一种基于脉冲高度的光学相控阵驱动电路及其驱动方法

摘要

本发明公开了一种基于脉冲高度的光学相控阵(OPA驱动电路及其驱动方法，属于仪器仪表与测量技术领域，包括光学相控阵芯片、压控电流源阵列、模拟开关阵列、数模转换器阵列、MCU控制电路、同步动态随机存取内存及PC上位机；PC上位机给MCU控制电路发送脉冲所需的电压幅值数字信号，MCU控制电路将电压幅值数字信号传输给数模转换器阵列，并将转换的模拟信号加载到模拟开关阵列中，模拟开关阵列在MCU控制电路的控制下产生相同脉宽的脉冲电压信号；压控电流源阵列所产生的脉冲电流信号传入光学相控阵芯片的相位控制端实现光束扫描；本发明的驱动电路使用单片机、数模转换芯片、脉冲驱动电路和压控电流源电路可实现OPA光相位的高速控制，系统简单易实现，成本低廉。

说明书

技术领域

本发明属于仪器仪表与测量技术领域，具体涉及一种基于脉冲高度的光学相控阵(OPA驱动电路及其驱动方法。

背景技术

光学相控阵扫描系统包括由激光发射器，光学相控阵芯片，相位控制电路，MCU，上位机电脑，显光屏幕，光学CCD相机组成。激光器发射出一束脉冲激光耦合进入光学相控阵芯片，进入光学相控阵芯片后被调制为一定分布的光斑，通过相位控制电路驱动电压到光学相控阵芯片上，光斑打到遮光白板通过CCD摄像头获取，并实时显示到上位机电脑中，电脑通过控制相应算法实时改变相位驱动电压以达到改变光斑扫描位置，从而实现光束扫描。

普通机械雷达通过电机改变出射光位置，从而实现光束扫描，固态激光雷达通过光学相控阵改变发射角度，实现控制光束对不同位置进行扫描。光学相控阵技术是通过控制各个相位调制的相位差量，使得各个输出光相位差相同，从而使得各个光线在该角度上实现干涉，使其在中央位置形成一种强度较高的光束，使得其他方向实现相消。

现有的光学相控阵驱动电路都是由数模转换器和电压放大器设计的，由此设计的驱动电路，在使用上精度受数模转换芯片影响严重，精度有限，输出电压值为恒定值，受电源噪声影响严重，稳定性往往较差，存在波纹毛刺现象。并且长时间对光学相控阵芯片施加电压，波导温度持续升高，波导间出现热串扰现象，光束受温漂影响严重；同时因各波导加热时间长短不一致，各个输出光相位出现偏差，光束相干效果不佳。

发明内容

针对现有技术中存在的光学相控阵驱动电路的精度不高、波导间热串扰导致稳定性差、各波导加热时间长短不一致等问题，本发明提出了一种基于脉冲高度的光学相控阵(OPA)驱动方法与电路，通过MCU控制各路DAC输出的电压输出值和模拟开关阵列电路来实现输出不同脉冲高度的电压驱动信号，并将不同脉冲高度的电压输出信号经过压控电流源电路来达到对光学相控阵芯片的控制，脉冲高度信号可以在短时间内对芯片进行加热，在驰豫时间内完成对光学相控阵芯片内波导进行调制，避免了加热时间过长导致波导间热串扰等问题，同时等脉宽的脉冲电流信号控制对各波导的加热时间相同，产生相位更精确的相干光束。该方法充分利用MCU的集成性和灵活性，以及简单的外围电路即可实现高精度的脉冲高度电流驱动输出。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于脉冲高度的光学相控阵驱动电路，包括光学相控阵芯片1、压控电流源阵列2、模拟开关阵列3、数模转换器阵列4、MCU控制电路5、同步动态随机存取内存(SDRAM)6及PC上位机7；所述PC上位机7通过MCU串口驱动电路给MCU控制电路5发送脉冲所需的电压幅值数字信号，MCU控制电路5将电压幅值数字信号传输给数模转换器阵列4，然后将转换的模拟信号加载到模拟开关阵列3中，模拟开关阵列3在MCU控制电路5的控制下产生相同脉宽的脉冲电压信号；然后脉冲电压信号经过压控电流源阵列2，压控电流源阵列2所产生的脉冲电流信号传入光学相控阵芯片1的相位控制端实现光束扫描；所述SDRAM6用于暂存上位机PC7传给MCU控制电路5的数字电压信号。

优选地，所述压控电流源阵列2由多个压控电流源电路8并行排列分布组成，独立工作，所述压控电流源电路8由轨到轨精密仪表放大器(AD8422)、两个高输出电流放大器(LM7332)及一个取样电阻组成；压控电流源电路的控制端与模拟开关阵列3的模拟开关输出的脉冲电压信号相连，仪表放大器U1的输入端与模拟开关的输出端相连，电流放大器U2A的正输入与仪表放大器U1的输出端相连，负输入与电流放大器U2A的输出端相连，电流放大器U2A的输出端与取样电阻R连接，取样电阻的另一端即为恒流源输出端，恒流源输出端接另一个高输出电流放大器U2B的正输入端，U2B的负输入与输出端和仪表放大器U1的反馈端相连，构成电压负反馈电路。

优选地，所述模拟开关阵列3由多个模拟开关9并行排列分布组成，独立工作，模拟开关9的输入端与数模转换器阵列4的数模转换器10的电压输出端连接，控制端与单片机相连，输出端与压控电流源阵列的控制端相连；当控制端输入高电平时，模拟开关为导通状态，当控制端输入为低电平时，模拟开关为断开状态。

优选地，所述数模转换器阵列4由多个数模转换器10并行排列分布组成，独立工作，数模转换器10的输入端与MCU控制电路5进行SPI通讯，获取光波导所需高度的数字电压信号，输出端与模拟开关相连，将转换后的模拟电压信号传给模拟开关。

优选地，所述MCU串口驱动电路由CH340G芯片组成，在RXD和TXD端串联两个小灯，通过观察小灯闪烁速度来观察数据传输的速度变化，在XI和XO处设置晶振来满足校准芯片振荡频率。

本发明的另一目的在于提供了一种基于脉冲高度的光学相控阵(OPA)驱动电路的驱动方法，具体步骤如下：

步骤一：通电后，上位机PC7实时测量光学CCD摄像头检测光板具体位置，并且通过改进遗传算法计算出满足偏转所需的各路电压值大小，通过串口将信号传给MCU控制电路5，同时放入SDRAM 6暂存；

步骤二：通过MCU控制电路5与数模转换器阵列4进行SPI通讯，将电压幅值信号传输给数模转换器阵列4，进行数模转换，得到模拟电压信号；

步骤三：通过模拟开关阵列3的模拟电压信号，在MCU控制电路5的控制下产生相同脉宽的脉冲电压信号；

步骤四：通过压控电流源电路8将传入的相同脉宽的脉冲电压信号转换成相同脉宽的脉冲电流信号，压控电流源电路8所产生的脉冲电流信号加载到光学相控阵芯片1的相位控制端实现光束扫描。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1.采用MCU和外围电路组成，电路结构简单；

2.利用脉冲信号可以完成对芯片内的波导短时间的加热处理，从而使光波导折射率发生改变之后，又不会因造成加热过度导致波导间的温度串扰，大大提高了系统的稳定性；

3.利用相同脉宽的脉冲电流信号对各波导进行等时间加热，避免因加热时间长短不一致而导致光束相干效果不佳。

4.该电路在工作时，功耗均落在放大器U2A上而不是仪表放大器，大大增加了恒流源输出能力，同时也降低了成本；

5.单片机与上位机采用RS232串口通信，采用帧头帧尾校验方式，通信效率高，误码率低。

附图说明

图1为本发明的一种基于脉冲高度的光学相控阵驱动电路的系统框图；

图中：光学相控阵芯片1、压控电流源阵列2、模拟开关阵列3、数模转换器阵列4、MCU控制电路5、同步动态随机存取内存(SDRAM)6、PC上位机7、压控电流源电路8、模拟开关9、数模转换器10；

图2本发明的一种基于脉冲高度的光学相控阵驱动电路的脉高驱动原理图；

图中：I1、I2～In：脉冲电流信号高度；Q1、Q2～Qn：单个脉冲周期内通道功耗；τ：时间窗；

图3为本发明的一种基于脉冲高度的光学相控阵驱动电路的数模转换及模拟开关阵列电路图；

图中：LTC2664：亚德诺半导体(ADI)公司的四通道SPI接口的DAC；ADG5412：亚德诺半导体(ADI)公司的高压防闩锁型四通道SPST开关；CS(CS_A)：SPI片选信号；SCK(SCK_A)：SPI时钟信号；SDI(SDI_A1、SDI_A2、SDI_A3、SDI_A4)：SPI数据输入信号；VOUT0、VOUT1、VOUT3、VOUT3(VOA1～VOA16)：DAC的模拟电压输出；

图4为本发明的一种基于脉冲高度的光学相控阵驱动电路的压控电流源电路图；

图中：U1：AD8422芯片；U2、U3：LM7332芯片；C1～C10:电容；

图5为本发明的一种基于脉冲高度的光学相控阵驱动电路的MCU串口驱动电路图；

图中：U1：CH340G；R1、R2：电阻；LED1、LED2：发光二极管。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施案例对本发明作进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明实现的是对光学相控阵芯片实现完整的驱动系统，使得光束在不同位置上进行偏转，采用大规模电流驱动单元，以及MCU进行系统级控制各个单元电路的输出电流大小，通过串口与上位机进行协议传输，使得上位机可以实时测量光学CCD摄像头检测光板具体位置，并且通过算法计算出满足偏转所需的各路电流值大小。

如图1所示，一种基于脉冲高度的光学相控阵驱动电路，包括光学相控阵芯片1、压控电流源阵列2、模拟开关阵列3、数模转换器阵列4、MCU控制电路5、同步动态随机存取内存(SDRAM)6及PC上位机7；所述PC上位机7通过MCU串口驱动电路给MCU控制电路5发送脉冲所需的电压幅值数字信号，MCU控制电路5将电压幅值数字信号传输给数模转换器阵列4，然后将转换的模拟信号加载到模拟开关阵列3中，模拟开关阵列3在MCU控制电路5的控制下产生相同脉宽的脉冲电压信号；然后脉冲电压信号经过压控电流源阵列2，压控电流源阵列2所产生的脉冲电流信号传入光学相控阵芯片1的相位控制端实现光束扫描。

脉高驱动学相控阵(OPA)的工作原理如图2所示。在图2中，不同脉冲高度(I1、I2～In)的电流信号对光学相控阵芯片的控制，单脉冲周期内脉高信号可以在相同短时间(τ)内对波导进行加热，在驰豫时间内完成对光学相控阵芯片内波导进行调制，避免了加热时间过长导致波导间热串扰以及因加热时间不一致导致的光束相干效果差等问题。

所述光学相控阵芯片1是一种多路光输出控件，通过改变每一路光波导的相位实现光束扫描，光波导的相位控制是通过改变加载到其上面的电流或电压来改变波导折射率而实现的。

所述压控电流源阵列2由多个压控电流源电路8并行排列分布组成，独立工作，所述压控电流源电路8由轨到轨精密仪表放大器(AD8422)、两个高输出电流放大器(LM7332)及一个取样电阻组成；压控电流源电路的控制端与模拟开关阵列3的模拟开关输出的脉冲电压信号相连，仪表放大器U1的输入端与模拟开关的输出端相连，电流放大器U2A的正输入与仪表放大器U1的输出端相连，负输入与电流放大器U2A的输出端相连，电流放大器U2A的输出端与取样电阻R连接，取样电阻的另一端即为恒流源输出端，恒流源输出端接另一个高输出电流放大器U2B的正输入端，U2B的负输入与输出端和仪表放大器U1的反馈端相连，构成电压负反馈电路。

压控电流源电路图如图4所示，压控电流源电路由轨到轨精密仪表放大器(AD8422)和两个高输出电流放大器(LM7332)，和一个取样电阻组成；模拟开关输出的脉冲电压信号，与压控电流源控制端相连，仪表放大器U1输入端与模拟开关输出端相连，电流放大器U2A正输入与仪表放大器U1输出端相连，负输入与电流放大器U2A输出端相连，电流放大器U2A输出端接取样电阻R，取样电阻另一端即为恒流源输出端，恒流源输出端接另一个高输出电流放大器U2B正输入端，U2B的负输入与输出端和仪表放大器U1反馈端相连，构成电压负反馈电路。

所述模拟开关阵列3由多个模拟开关9并行排列分布组成，独立工作，模拟开关9的输入端与数模转换器阵列4的数模转换器10的电压输出端连接，控制端与单片机相连，输出端与压控电流源阵列的控制端相连；当控制端输入高电平时，模拟开关为导通状态，当控制端输入为低电平时，模拟开关为断开状态。

所述数模转换器阵列4由多个数模转换器10并行排列分布组成，独立工作，数模转换器10的输入端与MCU控制电路5进行SPI通讯，获取光波导所需高度的数字电压信号，输出端与模拟开关相连，将转换后的模拟电压信号传给模拟开关。

数模转换器阵列及模拟开关阵列的电路图如图3所示，数模转换过程，主要由单片机MCU通过SPI串口与多路数模转换芯片(LTC2664)相连，控制数模转换芯片(LTC2664)输出阈值，此芯片输出范围可达到±10V，即可满足压控电流源所需输入电压峰值需要；脉冲信号产生过程,主要包括模拟开关阵列芯片(ADG5412)，此芯片导通电阻曲线在整个模拟输入范围都非常平坦，可确保开关音频信号时拥有良好的线性度和低失真性能。模拟开关阵列输入端(D1、D2、D3、D4)与DAC芯片电压输出端相连，控制端(IN1、IN2、IN3、IN4)与单片机相连，当控制端输入高电平时，模拟开关为导通状态，当控制端输入为低电平时，模拟开关为断开状态。单片机控制输出端产生相同脉宽的脉冲控制信号，使模拟开关内部开关在通与断两种状态之间高速转换，从而使得在一端有输入电压时，模拟开关另一端输出变为脉冲输出信号，模拟开关另一端输出至下一级压控电流源，使得输出电压也被调制为脉冲电压信号。

所述MCU控制电路5接收PC上位机7所计算得出的数字电压信号，同时将此信号经过SPI通讯输出给数模转换器阵列4；所述MCU控制电路与模拟开关阵列3的控制端相连，为模拟开关提供相同脉宽的控制信号。

所述SDRAM6用于暂存上位机PC7传给MCU控制电路5的数字电压信号。

如图5所示，MCU串口驱动电路主要由CH340G芯片组成，在RXD和TXD端串联两个小灯，通过观察小灯闪烁速度来观察数据传输的速度变化，在XI和XO处设置晶振来满足校准芯片振荡频率，单片机与上位机通过UART进行通信，由帧头帧尾校验增加数据的准确性，上位机首先发送0xFA,0xEA,0xDA三个8bits帧头数据，单片机读取这三个数据后，校验成功，之后单片机再接收上位机发送64路电压数据，之后上位机再发送0xFB,0xEB,0xDB三个帧尾表示发送完毕，同时单片机将64位电压数据传输驱动64路DAC输出电压，从而实现上位机对脉冲电流幅值的控制。

实施例2

一种基于脉冲高度的光学相控阵(OPA)驱动电路的驱动方法，具体步骤如下：

步骤一：通电后，上位机PC7实时测量光学CCD摄像头检测光板具体位置，并且通过改进遗传算法计算出满足偏转所需的各路电压值大小，通过串口将信号传给MCU控制电路5，同时放入SDRAM 6暂存；

步骤二：通过MCU控制电路5与数模转换器阵列4进行SPI通讯，将电压幅值信号传输给数模转换器阵列4，进行数模转换，得到模拟电压信号；

步骤三：通过模拟开关阵列3的模拟电压信号，在MCU控制电路5的控制下产生相同脉宽的脉冲电压信号；

步骤四：通过压控电流源电路8将传入的相同脉宽的脉冲电压信号转换成相同脉宽的脉冲电流信号，压控电流源电路8所产生的脉冲电流信号加载到光学相控阵芯片1的相位控制端实现光束扫描。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。