光调制驱动源研究*

魏玉芸1，张志伟1，2*，张文静1，朱祥1

(1.中北大学信息与通信工程学院，太原030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051)

设计了一种衍射光强灰度值随数字调制电压成线性变化的48级灰度线性声光调制驱动源。该设计通过数字电压控制电路把0～5 V(D.C.)分为48档次的数字调制电压，进而对高频载波信号进行幅度调制，使该驱动源输出相应的射频驱动信号，通过声光调制实验得到对应的衍射光强灰度值并显示相应的灰度等级。针对声光器件固有的非线性特性，通过线性电压补偿技术得到补偿后的衍射光强灰度值与数字调制电压的线性相关系数为97.73%，比补偿前提高了7.06%。

驱动源;数字电压控制技术;声光调制;幅度调制;衍射光强

随着激光技术的快速发展和优质声光晶体材料的开发，基于布拉格衍射效应的声光调制技术与器件已广泛应用于激光大屏幕图文显示、激光外差干涉技术和其他高精度测量等领域［1-3］。声光调制器主要由激光源、声光器件和声光调制驱动源3部分组成。声光调制驱动源输出射频驱动信号驱动声光器件，该器件将电信号转换成超声信号并作用于声光介质，在声光介质中利用超声波产生的对光束衍射的“立体光栅”和激光的相干性可以快速有效地控制激光束的强度、方向和频率［4-6］。本设计中通过改变作用于声光器件的超声波的功率，进而实现对激光束强度的控制［7］。声光调制驱动源是声光调制器的关键组成部件，其工作性能的优劣将直接影响声光调制器的工作状态。虽然传统的线性声光调制驱动源涉及到控制电压的线性补偿技术，但并未研究数字电压产生的方法，即先前的技术不具有数字电压直接控制的功能，不利于实现微机自动控制，同时也不具有灰度等级显示的功能，导致声光调制器在应用于光外差技术和其他高精度测量等领域达不到良好的测量效果。基于以上背景，本文在所设计的48级灰度线性声光调制驱动源中引入数字电压控制及线性电压补偿技术以进一步提高声光调制器的工作性能。

1 驱动源的总体设计

在激光大屏幕显示应用领域，为了使图像信息具有一定的灰度等级;在激光外差干涉测量领域，为了实现纳米级精度测量等，声光调制器须具备良好的工作性能。这就要求所设计的声光调制驱动源能达到:射频输出信号频率稳定度高、其驱动声光器件后得到的衍射光强灰度值与调制信号的线性相关系数大、灰度等级达到所需测量的要求并实时显示灰度等级，其主要性能指标参数为:

调制信号模式数字电压

工作频率149±1 MHz

频率稳定度优于5×10-5/h

输出阻抗50Ω

电压可调范围0～5 V

线性相关系数线性电压补偿后大于97%

灰度等级线性电压补偿后增至48级且可显示

所设计的48级灰度线性声光调制驱动源由数字电压控制电路、电平转换电路、晶体振荡电路、调幅电路、前置放大电路和功率放大器等部分组成［8-10］，其电路结构框图如图1所示。其工作原理:数字电压控制电路将0～5 V的直流电压变为48档次的数字电压，然后经电平转换电路得到48档次的数字调制电压，该数字调制电压通过调幅电路对晶体振荡电路产生的高频载波信号进行幅度调制得到调幅信号，调幅信号再经过前置放大电路线性放大后驱动功率放大器产生射频驱动信号。

图1 48级灰度线性声光调制驱动源的结构框图

2 电路设计原理

2.1 数字电压控制电路

数字电压控制电路主要由微处理器AT89C51、程序存储器、灰度等级选择电路、显示驱动电路与LED显示器等组成。其中，灰度等级选择电路由3组数字控制的模拟电子开关电路CD4067、3组电阻分压电路(每16个精密可调电位器为一组)、1个上拉电阻和1个灰度等级选择按钮组成。显示驱动电路与LED显示器由1片显示驱动芯片MAX7219及4位共阴的7段数码管LED组成。数字电压控制电路的工作原理:微处理器在程序存储器中的程序控制下，通过灰度等级选择电路得到灰度等级数据，之后把灰度等级数据通过显示驱动电路显示于LED显示器，同时给多路数字控制模拟电子开关发送控制命令，选通48组电阻分压器的一组，并产生相应的档次电压。

2.2 晶体振荡器电路

晶体振荡电路主要由有源晶振、选频网络和射极跟随器等组成，其电路原理图如图2所示。有源晶振内置有振荡电路，只需提供合适的直流电源，即可输出稳定频率信号，连接方式相对简单，不需复杂的配置电路。在其供电端采取了电源滤波及稳压措施，设计中在直流电源与地之间连接一个较大容值的电解电容和较小容值的瓷片电容，主要用来滤除输出纹波和噪声，在有源晶振的电源输入端口接一稳压二极管，从而为晶振提供恒定的电压，使输出信号幅值稳定。在有源晶振输出端接LC选频网络，得到频率为149 MHz的输出信号。由于该信号主要为电压信号，电流很小，因此将选频网络输出的信号经射极跟随器进行电流放大，得到高频载波信号，其频率稳定度可达1.5×10-5/h。

图2 晶体振荡器电路原理图

2.3 调幅电路

为了实现数字调制电压对高频载波信号的幅度调制，设计中采用了混频器SCM-1来完成，其设计原理是二极管环形混频器，其电路结构原理图如图3所示。该电路由三线传输线变压器和环式封装的精密配对的肖特基二极管组成，具有结构简单、隔离度高、频带宽和功能灵活等优点。

图3 混频器SCM－1原理图

混频器SCM-1有3个端口(本振、射频和中频)，分别以LO、RF和IF来表示，根据信号输入和输出的端口不同，可实现很多不同的功能［11］。本设计中混频器SCM-1用作调幅器，也可称之为调幅器SCM-1，其管脚接法是:数字调制信号u1加在IF端，载波信号u2加在RF端，则LO端输出调幅信号。通过改变输入的数字调制电压u1的大小可以改变输出调幅信号的幅度。由于从振荡电路输出的载波信号的幅度较小(U2m＜0.5 V)，因此，调幅器SCM-1中二极管的通断主要受数字调制电压u1的控制，其工作特性如下:

当u1＜0.5 V时，4个二极管均截止，此时几乎无信号输出。

当u1＞0.5 V时，二极管D1、D3导通，D2、D4截止。

设流过二极管D1、D3的电流分别为id1、id3，其两端的电压分别为ud1、ud3，动态电导分别为gd1、gd3，LO端口输出瞬时电流为io，输出瞬时电压为uo，则:

由于在同一时刻加在二极管D1、D3上的控制电压u1是相同的，且D1、D3是精密配对的二极管，因此，其时变电导也是相同的，即

式中，Is是反向饱和电流，UT是温度的电压当量［12］，得出:

由于混频器SCM-1各端口匹配阻抗均为50 Ω，因此，其输出特性方程可表示为:

式中，u2=U2mcos(2πfct)(其中，fc=149 MHz)，K为增益常数，其数值与混频器SCM-1的电路参数有关。

2.4 前置放大电路

经调幅电路输出的信号很小，需将其线性放大后方可驱动功率放大器。设计中选用分立元器件构成高频小信号放大器，其主要作用是线性放大电压信号，主要由高频三极管C3355作为该放大器的核心器件，其特征频率高，可达7 GHz，且具有低噪声和高功率增益的特性。在三极管基极接20 kΩ的偏置电阻，由于输入的调幅信号很小，信号工作在三极管的线性范围内，实现了对调幅信号的线性放大。

2.5 功率放大器

功率放大器将前置放大电路输出的信号进一步放大后得到射频驱动信号以驱动负载。由于所设计的48级灰度线性声光调制驱动源用于驱动插入阻抗为50Ω的声光器件，因而功率放大器采用负载阻抗为50Ω的集成高频功率放大器MHW 6222，其放大性能及频率响应特性等均符合设计要求。

3 实验结果、分析及线性电压补偿

3.1 实验结果、分析

为了研究所设计的48级灰度线性声光调制驱动源的工作性能，构造了如图4所示的声光调制实验装置。该装置主要由半导体激光器、激光器驱动源、声光器件、48级灰度线性声光调制驱动源、光电探测器及其驱动源、显示单元、安装有可调光阑的手动精密圆周旋转台及用作光路准直的光具座和调节支架等组成。

图4 声光调制实验装置原理框图

实验中，半导体激光器产生中心波长为650 nm的激光束，仔细调节光路，使半导体激光器射出的光束准确地穿过声光介质，使激光强度达到最大。然后给48级灰度线性声光调制驱动源通电使其工作，产生149 MHz的射频驱动信号，该信号经50Ω的同轴线输入到声光器件。通过调节固定声光器件的精密圆周旋转台，使入射光束以布拉格角入射至声光介质，从而使声光调制器工作在布拉格衍射状态［13］。之后，调节精密圆周旋转台的可调光阑，使+1级衍射光准确地射入光电探测器的接收端口。当第1次按下灰度等级选择按钮(其为自复按钮)时，4位LED显示L-01，表示灰度等级为1，这时电平转换电路输出数字调制电压为0.1 V;当第2次按下该自复按钮时，LED显示L-02，表示灰度等级为2，这时电平转换电路输出数字调制电压为0.2 V;…，当第48次按下该自复按钮时，LED显示L-48，表示灰度等级为48，这时电平转换电路输出数字调制电压为4.8 V。同时，每按下一次自复按钮，通过显示单元读取一次+1级衍射光强灰度值。得到48档次数字调制电压以及与其对应的衍射光强灰度值，衍射光强灰度值随数字调制电压的变化关系如图5所示。

图5 +1级衍射光强灰度值随数字调制电压的变化

由图5可知，在0.1 V～4.8 V的数字调制电压范围内，衍射光强灰度值与数字调制电压为非线性关系，线性相关系数为90.67%。由实验结果得出，当数字调制电压小于及等于0.5 V时，衍射光强灰度值为最小值0.12 V并保持不变，这主要是由设计中调幅器SCM-1的工作特性决定的，在此区间调幅器SCM-1的二极管元器件皆处于截止状态，几乎不输出信号;当数字调制电压在0.7 V～3.4 V区间变化时，+1级衍射光强灰度值随数字调制电压成非常好的线性关系，线性相关系数达到97.83%。这是调幅器SCM-1和声光器件共同作用的结果，在此区间调幅器SCM-1工作在线性区，同时，由于加入了超声偏置，使得声光器件工作在线性区且未达到其饱和区［14］;当数字调制电压大于及等于3.4 V时，衍射光强灰度值达到最大值5.98 V并保持不变，这主要是由声光器件固有的非线性特性决定的，声光调制驱动源输出信号的功率达到一定值后，声光器件工作在饱和区，从而限制了射频驱动信号对衍射光强的线性调制。

3.2 线性电压补偿

为了使衍射光强灰度值随数字调制电压成良好的线性关系，同时在衍射光强灰度变化范围不变的前提下使灰度等级达到48级，选取线性相关系数为97.83%的数字调制电压区间0.7 V～3.4 V，用最小二乘法得到该区间的衍射光强灰度值U与数字调制电压Ud的线性回归方程为

记该区间的48档次数字调制电压为Udi(i=1，2，…，48)，以及与其对应的48级衍射光强灰度值为Ui(i=1，2，…，48)。为了使U1=Umin=0.12 V，取Ud1=0.5 V;当Ud48=3.4 V时，由式(8)得U48=6.372 6 V;由此可得衍射光强灰度值变化的梯度为

由U1=0.12 V及式(9)可得U'1=U1=0.12 V，U'2=0.253 V，U'3=0.386 V，…，U'48=6.371 V，在此基础上由式(8)可算出U'd2=1.005 5 V，U'd3= 1.057 6 V，…，U'd48=3.399 4 V，且U'd1=Ud1=0.5 V，通过调节48组电阻分压器可以得到该48档次数字调制电压U'd1，U'd2，U'd3，…，U'd48，此处的48档次数字调制电压针对于先前的0.1 V～4.8 V的48档次数字调制电压已经具备了线性补偿功能，补偿后衍射光强灰度值与数字调制电压的线性相关系数为97.73%，比补偿前提高了7.06%。为了清楚比较线性电压补偿前与补偿后衍射光强灰度值变化趋势，得到线性电压补偿前与补偿后衍射光强灰度值与灰度等级的关系如图6所示。

图6 +1级衍射光强灰度值随灰度等级变化

由图6可得，补偿后衍射光强灰度值与灰度等级的线性度比补偿前明显提高了，在保证衍射光强灰度变化范围不变的前提下，衍射光强灰度等级达到了48级。可根据不同需求，通过增加数字控制电路中的电阻分压器以实现更多灰度等级，如256级灰度等级。

4 结论

为了弥补传统声光调制驱动源输出信号线性度差、缺乏数字电压控制及灰度等级显示等功能，设计了一种48级灰度线性声光调制驱动源，对其设计原

理进行了分析，并完成了声光调制实验。实验结果表明，线性电压补偿后衍射光强灰度值与数字调制电压的线性相关系数可达97.73%，比补偿前提高了

7.06 %，衍射光强灰度等级达到了48级。在激光外差干涉测量领域，利用48级灰度线性声光调制驱动源驱动声光调制器，容易实现信号光与参考光的振幅匹配，完成激光外差干涉纳米级精度测量。在激光大屏幕显示应用领域，利用256级灰度线性声光调制驱动源驱动三基色声光调制器，以及计算机图像处理和控制技术，实现激光大屏幕图文显示。

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魏玉芸(1992-)，女，汉族，山西吕梁人，中北大学，硕士研究生，主要研究方向为声光调制通信技术，1649382962@ qq.com;

张志伟(1964-)，男，汉族，山西运城人，中北大学，教授，主要研究方向为光电探测理论与技术、自动化仪器与仪表，zhangzwei@nuc.edu.cn。

Research on 48 Gray Linear Scale Acousto-Optic M odulation Driving Source*

WEIYuyun1，ZHANG Zhiwei1，2*，ZHANGWenjing1，ZHU Xiang1

(1.College of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China;
2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

A 48 gray linear scale acousto-optic modulation driving source is designed to acheive the feature that the diffraction light intensity gray value presents a linear corresponding change with the digitalmodulation voltage.The design divides 0～5 V(D.C.)into 48 grades in digitalmodulation voltage by digital voltage control circuit，and then it is used to modulate the amplitude of the carrier signal.So the driving source outputs the corresponding radio frequency driving signal.Through acousto-optic modulation experiments obtain the corresponding diffraction intensity gray value and display corresponding gray level.Due to the inherent nonlinear characteristic of acoustooptic devices，using linear voltage compensation technique obtains the linear correlation coefficient of diffraction intensity gray value vs.digitalmodulation voltage is 97.73%，increased by 7.06%than uncompensated.

driving source;digital voltage control technology;acousto-optic modulation;amplitude modulation; iffraction intensity

C:1250;7860

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.015

TN761

:A

:1005－9490(2017)01－0077－05

项目来源:山西省自然科学基金项目(2012011010-1);专利项目(ZL2013104250410)

2016-01-12修改日期:2016-03-21