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摘要：该设计是为分布型光纤布里渊测量系统中的电光调制器提供一个激励源，包括数控脉沖系统和自动偏压系统。该设计在对测量系统认真分析的基础上，制定了基于SOPC的实现方案，并分别对数控脉冲发生系统和自动偏压系统的硬件电路、软件设计，最终成功实现了作为电光调制器激励源的设计。
关键词：：脉冲发生器，自动偏压控制，SOPC，NiosII
1 引言
该设计是为分布型光纤布里渊测量系统中的电光调制器提供一个激励源。在测量布里渊散射信号时，由窄谱激光器发出的光经耦合器输出，一部分光作为本振光，另一部分光通过由脉冲发生器激励的电光调制器（Electro-Optic Modulator，EOM）调制成脉冲光。光在传播时产生的散射光经环形器输出，在光电检测器上与本振光进行相干检测，将布里渊散射信号变换为电信号，通过分析电信号频谱的方法同时得到布里渊散射信号的强度和频移[1-3]
2 整体系统框图
整个系统根据所实现的功能，可以分为两部分：高速脉冲发生源及其控制系统部分[17]；偏压产生及自动偏压控制系统部分[6][7]，系统整体框图如图1所示。
3 功能结构
3.1 高速脉冲发生源
高速脉冲发生源使用硬件描述语言在FPGA内设计，它的主要功能是产生一个周期和脉宽可变的脉冲波。通过改变计数器的上限值来改变周期，通过改变电平翻转的阈值来改变脉宽。由FPGA产生的脉冲电压幅度为3.3V，之后使用高速、高转换速率的运算放大器把脉冲幅度放大，作为输入电光调制器的电脉冲。
脉冲发生源所用的时钟，是使用FPGA内部锁相环将外部50MHz有源晶振进行4倍频后产生的200MHz时钟。EP1C6Q240C8内部集成了2个可编程锁相环，可以提供高性能的时钟管理能力，如频率合成、可编程移相、片外时钟输出、可编程占空比、失锁检测以及高速差分时钟信号的输入和输出等。与直接来自片外的时钟相比，通过锁相环输出的片内时钟可以减少时钟延时和时钟变形，减少片内干扰，可以改善时钟的建立时间和保持时间。
3.2 脉冲控制系统
作为一个数控的脉冲源，脉冲的频率及脉宽由用户通过FPGA中嵌入的Nios II CPU所提供的人机接口进行指定，用户将所需的脉冲频率及脉宽输入到Nios II CPU，CPU会将输入信号转换成脉冲发生器中计数器的上限值和电平翻转的阈值控制脉冲的产生。
脉冲发生器控制系统以Nios II CPU核为核心，添加了片上ROM作程序存储器，片上RAM作数据存储器，添加了若干PIO模块提供外设接口，控制键盘、液晶和脉冲发生器。系统时钟由外部50MHz有源时钟经PLL锁相环分为两路，一路二分频，为Nios II CPU提供25MHz系统时钟，另一路四倍频，为脉冲发生器提供200MHz脉冲源时钟，系统内各IP模块通过Avalon交换结构总线连接[4][5]。如图2所示。
基本从端口传输由Avalon总线模块发起，然后从端口向Avalon总线模块传输一个单元的数据。
3.3 偏压产生及自动偏压控制
偏压是叠加在调制电压上的控制电压，通过对偏压的控制可以使电光调制器稳定的工作。为了方便控制且保证自动偏压中数据采集的速度，系统为偏压产生及偏压控制部分添加了另一个专用Nios II CPU，与脉冲控制系统一起，构成双CPU系统，两个CPU分别对脉冲发生源和自动偏压进行控制，这是本设计的一个创新点。偏压产生及自动偏压控制的系统设计框图如图3所示。
偏压的产生是利用12位D/A芯片MAX5120设计高精度数控稳压源实现的。通过Nios II CPU产生一个12位数字信号，输入到D/A芯片，由MAX5120将数字信号转换为直流电压信号，为电光调制器提供偏压。由于MAX5120的最大输出电压为4.095V，所以在信号输入电光调制器之前，用一级运放作驱动，放大后的信号作为电光调制器的偏压输入。
偏压的自动控制是Nios II CPU对电光调制器偏压的一种闭环负反馈的调节，它通过对电光调制器输出光的检测，控制数控电压源产生适当的偏压，为电光调制器提供一个稳定的工作状态，从而保证了整体测量结果的准确性。
4结语
该设计集脉冲发生器和自动偏压控制于一体，实现了为电光调制器提供激励源的目的；采用了双CPU分别控制数控脉冲发生系统和自动偏压系统；采用直流模式加预判断的方法解决了对电光调制器工作点漂移的检测；采用FPGA内部锁相环，将时钟分为高频的脉冲发生器时钟和低频的控制系统时钟分开，提高了系统的稳定性，而且降低了因外部晶振频率太高带来的干扰；采用高精度的ADC和DAC做偏压的产生和信号检测，能将电光调制器的消光比控制在-30dB以上。最终完成了作为电光调制器激励源的最窄10ns以5ns为步进可调的脉冲设计和实现。
参考文献：
[1] D.Garus，T.Gogolla，K.Krebber，F.Schliep.Brillouin Optical-Fiber Frequency-Domain Analysis for Distributed Temperature and Strain Measurements [J].Lightwave Technology，1997-04，15 （4） ：654-662.
[2] 宋牟平.微波电光调制的布里渊散射分布型光纤传感技术[J].光学学报，2005，24（8）：1111-1114.
[3] 刘迪仁，宋牟平，等.基于连续光抽运的布里渊光时域分析仪新技术.光学仪器，2005-06，27（3）：70-74.
[ 4] Altera Corporation.Nios II Processor Reference Handbook.ver 5.1.Oct 2005.
关键词：：脉冲发生器，自动偏压控制，SOPC，NiosII
1 引言
该设计是为分布型光纤布里渊测量系统中的电光调制器提供一个激励源。在测量布里渊散射信号时，由窄谱激光器发出的光经耦合器输出，一部分光作为本振光，另一部分光通过由脉冲发生器激励的电光调制器（Electro-Optic Modulator，EOM）调制成脉冲光。光在传播时产生的散射光经环形器输出，在光电检测器上与本振光进行相干检测，将布里渊散射信号变换为电信号，通过分析电信号频谱的方法同时得到布里渊散射信号的强度和频移[1-3]
2 整体系统框图
整个系统根据所实现的功能，可以分为两部分：高速脉冲发生源及其控制系统部分[17]；偏压产生及自动偏压控制系统部分[6][7]，系统整体框图如图1所示。
3 功能结构
3.1 高速脉冲发生源
高速脉冲发生源使用硬件描述语言在FPGA内设计，它的主要功能是产生一个周期和脉宽可变的脉冲波。通过改变计数器的上限值来改变周期，通过改变电平翻转的阈值来改变脉宽。由FPGA产生的脉冲电压幅度为3.3V，之后使用高速、高转换速率的运算放大器把脉冲幅度放大，作为输入电光调制器的电脉冲。
脉冲发生源所用的时钟，是使用FPGA内部锁相环将外部50MHz有源晶振进行4倍频后产生的200MHz时钟。EP1C6Q240C8内部集成了2个可编程锁相环，可以提供高性能的时钟管理能力，如频率合成、可编程移相、片外时钟输出、可编程占空比、失锁检测以及高速差分时钟信号的输入和输出等。与直接来自片外的时钟相比，通过锁相环输出的片内时钟可以减少时钟延时和时钟变形，减少片内干扰，可以改善时钟的建立时间和保持时间。
3.2 脉冲控制系统
作为一个数控的脉冲源，脉冲的频率及脉宽由用户通过FPGA中嵌入的Nios II CPU所提供的人机接口进行指定，用户将所需的脉冲频率及脉宽输入到Nios II CPU，CPU会将输入信号转换成脉冲发生器中计数器的上限值和电平翻转的阈值控制脉冲的产生。
脉冲发生器控制系统以Nios II CPU核为核心，添加了片上ROM作程序存储器，片上RAM作数据存储器，添加了若干PIO模块提供外设接口，控制键盘、液晶和脉冲发生器。系统时钟由外部50MHz有源时钟经PLL锁相环分为两路，一路二分频，为Nios II CPU提供25MHz系统时钟，另一路四倍频，为脉冲发生器提供200MHz脉冲源时钟，系统内各IP模块通过Avalon交换结构总线连接[4][5]。如图2所示。
基本从端口传输由Avalon总线模块发起，然后从端口向Avalon总线模块传输一个单元的数据。
3.3 偏压产生及自动偏压控制
偏压是叠加在调制电压上的控制电压，通过对偏压的控制可以使电光调制器稳定的工作。为了方便控制且保证自动偏压中数据采集的速度，系统为偏压产生及偏压控制部分添加了另一个专用Nios II CPU，与脉冲控制系统一起，构成双CPU系统，两个CPU分别对脉冲发生源和自动偏压进行控制，这是本设计的一个创新点。偏压产生及自动偏压控制的系统设计框图如图3所示。
偏压的产生是利用12位D/A芯片MAX5120设计高精度数控稳压源实现的。通过Nios II CPU产生一个12位数字信号，输入到D/A芯片，由MAX5120将数字信号转换为直流电压信号，为电光调制器提供偏压。由于MAX5120的最大输出电压为4.095V，所以在信号输入电光调制器之前，用一级运放作驱动，放大后的信号作为电光调制器的偏压输入。
偏压的自动控制是Nios II CPU对电光调制器偏压的一种闭环负反馈的调节，它通过对电光调制器输出光的检测，控制数控电压源产生适当的偏压，为电光调制器提供一个稳定的工作状态，从而保证了整体测量结果的准确性。
4结语
该设计集脉冲发生器和自动偏压控制于一体，实现了为电光调制器提供激励源的目的；采用了双CPU分别控制数控脉冲发生系统和自动偏压系统；采用直流模式加预判断的方法解决了对电光调制器工作点漂移的检测；采用FPGA内部锁相环，将时钟分为高频的脉冲发生器时钟和低频的控制系统时钟分开，提高了系统的稳定性，而且降低了因外部晶振频率太高带来的干扰；采用高精度的ADC和DAC做偏压的产生和信号检测，能将电光调制器的消光比控制在-30dB以上。最终完成了作为电光调制器激励源的最窄10ns以5ns为步进可调的脉冲设计和实现。
参考文献：
[1] D.Garus，T.Gogolla，K.Krebber，F.Schliep.Brillouin Optical-Fiber Frequency-Domain Analysis for Distributed Temperature and Strain Measurements [J].Lightwave Technology，1997-04，15 （4） ：654-662.
[2] 宋牟平.微波电光调制的布里渊散射分布型光纤传感技术[J].光学学报，2005，24（8）：1111-1114.
[3] 刘迪仁，宋牟平，等.基于连续光抽运的布里渊光时域分析仪新技术.光学仪器，2005-06，27（3）：70-74.
[ 4] Altera Corporation.Nios II Processor Reference Handbook.ver 5.1.Oct 2005.