一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统的制作方法

本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统。

背景技术：

在光电探测系统中，微弱的待测光信号常常被杂散光、电子噪声等大量的噪声背景所湮没。为了将待测信号从背景噪声中提取出来，广泛采用同步检波、相敏检波等微弱信号检测技术。利用斩光器对被测光信号进行调制、使直流光信号变为带有频率特征的交变信号则是这类微弱信号检测技术的必要手段。共振式电磁音叉斩光器具有体积小、功耗低、稳定性高且抗冲击振动能力强的优点。

在共振式电磁音叉斩光器的使用中，为了保证频率和振幅的稳定性，一般不采用信号发生器或开环自激振荡直接驱动的方法，而是通过模拟电路构建闭环控制系统，不由外界提供驱动信号，而依靠音叉自激振荡起振并维持振动，之后通过电路的闭环控制调节、稳定振幅。但实际应用中由于音叉本身参数难以准确获得，理论计算出的自激条件往往无法使音叉起振，需要对电路参数反复更改和尝试。

对于固有共振频率不同的音叉需要单独计算和调试，甚至固有共振频率相同、批次不同的音叉由于生产工艺无法保证其各项参数完全一致，也很难在同一组电路参数下工作。这使得共振式电磁音叉斩光器的驱动电路结构异常复杂、调试困难、研发成本高。因此，在保证音叉频率和振幅稳定性的同时，发明一种简便高效、适用性强的共振式电磁音叉斩光器控制方法是本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统，根据目标幅值动态调节da转换器输出的固有共振频率信号的幅值，实现音叉的自动增益控制。

本发明提供一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统，所述系统包括现场可编程门阵列fpga、da转换器、功率放大单元、ad转换器、峰值检测单元、带通滤波单元以及前置放大单元，所述fpga想所述da转换器输出第一码值和第二码值，所述da转换器将所述第一码值和所述第二码值转换为电压值并输出所需类型的方波信号，对所述方波信号进行单位增益甲乙类互补功率放大，得到与所述音叉斩光器固有共振频率相同的音叉驱动信号，将所述音叉驱动信号输出至音叉斩光器的驱动端，所述音叉斩光器在所述音叉驱动信号的驱动下起振，所述音叉斩光器的诱导端产生感应信号，所述前置放大单元对所述感应信号进行前置放大后输出至所述带通滤波单元，所述带通滤波单元对感应信号进行带通滤波，调整带通滤波单元的中心频率为音叉固有共振频率，得到只包含音叉固有共振频率成分的正弦波信号并输出至所述峰值检测单元，利用所述峰值检测单元检测所述正弦波信号的电压峰值，并由所述fpga控制所述ad转换器对所述峰值检测单元进行电压采样，得到电压峰值，所述电压峰值与音叉振幅正相关，所述fpga将采样得到电压峰值和目标幅值进行比较，并根据比较结果对所述da转换器进行调整，以完成所述音叉斩光器的自动增益控制。

作为一种可选的方案，所述fpga具体用于将采样得到电压峰值和目标幅值进行比较，当所述电压峰值小于目标幅值时则根据差值调整所述fpga输出至所述da转换器的码值，增大第一码值并等量的减小第二码值，使得da转换器输出的方波信号的峰峰值增大。

作为一种可选的方案，所述fpga具体用于将采样得到电压峰值和目标幅值进行比较，当所述电压峰值大于目标幅值时则根据差值调整所述fpga输出至所述da转换器的码值，增大第二码值并等量的减小第一码值，使得da转换器输出的方波信号的峰峰值减小。

作为一种可选的方案，所述fpga具体用于将采样得到电压峰值和目标幅值进行比较，当电压峰值和目标幅值相同时保持当前所述fpga输出的码值不变。

作为一种可选的方案，所需类型为波形占空比为50％、频率为音叉固有共振频率、正负峰值为第一码值和第二码值所对应的电压值且绝对值相同。

作为一种可选的方案，所述fpga采用xilinx公司的virtex-2系列2v3000，所选da转换器采用adi公司的12位da转换器ad667，输入码值000h及fffh分别对应输出-10v电压及+10v电压。

作为一种可选的方案，每组码值的更新周期为音叉的固有共振频率周期2ms，所述方波信号的频率为500hz、峰峰值为±10v。

作为一种可选的方案，所述fpga对电压峰值的采样周期小于每组码值的更新周期。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供了一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统，由fpga及da转换器输出幅值可控、频率为音叉固有共振频率的对称方波信号，经单位增益功率放大后输出至音叉斩光器的驱动端，同时接收音叉斩光器诱导端输出的能够反映音叉实时振幅的反馈信号，并对该信号进行前置放大、带通滤波和峰值检测；由ad转换器和fpga对峰值电压进行采样，fpga根据峰值电压与目标电压的差值动态调整输出至da转换器的码值，控制方波信号幅值，方波信号的频率由fpga控制产生，可以保证各种音叉的可靠起振并始终工作在固有共振频率下，方波信号的幅值则采用自动增益控制方法，定期检测音叉振幅并根据需要及时调整，可以保证音叉斩光器的高振幅稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统的结构框图；

图2是本发明提供的共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统的流程图；

图3是本发明采用的共振式电磁音叉斩光器的结构示意图；

图4是本发明提供的共振式电磁音叉斩光器自动增益控制方法中da转换器输出音叉驱动信号的波形示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1和4所示，相应地，本发明提供一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统，所述系统包括现场可编程门阵列fpga、da转换器、功率放大单元、ad转换器、峰值检测单元、带通滤波单元以及前置放大单元，所述fpga想所述da转换器输出第一码值和第二码值，所述da转换器将所述第一码值和所述第二码值转换为电压值并输出所需类型的方波信号，对所述方波信号进行单位增益甲乙类互补功率放大，得到与所述音叉斩光器固有共振频率相同的音叉驱动信号，将所述音叉驱动信号输出至音叉斩光器的驱动端，所述音叉斩光器在所述音叉驱动信号的驱动下起振，所述音叉斩光器的诱导端产生感应信号，所述前置放大单元对所述感应信号进行前置放大后输出至所述带通滤波单元，所述带通滤波单元对感应信号进行带通滤波，调整带通滤波单元的中心频率为音叉固有共振频率，得到只包含音叉固有共振频率成分的正弦波信号并输出至所述峰值检测单元，利用所述峰值检测单元检测所述正弦波信号的电压峰值，并由所述fpga控制所述ad转换器对所述峰值检测单元进行电压采样，得到电压峰值，所述电压峰值与音叉振幅正相关，所述fpga将采样得到电压峰值和目标幅值进行比较，并根据比较结果对所述da转换器进行调整，以完成所述音叉斩光器的自动增益控制。

所述fpga具体用于将采样得到电压峰值和目标幅值进行比较，当所述电压峰值小于目标幅值时则根据差值调整所述fpga输出至所述da转换器的码值，增大第一码值并等量的减小第二码值，使得da转换器输出的方波信号的峰峰值增大，当所述电压峰值大于目标幅值时则根据差值调整所述fpga输出至所述da转换器的码值，增大第二码值并等量的减小第一码值，使得da转换器输出的方波信号的峰峰值减小，当电压峰值和目标幅值相同时保持当前所述fpga输出的码值不变。

所需类型为波形占空比为50％、频率为音叉固有共振频率、正负峰值为第一码值和第二码值所对应的电压值且绝对值相同。

在红外波段探测中，采用美国eopc公司的ch10-90d-500hz型电磁式音叉斩光器对照射到铟镓砷探测器上的光信号进行调制。所选fpga为xilinx公司的virtex-2系列2v3000；所选da转换器为adi公司的12位da转换器ad667，其输入码值000h及fffh分别对应输出-10v及+10v电压。因此，本发明提供一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统的具体方法如下：

s1、由fpga交替输出000h及fffh至da转换器，每组码值的更新周期为音叉的固有共振频率周期2ms，然后执行s2；

s2、da转换器ad667将fpga输出的码值转换为电压值，在下一组码值更新前保持当前输出，使da转换器的输出为占空比为50％、频率为500hz、峰峰值为±10v的方波信号a1，然后执行s3；

s3、对方波信号a1进行单位增益甲乙类互补功率放大，增强其驱动能力，得到音叉驱动信号a2，输出至音叉斩光器的驱动端，然后执行s4；

s4、音叉斩光器在a2信号的驱动下会迅速起振，并在诱导端产生感应信号a3，然后执行s5；

s5、前置放大单元和带通滤波单元对感应信号a3进行前置放大、带通滤波，将带通滤波单元的中心频率设置为音叉固有共振频率，得到只包含音叉固有共振频率成分的正弦波信号a4，然后执行s6；

s6、利用峰值检测单元检测出正弦波信号a4的电压峰值v1，并由fpga控制ad转换器进行电压采样，采样周期为t，电压峰值v1的大小与音叉振幅正相关，可以直接反映该时刻音叉的振幅强度，然后执行s7；

s7、fpga将采样得到的电压峰值v1与目标幅值v2进行比较，若v1小于v2则根据差值相应调整输出到da转换器的码值，增大码值a同时等量的减小码值b，使da输出方波的峰峰值增大；若v1大于v2则根据差值相应调整输出码值，增大码值b同时等量的减小码值a，使da输出方波的峰峰值减小。例如：将码值000h及fffh改为100h及effh，则对应da输出的方波峰峰值由±10v减小为±9.512v；直到v1与v2相同，则保持当前输出码值。循环执行s1至s7，持续检测音叉振幅与目标振幅的差值并及时调整，实现音叉斩光器的自动增益控制。

当音叉由于某些外界干扰导致其振幅变小时，诱导端输出信号a3减小、滤波后的正弦波信号a4减小、检测的电压峰值v1减小、与目标幅值v2的差值变大，则调整fpga输出码值，使da输出方波信号a1及输出至音叉斩光器驱动端的驱动信号a2变大，从而使音叉振幅变大，重新回到预设振幅，完成自动增益控制。

本实施例中，fpga对电压峰值的采样周期小于每组码值的更新周期，以保证幅度控制的时效性。

本发明提供了一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统，由fpga及da转换器输出幅值可控、频率为音叉固有共振频率的对称方波信号，经单位增益功率放大后输出至音叉斩光器的驱动端；同时接收音叉斩光器诱导端输出的能够反映音叉实时振幅的反馈信号，并对该信号进行前置放大、带通滤波和峰值检测；由ad转换器和fpga对峰值电压进行采样；fpga根据峰值电压与目标电压的差值动态调整输出至da转换器的码值，控制方波信号幅值。方波信号的频率由fpga控制产生，可以保证各种音叉的可靠起振并始终工作在固有共振频率下；方波信号的幅值则采用自动增益控制方法，定期检测音叉振幅并根据需要及时调整，可以保证音叉斩光器的高振幅稳定性。

结合图2、3和4所示，相应地，本发明提供一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制方法，前面介绍的共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统可以执行本方法，所述方法包括：

s101、现场可编程门阵列fpga向da转换器输出第一码值和第二码值，将所述第一码值和第二码值确定为一组码值，每组码值的更新周期为目标音叉固有共振频率周期，所述第一码值大于第二码值。

da转换器即数模转换器，fpga向da转换器输出第一码值和第二码值，将所述第一码值和第二码值定义为一组码值，每组码值的更新周期为目标音叉固有共振频率周期，第一码值大于第二码值。

s102、所述da转换器将所述第一码值和所述第二码值转换为电压值，并输出所需类型的方波信号。

da转换器将所述第一码值和所述第二码值转换为电压值，并向功率放大单元输出所需类型的方波信号，方波信号的占空比50％、频率为音叉固有共振频率、正负峰值为第一码值和码第二码值所对应的电压值且其绝对值相同，即第一码值和码第二码值是正负对称。

s103、对所述方波信号进行单位增益甲乙类互补功率放大，得到与所述音叉斩光器固有共振频率相同的音叉驱动信号，将所述音叉驱动信号输出至音叉斩光器的驱动端。

功率放大单元采用单位增益甲乙类互补功率放大电路，对方波信号进行单位增益甲乙类互补功率放大得到与所述音叉斩光器固有共振频率相同的音叉驱动信号，将所述音叉驱动信号输出至音叉斩光器的驱动端，音叉斩光器具有驱动端和诱导端。

s104、所述音叉斩光器在所述音叉驱动信号的驱动下起振，所述音叉斩光器的诱导端产生感应信号。

因为音叉驱动信号和音叉斩光器固有共振频率相同，所以音叉斩光器会迅速起振，音叉的起振速度与开始上电后的第一码值a和第二码值b初始值有关，将fpga输出的第一码值a和第二码值b设置为da转换器的最大码值和最小码值，可以使音叉得到的初始驱动信号最强，从而实现音叉的快速起振，并在诱导端产生感应信号，需要说明的是，音叉起振后诱导端输出的感应信号有一个从小到大的过程，因此即使前几次fpga采样得到的电压峰值小于目标幅值，如果第一码值a和第二码值b已经是da转换器的最大码值和最小码值，则只需维持fpga当前输出码值即可。

s105、对所述感应信号进行前置放大和带通滤波，调整带通滤波单元的中心频率为音叉固有共振频率，得到只包含音叉固有共振频率成分的正弦波信号。

感应信号作为反馈信号由诱导端输出至前置放大单元，利用前置放大单元对感应信号进行前置放大后输出至带通滤波单元，带通滤波单元对感应信号进行带通滤波，调整带通滤波单元的中心频率为音叉固有共振频率，得到只包含音叉固有共振频率成分的正弦波信号。

s106、利用峰值检测单元检测所述正弦波信号的电压峰值，并由所述fpga控制ad转换器进行电压采样，得到电压峰值，所述电压峰值与音叉振幅正相关。

峰值检测单元可以采用峰值检测电路实现，ad转换器即模数转换器，峰值检测单元对正弦波信号的电压峰值进行检测，ad转换器在fpga的控制下对峰值检测单元的电压峰值进行电压采样，采样周期为t，电压峰值的大小与音叉振幅正相关，可以直接反映该时刻音叉的振幅强度。

s107、所述fpga将采样得到电压峰值和目标幅值进行比较，并根据比较结果对所述da转换器进行调整，以完成所述音叉斩光器的自动增益控制。

fpga将采样得到电压峰值和目标幅值进行比较，当所述电压峰值小于目标幅值时则根据差值调整所述fpga输出至所述da转换器的码值，增大第一码值并等量的减小第二码值，使得da转换器输出的方波信号的峰峰值增大，当所述电压峰值大于目标幅值时则根据差值调整所述fpga输出至所述da转换器的码值，增大第二码值并等量的减小第一码值，使得da转换器输出的方波信号的峰峰值减小，当电压峰值和目标幅值相同时保持当前所述fpga输出的码值不变。

pga动态调整的是输出码值大小且第一码值a和第二码值b的变化时等量的，每组码值的更新周期保持不变，以保证da输出波形始终为频率与音叉的固有共振频率相同且正负对称的方波。

本实施例中，fpga对电压峰值v1的采样周期t应小于每组码值的更新周期，以保证幅度控制的时效性。

若检测到电压峰值v1与目标幅值v2的差值为b1，对应调整fpga输出第一码值a和第二码值b，使da转换器输出方波的峰峰值变化值为b2，则b2＝k*b1，其中k可以是常量，也可以是根据某种既定规则而调整的变量，具体设置要根据期望的调节速度、调节精度、fpga资源情况等进行综合考虑。如果k是常量，则幅值控制为线性调节，若要调节速度快、占用资源少就增大k，若要调节精度高就减小k，但会相应降低调节速度。如果k是变量，则存在多种多样的控制方法，例如：当v1与v2的差值大于v3时，设置k＝k1；当v1与v2的差值大于v4时，设置k＝k2；以此类推，差值大就增大k值，使调节速度快，差值小就减小k值，使调节精度高，通过合理设置多个区间，对幅值进行非线性控制，甚至可加入pid等一些先进控制算法，可以用少量资源实现对音叉斩光器的高速、高精度的幅值控制。因此，k值的选择多种多样，可以与多种算法相结合，设计人员可以在此基础上做二次开发。

本发明提供了一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制方法，由fpga及da转换器输出幅值可控、频率为音叉固有共振频率的对称方波信号，经单位增益功率放大后输出至音叉斩光器的驱动端，同时接收音叉斩光器诱导端输出的能够反映音叉实时振幅的反馈信号，并对该信号进行前置放大、带通滤波和峰值检测；由ad转换器和fpga对峰值电压进行采样，fpga根据峰值电压与目标电压的差值动态调整输出至da转换器的码值，控制方波信号幅值，方波信号的频率由fpga控制产生，可以保证各种音叉的可靠起振并始终工作在固有共振频率下，方波信号的幅值则采用自动增益控制方法，定期检测音叉振幅并根据需要及时调整，可以保证音叉斩光器的高振幅稳定性。

本发明实施例中还提供一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制方法，包括以下步骤：

步骤201、由fpga交替输出da转换器的第一码值a和第二码值b，第一码值a大于第二码值b，并将其定义为一组码值，每组码值的更新周期为目标音叉固有共振频率周期，然后执行步骤202；

步骤202：da转换器将fpga输出的码值转换为电压值，使得da转换器输出波形为占空比50％、频率为音叉固有共振频率、正负峰值为码值a和码值b所对应的电压值且其绝对值相同的方波信号a1，然后执行步骤203；

步骤203、对方波信号a1进行单位增益甲乙类互补功率放大，得到音叉驱动信号a2，输出至音叉斩光器的驱动端，然后执行步骤204；

步骤204、驱动信号a2与音叉斩光器固有共振频率相同，因此音叉斩光器会在驱动信号a2的驱动下会迅速起振，并在诱导端产生感应信号a3，然后执行步骤205；

步骤205、对感应信号a3进行前置放大和带通滤波，并将带通滤波单元的中心频率设置为音叉固有共振频率，得到只包含音叉固有共振频率成分的正弦波信号a4，然后执行步骤206；

步骤206、利用峰值检测单元检测出正弦波信号a4的电压峰值v1，并由fpga控制ad转换器进行电压采样，采样周期为t，电压峰值v1的大小与音叉振幅正相关，可以直接反映该时刻音叉的振幅强度，然后执行步骤207；

步骤207、fpga将采样得到的电压峰值v1与目标幅值v2进行比较，若电压峰值v1小于目标幅值v2则根据差值相应调整输出到da转换器的码值，增大第一码值a同时等量的减小第二码值b，使da输出方波的峰峰值增大；若电压峰值v1大于第二电压v2则根据差值相应调整输出码值，增大第二码值b同时等量的减小第一码值a，使da输出方波的峰峰值减小；直到电压峰值v1与目标幅值v2相同，则保持当前输出码值不变。循环执行步骤ⅰ至ⅶ，持续检测音叉振幅与目标振幅的差值并及时调整，实现音叉斩光器的自动增益控制。

本发明提供的共振式电磁音叉斩光器自动增益控制方法，音叉斩光器的固有共振频率信号由fpga产生，可以保证音叉可靠起振，避免了模拟闭环中需要反复调试电路参数以使其满足音叉自激振荡条件的问题，大大简化了调试流程和电路复杂度。针对不同的音叉只需要修改fpga软件中码值更新周期，使其输出频率信号为音叉的固有共振频率信号即可实现对各种音叉的有效驱动。对于因生产工艺等原因导致不同批次音叉固有共振频率与标称值有差异的情况，可以通过微调fpga码值更新周期，很容易使输出方波频率与音叉固有共振频率一致。避免了更换音叉就必须更换元器件、重新调试硬件电路的问题，适用性强。针对不同的音叉斩光器目标振幅，只需修改fpga软件中的目标码值，fpga即可对音叉振幅进行自动增益控制，自行调整音叉开合时的狭缝最大宽度，从而有效控制到达探测器的光信号强度以满足多种探测需求。共振式电磁音叉斩光器的固有共振频率一般在1khz以下，对于fpga来说频率很低，很容易实现频率的精确控制和调整；输出信号的振幅稳定性由da转换器的性能决定，因此本发明中的音叉频率和振幅的精度及稳定性均可控、可预期，可以实现音叉斩光器的长时间高稳定性振荡。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种共振式电磁音叉斩光器自动增益控制系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。