无源液晶光学器件的低成本驱动电路设计
1 引言
液晶光学器件,如空间光调制器、光延迟器、光衰减器、光隔离器、光开关等[1-8]被广泛应用于各种光学仪器和设备中。液晶光学器件的驱动方式主要分为有源驱动和无源驱动两大类。有源驱动是通过器件每个像素携带的电荷存储电容进行供电,每个像素都配备薄膜晶体管,制作工艺复杂,且成本较高[9-10]。无源驱动通过外接驱动电路的方式对器件供电,制作工艺简单且成本低[11-12]。无源驱动适合于低像素数的液晶调光器件和多个单像素器件的并行控制。随着光的智能控制发展,在复杂的光学系统中,通常包含多像素或多个单像素液晶光学器件。比如,被广泛研究的全电控制的激光雷达,其采用液晶空间光调制器和液晶偏振光栅组实现激光光束大角度连续扫描[13-19]。其中,液晶偏振光栅组是由多片液晶偏振光栅和液晶半波片组成,需要多路驱动电路进行控制。此外,低像素数的液晶空间光调制器也可采用无源驱动,从而降低成本[11]。若每个液晶器件均配置独立的电路进行驱动,其成本及系统的复杂程度均相应增加。因此,需采用多通道信号对多像素或多个单像素器件进行同步控制。
多路同步驱动通常采用数模转换器(DAC)将数字信号转换为模拟信号,从而实现数字系统对模拟系统的控制[20-21]。目前常用的多路DAC系统普遍采用现场可编程门阵列(FPGA)系统进行控制。FPGA系统控制的DA输出有两种:一种是集成FPGA芯片的板卡直接插在电脑的主板上,然后利用信号传输接口传出模拟信号,但该方法输出的模拟信号路数受限,目前最多输出32路[22];另一种是在电脑主板上插一块数字信号发送卡,先把数字信号通过PCI或PCI-E接口高速传输到集成FPGA芯片的数模转换器,然后再进行多路数模转换和多路模拟信号的输出,该方式可以实现更多模拟信号的输出[23-24]。但基于FPGA实现多路输出的成本及开发难度比较高,并且使用不便。
为此,本文提出一种低复杂度、低成本的多路液晶光学器件驱动电路设计方法。其采用STM32作为主控,降低设计难度和成本;采用通用串行总线(USB)接口的通信方式,降低使用复杂度。同时,采用可插拔多子板加母板的设计思想,依据实际需求灵活选取子板数目,从而进一步降低成本和系统复杂度。
2 总体方案设计
无源液晶光学器件的驱动电压通常在10 V以内,驱动频率为千赫兹量级,电压调制精度为8~10 bit。为满足通常液晶器件及双频液晶高低频切换的驱动要求,本文的设计目标为:电压±10 V,频率2~10 kHz可调,电压调制精度10 bit。此外,为了满足普通应用需求,本文设计了192路的并行输出控制信号。
总体驱动方案设计如
多路模拟信号的时序流程图如
3 硬件电路设计
3.1 USB接口电路
本文采用USB3300作为USB接口通信芯片,实现PC机与驱动板卡的数据交互,其具体连接示意图如
3.2 SPI接口
为了实现驱动电路的低成本、低复杂度设计,采用STM32F429ZET6作为母板控制芯片,STM32F411CEU6作为子板控制芯片。母板与子板之间通过SPI接口进行数据传输,并以主从方式进行工作,如
图 4. 主从器件SPI接口连接示意图
Fig. 4. Schematic diagram of primary and slave device SPI interface connection
3.3 主控电路设计
子板以可插拔的方式与母板进行连接,实现子板个数自由选择,从而降低驱动电路的复杂度及成本。母板与子板的设计包括晶振电路、电源电路、下载电路及复位电路,具体如
图 5. 主控芯片及附加电路示意图
Fig. 5. Schematic diagram of the main control chip and the additional circuit
3.4 DAC控制模块
本设计采用16通道、±10 V,能实现电压范围内双极性信号摆幅,电压调制精度可达10 bit的数模转换器LTC2668进行数字信号到模拟信号的转换,经多路复用器MUX控制VOUT[0-15]输出16路模拟电压,其具体原理图如
4 软件设计
4.1 下位机设计
多路DA系统的实现不仅依赖于硬件设计,还与控制软件的设计密切相关。在控制软件设计方面,母板软件设计主要起到将PC与子板进行链接的作用。由于传输的数据量较大,本文使用DMA控制器,无需CPU直接进行数据传输,控制简单,节约系统资源,适用于数据传输率很高的设备进行成组传送。具体过程如
子板控制软件设计的具体实现过程如
4.2 上位机设计
上位机的软件界面程序用Qt开发,利用USB3300动态链接库提供的函数,编程实现PC与下位机通信,界面如
5 功能测试
基于上述设计,进行制板和控制软件编写,研制出的液晶器件驱动控制电路如
通过上位机给下位机同时发送不同的电压灰度值与周期对驱动电路进行测试。灰度值从0~1 023设置了8个值,用示波器对外接板FA0路分别进行测试,结果如
6 结论
本文针对无源液晶调光器件的驱动控制要求,设计了一种低成本、低复杂度的多路DA同步控制方法。以STM32作为主控芯片,USB与电脑通信的方式进行数据传输,降低系统复杂度,并通过上位机实现幅频可调。子板以可插拔形式与母板进行连接,实现子板个数自由选择,从而降低系统成本。然后,用DAC芯片进行数模转换,实现192路模拟信号的输出。测试结果显示,不同电压灰度值与模拟电压符合线性比例关系,并且其误差在0.010 V左右,符合10 bit、1 024级电压灰度值调制精度,说明该驱动电路输出信号的精度及稳定性高,满足无源液晶器件的驱动控制要求。该研究结果为多路无源液晶光学器件的驱动控制提供了强有力的技术支撑,从而扩展了其应用场景,加快其产品化进程。
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