一种多色激光器功率调制设备的制作方法

1.本实用新型涉及一种功率调制设备，特别是关于一种多色激光器功率调制设备。


背景技术：

2.在超分辨成像的多通道成像应用中所用到的oxxius多色激光器，其功率调节模式包括内部设置点驱动和外部电压调制。
3.目前的超分辨成像应用中，采用的是内部设置点驱动的调节模式：设置激光头要释放的光功率，激光器内部的控制回路会对实际功率与设定点功率的偏差做出反应，从而稳定光功率。该方案存在依赖激光器内部的驱动、输出不可控的潜在风险。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种多色激光器功率调制设备来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
5.为实现上述目的，本实用新型提供一种多色激光器功率调制设备，其包括：
6.片上系统soc，其具有gpio，所述gpio输出与待调制的多色激光器的光源数量相匹配的二进制的数字信号；
7.d/a转换器，其用于接收所述数字信号，并转换成模拟信号，并以电流信号输出；
8.负直流升压电路，其用于将输入的工作电压按照低于所述工作电压值的相反数进行升压；
9.正直流升压电路，其用于将输入的工作电压按照高于所述工作电压值进行升压；
10.运算放大电路，其连接所述正直流升压电路和上述负直流升压电路的输出端，用于接收所述电流信号，利用其输入阻抗大、正反两个输入端的电位相等的特性，将所述电流信号转换成模拟电压信号及信号放大，输出预设范围的电压模拟信号。
11.进一步地，所述运算放大电路包括：
12.第一级运算放大子电路，其用于接收所述电流信号，并将所述模拟电压的最小值调整为所述预设范围的最小值，输出负的模拟电压信号；
13.第二级运算放大子电路，其用于接收所述负的模拟电压信号，并将所述负的模拟电压信号的最大值调整为所述预设范围的最大值，输出正的电压模拟信号。
14.进一步地，所述第一级运算放大子电路具有：
15.第一反相输入端iout1，其连接所述d/a转换器的输出端；
16.第一正相输入端，其接地；
17.第一输出端v01，其连接所述第二级运算放大子电路的反相输入端，与工作电压的极性相反；
18.所述多色激光器功率调制设备还包括：
19.第一反馈电阻rfb，其具有预设阻值，连接在所述第一反相输入端iout1与所述第一输出端v01之间，用于将所述d/a转换器输出的所述电流信号转换为电压信号。
20.进一步地，所述第二级运算放大子电路具有：
21.第二反相输入端，其与所述第一输出端v01连接；
22.第一正相输入端，其接地；
23.第二输出端vout，其用于输出所述预设范围的模拟电压信号；
24.所述多色激光器功率调制设备还包括：
25.输入电阻r1，其具有预设阻值，连接在所述第二反相输入端与所述第一输出端v01之间，用于调节所述第二级运算放大子电路的放大倍数；
26.第二反馈电阻r2，其具有预设阻值，连接在所述第二输出端vout与所述第二反相输入端之间，用于调节第二级运算放大子电路的放大倍数；
27.进一步地，所述第一级运算放大子电路/所述第二级运算放大子电路还具有：
28.正电源连接端，其连接所述正直流升压电路的输出端；
29.负电源连接端，其连接所述负直流升压电路的输出端。
30.进一步地，所述负直流升压电路包括第一开关sw1、第一开关二极管d1、第一输出电容cout1和第一功率电感l1，其中：所述第一开关sw1、第一开关二极管d1和第一输出电容cout1依次串联在工作电压源vin的两端，所述第一功率电感l1与所述第一输出电容cout1并联，所述第一功率电感l1连接在所述第一开关二极管d1的负极与地之间。
31.进一步地，所述第一开关sw1处于导通的情形下，电流从所述工作电压源 vin流经所述第一功率电感l1再到地，所述第一功率电感l1处于储存能量的状态；所述第一开关sw1处于断开的情形下，所述第一功率电感l1处于释放能量的状态，所述第一功率电感l1释放的电流的方向与所述第一开关二极管d1极性同向，所述第一开关二极管d1处于导通状态，使所述第一输出电容cout1处于充电状态，两端的电压按照低于所述工作电压值的相反数进行升压。
32.进一步地，所述正直流升压电路包括第二功率电感l2、第二输出电容cout2、第二开关二极管d2和第二开关sw2，其中：所述第二功率电感l2、第二开关二极管d2和第二输出电容cout2依次串联在工作电压源vin的两端，所述第二开关sw2的一端接在所述第二功率电感l2与所述开关二极管d2的正极之间，另一端接地。
33.进一步地，所述第二开关sw2处于导通的情形下，电流从所述工作电压源 vin依次流经所述第二开关sw2和所述第二功率电感l2再到地，所述第二功率电感l2处于储存能量的状态；所述第二开关sw2处于断开的情形下，所述第一功率电感l1处于释放能量的状态，所述第二功率电感l2释放的电流的方向与所述第二开关二极管d2极性同向，所述第二开关二极管d2处于导通状态，使所述第二输出电容cout2处于充电状态，两端的电压按照高于所述工作电压值进行升压。
34.进一步地，所述第一开关sw1和所述第二开关sw2提供开关信号的频率为预设值。
35.本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本实用新型可以适用于在超分辨成像应用中，通过0～5v的模拟信号控制多色激光器的出光功率。
附图说明
36.图1为本实用新型实施例提供的系统整体框图；
37.图2为本实用新型实施例提供的负向升压电路的功率拓扑结构示意图，其中a的开
关管导通，b的开关管断开；
38.图3为本实用新型实施例提供的正向升压电路的功率拓扑结构示意图，其中a的开关管导通，b的开关管断开；
39.图4为本实用新型实施例提供的运算放大电路的结构示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
41.如图1所示，本实用新型实施例提供的多色激光器功率调制设备包括片上系统soc(英文全称为system on chip)1、d/a转换器(模数转换器)2、正负直流升压电路3和运算放大电路4，其中：
42.片上系统soc1具有gpio(英文全称为general purpose input output；中文全称为通用输入输出端口)，所述gpio输出与多色激光器的光源数量相匹配的二进制的数字信号。d/a转换器2用于接收所述数字信号，并转换成模拟信号，并以电流信号输出。
43.例如：多色激光器最多有6个光源输出，那么此时，一共需要6路d/a转换器2，片上系统soc1提供的二进制的数字信号为6组8位二进制的数字信号，同时需要8*6＝48个soc的gpio，8位二进制数的数值范围为0～255。与此相对应地，d/a转换器2采用常用的8位的d/a转换集成芯片，型号可以但不限于是dac0832，由8位输入锁存器、8位dac寄存器、8位d/a转换电路及转换控制电路构成，与片上系统soc完全兼容。
44.需要说明的是，除了使用8位的d/a转换器，还可以使用16位、24位甚至精度更高的d/a转换器，根据片上系统soc1的gpio资源、模拟信号精度的要求、以及成本等因素进行选择。
45.如图4所示，运算放大电路4用于接收d/a转换器2的电流信号，利用其输入阻抗大、正反两个输入端的电位相等的特性，将所述电流信号转换成模拟电压信号，再通过适当改变运算放大电路4的反馈电路，从而调节运算放大电路4 的放大倍数，使其最终输出预设范围的电压模拟信号。
46.在一个实施例中，运算放大电路4包括第一级运算放大子电路41和第二级运算放大子电路42。
47.第一级运算放大子电路41用于接收所述电流信号，并将所述模拟电压的最小值调整为所述预设范围的最小值，输出负的模拟电压信号。
48.第二级运算放大子电路42用于接收所述负的模拟电压信号，并将所述负的模拟电压信号的最大值调整为所述预设范围的最大值，输出正的电压模拟信号。
49.在一个实施例中，第一级运算放大子电路41具有第一反相输入端iout1、第一正相输入端和第一输出端v01，其中：第一反相输入端iout1连接d/a转换器2的输出端，那么，第一反相输入端iout1为d/a转换器2的输出电流iout1。第一正相输入端接地。第一输出端v01连接所述第二级运算放大子电路的反相输入端。
50.所述多色激光器功率调制设备还包括第一反馈电阻rfb，第一反馈电阻rfb 具有预设阻值，连接在所述第一反相输入端iout1与第一输出端v01之间，用于将d/a转换器2输出的所述电流信号转换为电压信号。
51.第一级运算放大子电路41工作时，输出电流iout1的值为：第一级运算放大子电路41工作时，输出电流iout1的值为：其中，vref为d/a转换器2的参考电压5v，“digital input”对应为片上系统soc1输出的二进制的数字信号。第一反馈电阻rfb的电阻值为 15kω。第一输出端v01输出电压值始终为-(iout1
×
rfb)，与参考电压vref的极性相反。
52.在一个实施例中，第二级运算放大子电路42具有第二反相输入端、第一正相输入端和第二输出端vout，其中：第二反相输入端与所述第一输出端v01连接，第一正相输入端接地。第二输出端vou用于输出所述预设范围的模拟电压信号。
53.所述多色激光器功率调制设备还包括输入电阻r1和第二反馈电阻r2。其中：
54.输入电阻r1具有预设阻值，并且，连接在所述第二反相输入端与第一输出端v01之间，用于调节所述第二级运算放大子电路的放大倍数。
55.第二反馈电阻r2具有预设阻值，并且，连接在第二输出端vout与第二反相输入端之间，用于调节第二级运算放大子电路的放大倍数。
56.第二输出端vout输出的电压值表示为下式：
[0057][0058]
其中，vref＝5v，digital input＝0～255，因此，vout＝0～5v。
[0059]
在一个实施例中，第一级运算放大子电路41输出-5～0v的负电压信号，第二级运算放大子电路42输出0～5v的正电压信号。因此，运算放大电路4需要采用双电源供电，其中正电压源要高于5v，负电压源要低于-5v。
[0060]
如图2和图3所示，本实施例采用负直流升压电路31和正直流升压电路32 为运算放大电路4供电。负直流升压电路31用于将输入的工作电压按照低于所述工作电压值的相反数进行升压。正直流升压电路32用于将输入的工作电压按照高于所述工作电压值进行升压。运算放大电路4连接负直流升压电路31和正直流升压电路32的输出端，通过负直流升压电路31和正直流升压电路32为运算放大电路4供电。
[0061]
当然，负直流升压电路31和正直流升压电路32也可以采用正负电源适配器替代，但是，相比之下，负直流升压电路31和正直流升压电路32提供正电源和负电源，可以简化整体的硬件结构。负直流升压电路31和正直流升压电路32 均但不限于使用buck-boost直流开关电源芯片，从5v的输入电源电压分别做正向升压、反向升压设计。
[0062]
本实施例主要应用于超分辨显微镜成像应用中，使用时，首先，上位机通过发送相关命令输送给片上系统soc1，片上系统soc1输出二进制的数字信号。然后，d/a转换器2将二进制的数字信号转换成模拟信号，并以电流信号的形式输出到运算放大电路4中。运算放大电路4把电流信号进行比较和放大，最终输出 0～5v的电压模拟信号，从而控制多色激光器的出光功率。以下简单介绍各模块的作用。再通过运算放大电路4将输入的电流信号进行比较和放大，输出0～5v 的模拟信号，线性控制多色激光器的出光功率。
[0063]
在一个实施例中，负直流升压电路31包括第一开关sw1、第一开关二极管 d1、第一输出电容cout1和第一功率电感l1，其中：所述第一开关sw1、第一开关二极管d1和第一输出电容cout1依次串联在工作电压源vin的两端，所述第一功率电感l1与所述第一输出电容
cout1并联，所述第一功率电感l1连接在所述第一开关二极管d1的负极与地之间。
[0064]
在一个实施例中，第一开关sw1处于导通的情形下，如图2中的a所示，电流从工作电压源vin流经第一功率电感l1再到地，第一功率电感l1处于储存能量的状态。第一开关sw1处于断开的情形下，如图2中的b所示，第一功率电感l1处于释放能量的状态，第一功率电感l1释放的电流的方向与第一开关二极管d1极性同向，第一开关二极管d1处于导通状态，使第一输出电容cout1处于充电状态，两端的电压按照低于所述工作电压值的相反数进行升压。输出电压 vout与输入电压vin的关系如下：
[0065][0066]
其中，d为第一开关sw的占空比，即是导通时间和开关周期的比值，主要通过具体的buck-boost直流开关电源芯片手册所提供的计算方法，通过调节外围分压电阻去设置。也就是说，第一开关sw1提供开关信号的频率为预设值。
[0067]
在一个实施例中，正直流升压电路32包括第二功率电感l2、第二输出电容 cout2、第二开关二极管d2和第二开关sw2，其中：第二功率电感l2、第二开关二极管d2和第二输出电容cout2依次串联在工作电压源vin的两端，第二开关 sw2的一端接在第二功率电感l2与开关二极管d2的正极之间，另一端接地。
[0068]
在一个实施例中，第二开关sw2处于导通的情形下，如图3中的a所示，电流从工作电压源vin依次流经第二开关sw2和所述第二功率电感l2，再到地，第二功率电感l2处于储存能量的状态。第二开关sw2处于断开的情形下，如图 3中的b所示，第一功率电感l1处于释放能量的状态，第二功率电感l2释放的电流的方向与第二开关二极管d2极性同向，第二开关二极管d2处于导通状态，使第二输出电容cout2处于充电状态，两端的电压按照高于所述工作电压值进行升压。输出电压vout与输入电压vin的关系如下：
[0069][0070]
其中，d为第二开关sw2的占空比，通过具体的boost直流开关电源芯片册所提供方法来设置。也就是说，所述第二开关sw2提供开关信号的频率为预设值。
[0071]
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。