基于CPLD的發(fā)射激光多頻率同步調(diào)制器

摘要：本文根據(jù)發(fā)射激光信號的要求,采用CPLD產(chǎn)生了頻率及占空比可調(diào)的激光調(diào)制信號,利用視頻同步分離器LM1881實現(xiàn)了激光調(diào)制信號與視頻輸入信號的同步,保證了激光光束多參數(shù)測量中測量設(shè)備的同步工作,在實際應(yīng)用中取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：激光調(diào)制信號;CPLD;調(diào)制器;同步;LM1881

在激光光束多參數(shù)測量系統(tǒng)中,需要對不同頻率和占空比條件下的調(diào)制激光光束在目標(biāo)靶板處的多種參數(shù)和圖像進(jìn)行測量。為了保證測量數(shù)據(jù)的同步獲取,所有參數(shù)的測量都必須與發(fā)射激光同步。本論文采用視頻同步信號分離電路LM1881,提取CCD輸出的奇偶場輸出信號作為系統(tǒng)各測量裝置的外同步控制信號,同時控制 CPLD器件的工作。利用CPLD的可編程特點,系統(tǒng)可以根據(jù)不同應(yīng)用場合對激光調(diào)制信號的要求,產(chǎn)生不同形式的調(diào)制信號。

系統(tǒng)設(shè)計思路

在本系統(tǒng)中,系統(tǒng)時鐘頻率是24MHz,僅為納秒量級,而所需信號的周期最高已達(dá)到秒量級,這對于計數(shù)器的觸發(fā)器數(shù)量要求是很高的。由于CPLD的資源有限,所以,如何合理設(shè)計CPLD的資源分配從而保證能夠在一片CPLD芯片上產(chǎn)生所有所需信號,便成為系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在。

在實際設(shè)計中,對同步信號和系統(tǒng)時鐘分別予以計數(shù)。由于所需信號最低頻率為1Hz,所以同步信號計數(shù)周期選為1s。所需信號最高頻率為1kHz,對時鐘信號的計數(shù)周期設(shè)為1ms。同步信號每一個沿(包括上升沿和下降沿)到來時,對時鐘信號的計數(shù)正是一周期的開始。通過這兩個計數(shù)器對輸出的聯(lián)合控制,可以滿足輸出信號的頻率、占空比調(diào)節(jié)和同步的實現(xiàn)。

對各種頻率及占空比的所需信號,這里分三種情況來討論。首先是周期及高電平持續(xù)時間均不小于20ms的信號,也就是不小于同步信號的高電平持續(xù)時間。對于此類信號,可以直接對同步信號進(jìn)行計數(shù),在同一計數(shù)周期內(nèi),依據(jù)所需頻率及占空比,選擇合適的計數(shù)值控制CPLD輸出高電平即可。對周期大于同步信號周期,但高電平持續(xù)時間小于20ms的信號,需要對同步信號進(jìn)行計數(shù)并選擇合適的計數(shù)值,同時時鐘信號的計數(shù)值滿足要求時,才輸出高電平。而對于周期和高電平均小于20ms的信號,則只需考慮對于時鐘信號的計數(shù),選擇合適的計數(shù)值使CPLD輸出高電平即可。

激光發(fā)射信號調(diào)制系統(tǒng)組成

本激光發(fā)射信號調(diào)制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上主要由三個部分組成：同步控制、頻率及占空比調(diào)節(jié)以及調(diào)制信號產(chǎn)生部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 激光發(fā)射信號調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

脈沖調(diào)制信號產(chǎn)生部分是本系統(tǒng)的核心。信號由一片CPLD產(chǎn)生,該芯片選用MAX3000A系列的EPM3128ATC100-10,且此芯片內(nèi)部有 2500個可用門數(shù),128個宏單元,8個邏輯塊,只要設(shè)計合理,芯片資源足夠設(shè)計使用。系統(tǒng)中脈沖調(diào)制信號的產(chǎn)生均是對此芯片編程實現(xiàn)的,而系統(tǒng)的其它部分僅對信號的產(chǎn)生起控制作用。

對于系統(tǒng)的各控制部分,系統(tǒng)開關(guān)控制調(diào)制系統(tǒng)是否工作。頻率及占空比控制部分是系統(tǒng)的主要控制部分,所需脈沖信號的頻率及占空比通過鍵盤輸入控制CPLD,實現(xiàn)頻率及占空比動態(tài)調(diào)節(jié)。其中,頻率調(diào)節(jié)范圍在1Hz~1kHz,頻率間隔則需要在系統(tǒng)應(yīng)用前對 CPLD編程設(shè)定。占空比分為四檔,分別為1:1、1:4、1:9和1:49。

同步控制也是系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。該部分的核心為視頻同步信號分離器LM1881。視頻圖像信號一幀畫面分兩場掃描,第1場掃描畫面上的奇數(shù)行1、3、5… ,稱為奇數(shù)場;第2場掃描畫面上的偶數(shù)行2、4、6…,稱為偶數(shù)場。激光光束多參數(shù)測量系統(tǒng)中的視頻輸入信號經(jīng)過LM1881芯片之后產(chǎn)生復(fù)合同步輸出信號、垂直同步輸出信號,奇偶場輸出信號以及相位輸出信號。本文使用其中的奇偶場輸出信號,并將其作為系統(tǒng)中的同步信號,該信號為頻率25Hz(周期 40ms)的方波信號。對于系統(tǒng)產(chǎn)生的各頻率調(diào)制信號,均要與該方波信號實現(xiàn)同步。脈沖調(diào)制信號實現(xiàn)視頻同步后,各激光參數(shù)測量都在同步狀態(tài)下完成,能有效地防止數(shù)據(jù)丟失或者被覆蓋。脈沖調(diào)制信號的產(chǎn)生,是結(jié)合已設(shè)定的頻率及占空比參數(shù)并在同步信號控制下,通過對系統(tǒng)時鐘(頻率24MHz)計數(shù)實現(xiàn)的。脈沖信號產(chǎn)生后則可以直接控制激光器,對激光發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制,產(chǎn)生各種頻率及占空比的所需信號。

仿真結(jié)果及實驗驗證

仿真結(jié)果

對CPLD的編程使用VHDL語言,仿真軟件選擇Quartus II。Quartus II提供了一個完整高效的設(shè)計環(huán)境,非常容易適應(yīng)具體的設(shè)計要求。
圖 2為本同步調(diào)制器的仿真結(jié)果。其中clk為系統(tǒng)時鐘,tongbu為奇偶場輸出同步信號,bdtout為輸出調(diào)制信號,第二行和第三行分別為頻率控制和占空比控制。調(diào)制信號仿真波形輸出的左半部分周期為倍同步信號周期,由101設(shè)置,占空比為1:1,由11設(shè)置;右半部分周期為同步信號周期的一半,由 010設(shè)置,占空比為1:4,由10設(shè)置。由圖2可以看到,信號頻率及占空比設(shè)置完畢后,系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地輸出脈沖信號,并且該脈沖調(diào)制信號實現(xiàn)了與奇偶場輸出信號的同步。

圖2 Quartusll時序仿真結(jié)果

實驗驗證

在激光光束多參數(shù)測量系統(tǒng)中,該激光發(fā)射信號調(diào)制系統(tǒng)獲得了成功的應(yīng)用,并達(dá)到了預(yù)期的效果。圖3是實驗過程中由高速數(shù)字存儲示波器TDS3032B采樣得到的一種脈沖調(diào)制信號波形。圖中Ch1為視頻同步信號,Ch2即是所需的脈沖調(diào)制信號。由示波器波形可以看到,輸出信號頻率穩(wěn)定,并且很好地實現(xiàn)了與視頻信號的同步。

圖3 脈沖調(diào)制信號頻率 1Hz,占空比1：4

結(jié)語

本文采用CPLD器件結(jié)合視頻同步分離器LM1881實現(xiàn)了激光光束多參數(shù)測量中的同步控制和激光器調(diào)制信號的輸出。實驗結(jié)果表明,激光發(fā)射信號調(diào)制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具有良好的穩(wěn)定性和可靠性,并且與未調(diào)制信號相比,并不影響激光的光束質(zhì)量。