（光学专业论文）可见红外波长计的电路改造和设计.pdf

摘要 为精确地测量激光器的输出波长值，改进设计了一种新型高精度迈克耳逊 干涉型激光波长计系统，其中包括光电转换单元、导轨稳速单元、锁相倍频单 元、高速计数处理单元。为提高仪器的测量精度，在硬件和软件上，提出了新 的设计方案。 采用p i d 稳速方案来确保电机稳速运行；通过锁相倍频单元实现对光电信 号的1 1 2 8 相位细分；利用单片机计数处理单元，系统可以自动从参考信号的 下降沿开始对参考信号和被测信号同步计数，参考激光干涉条纹计数满1 5 0 万 后，参考信号和被测信号可以同时自动锁定计数器。 单片机完成两个计数值的读取、波长运算、1 0 次移位求平均和波长显示等 操作。通过单片机控制l c d 显示，实现了7 位波长的精密测量与显示。对6 3 3 n m 和5 3 2 n m 激光波长实际测量数据表明该计数系统使得波长的测量精度达到2 l o 。单片机程序的控制使得测量智能化，测量精度有明显提高。为研究测量精 度为1 0 1 量级的8 位波长计提供了借鉴经验 为弥补传统波长测量方法的不足，提出了高速数据采集方案，为今后的多 波长计的研发提供了新的途径。 关键词：波长计；迈克尔逊干涉；计数电路；单片机 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt om e a s u r et h eo u t p u tw a v e - l e n g t hv a l u eo f t h el a s e rm a c h i n e p r e c i s e l y , w ed e s i g n e d t oas e to f n e wh i g hp r e c i s em i c h e l s o ni n t e r f e r e n c el a s e rw a v e l e n g t hs y s t e m t h es y s t e mi n c l u d e d t h el i g h te l e c t r i c i t yc o n v e r s i o nu n i t , s t a b l es p e e du n i t , p l lm u l t i p l ef r e q u e n c yu n i t , h i g hs p e e d c o u n t e rp r o c e s s i n gu n i t f o ri m p r o v i n ga c c u r a c yo f i n s m u n e n t , w ep u tf o r w a r dan f wd e s i g n p r o j e c t t h eh a r d w a r ea n dt h es o r w a m p i ds t a b l es p e e dt r a i ti n s u r e de l e c t r i c a l 盯蛳r i n g 册s t e a d i l y ；p l lm u l 却l ef r e q u e n c yu n i t m a k e1 1 1 2 8p h a s i cs u b d i v i s i o nf o rl i g h te l e c t r i c a ls i g n a l ；m c uc o u n t e rp r o c e s s i n gu n i t 伽 a u t o m a t i c a l l ys t a r tt oc o u n tp u l s e sa tt h es a m et i m eb yat r i g g e rc i r c u i tw h i l ef a l l i n ge d g eo f s i g n a l o f r e f e r e n c el a s e ra r r i v e d c o u n t e r sc a r lb el o c k e da l s o 砒t h ef a l l i n ge d g eo f s i g n a lo f r e f e 爬n c e l a s e ra f t e rt h en u m b e r so f s i g n a lo f r e f e r e n c el a s e ri se q u a l st o1 5m i l l i o n m c ur e a dc o u m c r i n gn u m b e r so f t h et w ot i m e r sa n dc a l c u l a t e sw a v e l e n g t h f u r t h e r m o r e ， a v e r a g ew a v e l e n g t hv a l u ec a l lb eg o t t e nw i t hs h i f t - m e a n i n go f t e nt i m e sa n dd i s p l a y e do l ll c d w i t hs f v u 日ib i t si nd e c i m a l t h et w of r e q u e n c y - s t a b i l i z e dl a s e r so f 6 3 3 n ma n d5 3 2 n mw e r e m e a s u r e di np r a c t i c e a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e di 乜m e a s u r e m e n ta c c u r a c yw a ss u p e r t o2 lo - 7w i t ht h i sd e s i g n b e c a u s eo f m c uc o n t r o la n ds o r w a r ef o rd a m p r o c e s s i n g t h e m e a s u r e m e n tw a si n t e l l i g e n tw i t hh i g hp r e c i s i o n t h i sw a sa g o o dr e f e r e n c ef o rd e v e l o p m e n to f e i g h t - b i tw a v e - m e t e r f o ri m p r o v i n gt r a d i t i o n a lw a v e l e n g t hm e a s u r em e a n , w ep u tf o r w a r dh i g hs p e e dc o l l e c t i n g i n b i gc a p a b i l i t yp r o j e c tt h ep r o j e c tp r o v i d e dan f wm e a nt ot h ed e v e l o p m e n to fm e a s u r e s y s t e mo f m a n yw a v e l e n g t h sa f i e b r t i l l l e k e y w o r d s ：w a v e - m e t e r ；m i c h e l s o ni n t e r f e r e n c e ：c o u n t i n gc i r c u i t ；m c u 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：刮近 关于论文使用授权的说明 日期叼； 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：引通 聪名：白戌砻) 眺习“1 第1 章绪论 i i 课题背景及意义 第1 章绪论 频率、长度和时间是物理学中的三个基本物理量纲，其基本测量的精度直 接影响其它物理量的测量。频率稳定的激光已经成为了频率、长度和时间计量 的有力工具。现代应用中的参考波长多是由激光提供的。激光问世十年后，就 出现了与微波频标相类似的光频标准。光频标准具有很高的频率稳定度和复现 性；采用一系列高技术的测量手段，可以准确测量光频标准的频率值，从而用 于长度和时间的规范标准。 一般地，可调谐激光器和半导体激光器在使用时事先不能确定其输出波长， 这是由于可调谐激光器可以利用其调谐机构在很宽的波长范围内调节其输出光 的波长。半导体激光器则在改变其工作参数时，输出光的波长会发生变化。这些 激光器在使用时大多必须精确知道它们的输出波长。 大多数的激光器在维修以后也必须对其输出波长进行重新标定；在某些被 测激光波长的邻近波段，尚未建立有国际推荐值的频率或波长标准。因此，不 能通过拍频方法直接获得准确的频率值，通过测量激光器输出波长可以将其转 换为精确的频率值。 1 9 7 3 年美国标准局( n b s ) 用3 3 9 v m 甲烷稳定激光的频率值和真空波长值得 到了新的光速值，其测量不确定度为4 x i o - 。这个数值的不确定度比当时用微 波频标测量的国际推荐值的不确定度3 1 0 。7 ，提高了近1 0 0 倍。这项突破性的 成果为米的重新定义奠定了技术基础。 1 9 8 3 年，第1 7 届国际计量大会通过了第三次米定义：“米是光在真空中在 1 2 9 9 7 9 2 4 5 8 秒的时间间隔内行程的距离。”这个定义在实验室复现的方法是 由公式a = c t 确定的，式中c 是约定的真空中光速，即c = 2 9 9 7 9 2 4 5 8 皿s 。，是 实验室测量的光频标准的绝对频率，a 即由c 和，计算得出的真空波长值，由此 复现了新的米定义，而且这也是米的可操作性定义。实验室准确测量激光频率 值后，经国际组织确认后将其作为推荐值正式发布，作为世界各国的统一标准。 北京工业大学理学硕士学位论文 因此，激光波长( 频率) 是激光器性能测试的一项重要参数。激光的波长( 频 率) 在精密测量、光通讯的d w d m 、激光光谱学、半导体激光器生产制造等领域有 着广泛的应用前景，这项参数已越来越引起人们的重视，各国科研机构和公司都 投入了很大的人力、财力来开展这方面的研究。 激光器的波长( 频率) 检测，无论是脉冲激光还是连续激光，都可以根据各 种不同的原理和方法，设计研制出多种波长测定仪器( 波长计) 。激光波长测量的 方法很多，但是理论和实践证明干涉方法是最实用、最精确和最可行的波长测量 技术。这类波长计的测量原理主要基于未知波长激光与已知波长激光的干涉条纹 与已知参数的标准具进行精密比对，获得未知激光的波长参数。一般在波长计内 部配置特定的已知波长激光器或已确定参数的标准具。 1 2 波长计种类、原理及发展现状 1 2 1 基于斐索( f i z e a u ) 干涉仪的波长计 j j s n y d e r 首次介绍了用干涉仪测量波长的方法，并于1 9 7 9 年研制出了 该装置，此后斐索波长计不断得到完善，可以测量脉冲激光器或连续激光器输 出光的波长。 图卜1f i z e a u 波长计装置结构 f i gl if i z e s uw a v e - m e t e rd e v i c ec o n f i g u r a t i o n 斐索波长计装置结构如图卜1 所示，光学系统非常简单，一般不需要参考光 源。f 和f ：是两个形成干涉仪的未镀膜表面。e 。是输入光场，e 。和巴是分别从未镀 第1 章绪论 膜表面f 。和f ：反射的光场，这两束反射光在c c d 探测器上形成正弦型的干涉条纹， c c d 输出模拟信号，再由取样放大器和模一数转换器( a d c ) 转换成数字信号，读 入计算机中进行计算，最后确定光源的波长值。 美国n e wf o c u s 公司生产斐索干涉型波长计，其产品指标。1 如下：波长测 量范围为0 4 - 1 0 um ，精度为1 0 ( 表示计1 0 6 个数值，误差为1 个计数值， 以下文中类似书写同理) 。国内中国科学院上海光机所曾在1 9 9 3 年研制成功斐 索激光波长计。1 ，精度为0 0 1 r i m 。 斐索干涉型波长计虽结构简单，但测量精度低于法布里一珀罗干涉型和迈克 尔逊干涉型波长计。由于温度对波长计测量精度影响很明显，这两种测量装置 须放入恒温箱。 1 2 2 基于法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ) 干涉仪的波长计 法布里一珀罗干涉波长计是利用光束通过两块镀以高反射率、间距一定的玻 璃板时产生多光束干涉的现象，测量待测激光波长，这种波长计可用来测量脉冲 或连续激光器的输出波长，系统可采用多个不同厚度的标准具，装置结构如图卜2 所示“。法布里一珀罗波长计通过波长值己知的参考激光和待测激光产生的干涉 条纹进行比对，测量待测激光波长。 分 照相机b 凹面反射镜 图卜2 法布里一珀罗波长计装置结构 f i g1 - 2f a b r y - p e x o tw a v e , - m e t e r d o v i c ec o n t i g u r d t i o n 北京工业大学理学硕士学位论文 美国勃莱( b u r l e i g h ) 公司是世界最大的波长计生产企业，其法布里一珀罗 干涉波长计有两种型号：w a - - 4 0 0 0 和w a - - 4 5 0 0 ，w a - - 4 0 0 0 型含有一个楔形标 准具，测量精度为1 1 0 1 ，测量范围为4 0 0 - 1 l o o n m ：w a - - 4 5 0 0 型含有两个楔 形标准具，光谱分辩率为1 5 g h z ，测量精度为1 1 旷，测量范围为4 0 0 - 1 1 0 0 n m 。 1 2 3 基于迈克尔逊( m i c h e i s o n ) 干涉仪的波长计 1 2 3 1 迈克尔逊干涉原理“” 迈克耳逊干涉波长计是以迈克尔逊干涉仪为基础，其基本构成与迈克耳逊 干涉仪类似，如图1 - 3 所示 d 。t - 一反射钿韵虚 i i 以萨 u + 晦一l 删- i 瞳透镜丹光板 i l g l ， ) 圈卜3 迈克尔逊干涉原理 f i g1 - 3m i c h e l s o ni n t e r f e r e n c ep f i n c i p i u m m 和 毛是互相垂直的两个反射镜，二者镀有高反射率的反射膜层。其中 膨可以沿精密导轨作平稳的平行移动。g l 和g 2 是厚度相等的平行平面玻璃板， 其中g i 的背面镀有半透半反射膜，可使入射光分成强度相等的反射光和透射 光。由光源s 发出的光，经透镜工准直，变为平行光，照射在分光板g 上，一 半反射，一半透过，形成两束相干光i 。和i ：，光束i 。经反射镜反射后到达光电 探测器，光束i 。先后经j l 如和分光板g i ，到达光电探测器。光电探测器将干涉 强弱变化转换为电脉冲信号输出。 m ， 如与g l 的半透半反层距离相等，m 不动时，光束i - 和光束i z 到达 第1 章绪论 光电探测器，光程应相同；光束i - 通过g i 玻璃板两次，而光束i z 一次未通过， 为了补偿g l 引起的光程差，加入补偿板g 2 。 来自鸩的反射光可以看作是从嘭发射出来的，而嘭是由g i 的镀膜层形 成的虚像。在光电探测器处可知，光束i 是入射光在m 反射后得到的，而光束 i z 是同一入射光束在腹上反射后得到。若m 和鸠严格垂直，则两反射面l f 。和 必就严格平行，形成等倾干涉。可以观察到，在焦平面上是一组圆形的干涉条 纹。根据薄膜干涉的光程差公式，光束i 。和i ：的光程差为：a d = 2 r i d ，式中d 是m 和幔问的距离，行为空气的折射率，近似为1 ，得到：= 2 d 。当光束 的波长为a 时，则只要i v = 妥( n 为整数) ，光电探测器处就会出现一次干涉 上 极大亮点。当 沿法线方向以速度y 做平行移动时，两反射面m 和峨的光程 差随时间线性变化，即d = 2 d + 2 w ，干涉条纹的明暗状态也随之变动。增大 d ，圆环的中心条纹将向外冒出n ( ：型呈，z 为激光的波长) 个条纹；减 l 小甜，中心条纹就向中心缩进：兰竽个条纹。 若己知激光波长，则可以通过计算。吞入”或“吐出”的条纹数目来测定 移动距离d 。若能精确测定d 就能够测量激光的波长，同时以一束已知波长 的稳定激光，确定d ，对另一束未知波长的激光的条纹数进行测定就构成了迈 克耳逊波长计，其精度理论上可以达到a 2 所以迈克尔逊干涉仪为精确地测 量长度提供了一种非常精确的方法，同时也为测量未知激光波长提供了实验基 础。 1 2 3 2 波长计光路布局及测量原理 按照迈克尔逊干涉仪原理，波长计光路布局如图- 4 所示。其中标准参考 光源采用6 3 3 r t m 内腔型h e n e 激光器，利用双纵模热控稳频方法进行稳频，其 波长的稳定度为1 0 1 量级，复现性优于2 l o - 。 北京工业大学理学硕士学位论文 图l - 4 波长计的光学系统 f i g1 - 4w a v e m e t e ro p t i c a ls y s t e m 由图1 - 4 可见，参考光和被测光形成干涉条纹的光路基本相同。参考光源 输出光束1 1 ，进入半透半反分光镜g ，在一点分成透射光1 1 和反射光i l ”， 透射光1 1 经反射镜尼，进入可动角锥反射镜c l ，透射光1 1 平行入射光线， 从角锥反射镜c i 返回到反射镜尼，回到半透半反分光镜g 的占处，有一部分光 反射到探测器风处，其余光线穿过分光镜，射出光栏；同时反射光i l ”经反射 镜尼和角锥反射镜g 后，也返回到半透半反分光镜g 的口处，光束i l 和1 1 ” 同时入射到探测器d 。，并发生干涉。由光探测器d 接收干涉信号产生的电脉冲 输出，作为参考信号。 被测光由光栏射入，形成干涉的过程与参考光相同，待测光分光点在b 处， 会合点在a 处，干涉信号由光探测器m 接收，作为被测信号 调整时可借助参考光n 在b 点的透射部分，将被测光由光栏射入，与射 出的参考光调整至重合。两个角锥反射器c l 和c 2 安装在同一可在的平行导轨上 自由滑动的滑块上。滑块由驱动电机拖动可移动角锥沿导轨往返平动，使参考 第1 章绪论 激光和被测激光随位移变化各自产生光程差。在探测器处发生干涉现象，产生 明暗变化的条纹，由光电探测器历和历接收，转换成电脉冲信号，经过放大器 放大后输出到数据采集和处理单元得到参考激光和被测激光干涉条纹数。由于 角锥反射镜c l 和c 2 安装在同一运动导轨上，二者的光程相同，定量分析可得： ，冬= 饥d ( 1 一1 ) 式中，以为参考激光的波长，一为参考激光的空气折射率，为参考激光 产生干涉条纹的数量，d 为可动反射镜的移动距离。 对于被测光，可以得到同样的公式： 蜒冬= 4 吃d ( 1 2 式中，以为被测激光的波长，以为被测激光的空气折射率，m 为被测激 光产生干涉条纹的数量，d 为可动反射镜的移动距离 由公式( 1 一1 ) 和( 1 - 2 ) 得到： 纠告c c 可见当可动反射镜沿轴向平移时，同时记录参考激光与被测激光两组不同的 干涉条纹，根据两组条纹数比值与参考激光的真空波长值的乘积及空气折射率， 可直接求褥被测激光波长值。 1 2 3 3 影响误差的因素 波长计的精度主要取决于( 1 - - 3 ) 方程中的各项取值： 等一由参考激光和被测激光的干涉条纹数量算出；此项为影响精度的主 要因素，可知当，l 或i l 时误差将较大以1 5 0 万个计数量来计算，其误 差为f 五等矿一l 矿，所以需要相位细分。使_ 志t 战，土志。 生一为了确定相对于真空的波长，必须给出色散校正，它与波长计内空气 刀7 的温度、压力和湿度有关；色散校正值通常可以表示为： 北京工业大学理学硕士学位论文 ( 竺q = 彳( a ) r + 口( a ) p + c ( a ) 刀， 式中，a t 为温度误差。a p 为压力误差，日为相对湿度误差 2 一即参考激光的真空波长，它的绝对精度是波长测量精度的基础。此项 影响误差的作用不大。 当角锥反射镜沿轴向平移时，同时记录参考激光与被测激光两组不同的干 涉条纹，根据两组条纹数比值与参考激光的真空波长值的乘积，可直接求得被 铡波长的真空波长值。 从上面的分析，可以看到，由于角锥棱镜的反射作用，不论参考激光和被 测激光，光程差变化为电机移动距离的四倍( 折射率近似为1 时) 在分光镜上 发生一次明暗变化时，相当于光程差变化了五2 ，光电探测器中就有一个条纹 变化。 1 2 3 4 当前迈克耳逊波长计发展水平 迈克尔逊波长计的测量精度可达1 1 0 ，高于另外两种波长计在国外， b u r l e i g h 公司在1 9 8 2 年开展了迈克尔逊波长计的研究，但由于当时技术的局 限，其测试精度只达0 o l n m 。并且整个仪器封装在真空室中，体积大，给使用 带来诸多不便。1 9 9 3 年中国科学院上海光机所，做了初步的研究，采用计算机 完成参考激光和被测激光脉冲个数的计量，并求得被测激光波长值。1 ，但未见 后续报道。 1 3 本章小结 本章分析了波长( 频率) 值对于激光器的重要性和激光波长的应用领域及 前景。讨论了斐索、法布里一珀罗和迈克尔逊波长计的测试原理及研究现状。详 细阐述了迈克尔逊干涉原理，依照此原理，提出了双光路方案。分析了光电探 测器中干涉信号的形式，并得到了参考电信号和被测电信号公式，为后续的信 号采集和处理奠定了理论基础。 第2 章导轨稳速单元 第2 章导轨稳速单元 干涉条纹是通过运动导轨来拖动活动反射镜的。两束激光产生相等的光程 差。在各自的光电探测器上形成干涉信号，作为后续处理和数据记录的初始信 号可见，导轨运动速度恒定，才能获得频率稳定的干涉信号。 2 ip i d 控制原理简介 p i d ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld e r i v a t i v e ) 控制是最早发展起来的控制方案 之一。在控制工程中有着最广泛的应用。p 是指比例运算，i 是指积分运算，d 是指微分运算，以上3 个参数可以对系统实现误差校正。现代自动控制系统 中引入p i d 调节器，一定程度上合理地解决了动态稳定性和静态增益之间的矛 盾。因此，非常适合波长计导轨稳速系统的要求。 p i d 控制理论具有如下优点： 1 原理简单，应用方便，参数整定灵活。 2 适应性强，广泛应用于电力，机械，化工等生产行业，以及航空航天、 卫星导弹等尖端领域。 3 鲁棒性强，即其控制的品质对受控对象的变化不太敏感。这是它获得广 泛应用的最重要的一个原因。 典型的p i d 调节器的结构框图如图2 - i ： 图2 - ip i d 调节器结构图 f i g2 1p i d a d j u s 佃rf r a m e w o r k 图中u ( t ) 为控制器输出，e ( t ) = r ( t ) - c ( t ) 为系统误差信号，r ( t ) 为系统输 北京工业大学理学硕士学位论文 入量，c ( t ) 为系统输出量。 系统性能的时域函数为： = 耻m 考m 出+ 乃警】 ( 2 - 1 ) 其传递函数为： ) = 鬻= 即+ 石1 怖) 2 ) 因此p d 的整体功能可以看成是几部分功能的线性叠加 ( 1 ) 比例控制功能： 比例控制器输出与偏差信号之间的关系为： 甜( f ) = k ，e ( 0 ( 2 - 3 ) 比例控制器的传递函数为： g ，( j ) = u ( j ) ，e ( f ) = k ， ( 2 - 4 ) 比例调节反映了偏差量的瞬时值。比例系数k p 越大，则纠正偏差的控制作 用越强。比例控制是最基本的控制，如果过小，则基本控制作用也就变小；如 果它过大，则很可能“控制过头”，使系统不稳定。甚至引起自激振荡。纯采用 比例控制来改善系统的性能指标往往顾此失彼，难以处理复杂情况 ( 2 ) 比例积分( p d 校正电路： 在p i d 调节器中，当t f o 时，就得到比例积分控制器。比例积分控制器传 递函数如下： o ) = k ，( 1 + 去) ( 2 - 5 ) 积分反映了对偏差历史误差的累积，具有记忆功能。只要偏差不为零，积 分项就持续变化，产生缩小偏差的控制作用。当给定输入为常数时，只有偏差 为零酃稳态误差为零，积分项才不再变化，系统才达到稳定。也就是说，积分 项能改善系统稳态精度，在一定范围内，积分项系数越大，改善稳态精度的作 用越大。 p i 调节是一个滞后环节，在考虑系统稳定性时，乃应足够大。然而，若z 过 第2 章导轨稳速单兀 大，则积分作用变小，会影响系统的稳态性能，同时，由于引入了滞后环节， 会导致系统响应速度的变慢。为此需要通过合理调节k 。和z ，使系统的动态性 能和稳态性能均满足要求。 ( 3 ) 比例微分( p d ) 校正电路： 比例加微分控制器传递函数如下： g ，d ( j ) = k 。( 1 + 乃s ) ( 2 - 6 ) 微分作用具有预测特性。时间常数l 就是微分控制作用超前于比例控制的 时间间隔，因此提高了系统的响应速度。但同时，微分永远不能预测不存在的 作用，而且会将噪声信号进一步放大。 p d 控制器中微分项反映了偏差量的变化方向。当偏差不断变小时，意味着 系统状态向期望方向发展，则微分项是负值，使总控制量减小，以免控制量过 大而引起过大的超调；当偏差不断变大时，微分项是正值，使总控制量增大， 可以更快的纠正偏差。所以，p d 调节器可以加快响应速度，增加稳定性。 p d 控制器实际上是一个超前校正装置，当引入了p d 控制器后，提高了系 统的响应速度，改善了系统的动态性能。 但是单纯采用p d 控制的系统较少，因为纯微分环节在实际控制电路中无法 单独实现，同时，若采用p d 控制，则系统各环节中的任何扰动均会对系统输出 产生较大的波动，尤其是出现跳变信号时情况将更加严重，因此不利于系统动 态性能的改善。 ( 4 ) 比例积分微分( p i d ) 校正电路； 传递函数如公式2 2 所示，p i d 控制在低频段主要起积分作用，改善了系统 的稳态性能；在中高频段主要起微分控制作用，提高了系统的响应速度。 2 2 波长计电机稳速系统单元设计 本节将讨论波长计导轨稳速系统中的最重要的两个单元的设计，即频率一电 压转换电路和功率驱动电路。 北京工业大学理学硕士学位论文 2 2 1 频率一电压转换电路 光信号经过光电探测器与放大器之后转换为一系列方波脉冲信号为了量 化其输出频率，以便于p i d 控制，设计了频率一电压转换电路。 频率一电压转换器是把输入脉冲转换为输出直流电压的一种电路，输出的直 流电压与输入脉冲频率成线性关系 频率一电压转换器采用l m 3 3 1 芯片，其管脚6 为输入的脉冲频率，管脚1 为 输出电压n “。输入频率在1 5 l 【h z 9 0 k h z 之间，输入频率与输出电压之间保 持着很好的线性关系；但超过9 0 k h z 时，不再满足上面的线性关系，该芯片在 理论上具有精确的线性关系。 2 2 2 功率驱动电路 由于p i d 控制器的输出调整电压很小( 约为2 0 0 m v 以下) ，而驱动电机运动 通常需要0 2 v 以上的电压，所以p i d 控制器不能直接驱动电机。功率驱动电路 作为音圈电机控制系统的执行机构，为音圈电机线圈提供驱动电流。其主要要 求如下： ( 1 ) 在输入电压0 1 2 v - 0 2 3 v 之间保持线性。 ( 2 ) 输出电压在0 2 0 v - o 3 9 v 之间，而且具有良好的线性度。 综合考虑，选取了l 1 6 5 作为功率驱动运算放大器。其最大输出电流为3 a 该功率驱动电路通过输出电压，在电机内部产生电流，之后在磁场的作用下产 生电磁力，牵引线圈匀速运动。 第2 章导轨稳速单元 图2 - 2 音圈电机的功放电路 f i g ：2 - 2v c m sp o w e r a m pc i r c u i t 2 3 波长计电机稳速系统方案 在波长计测光波长的过程中，要求音圈电机以恒定速率移动，使光束光程 差匀速变化。这样干涉光的明暗变化的频率才能稳定，以利于锁相环倍频、高 速计数以及波长值的精确计算。为此精心设计了高稳定性的伺服系统，确保音 圈电机稳速运行。 l i m i t da_ 芝+ l i m i h b 2 - 3 音圈电机的控制原理 f i g2 - 3v c m sc o n t r o lp r i n c i p i u m 伺服系统的总体原理框图如图2 3 所示。控制电机运行速度信息来自于参 考激光的干涉图像由音圈电机带动角锥棱镜移动，引起光程差随时间变化 a d = 4 v t ，其中v 是电机移动速度。根据干涉原理，光程差每变化, i 2 ，将引 起一次干涉明暗变化。因此角锥棱镜以速度r 移动时，光电探测器观测到光强 北青t 业大学理学硕士学位论文 r ! 暑! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈 交化的频率厂= s v t 1 , 。 当a = 6 3 3 n m 时，光电转换电路产生频萝i0 9 k 的正弦波，f 锥反射镜运动 速度为： 1 v ：三a 厂= 三6 3 3 x 1 0 。9 2 9 1 0 3 3 0 8 m m s 8 8 与实测电机速度吻合。 当电机移动速度不稳定时，探测器输出的信号频率也将发生变化。如果频 率变化超出后面锁相环路的锁定范围，就会出现失锁。必然破坏环路倍频的功 能，引起计数单元的错误计数 如何稳定电机的运行速度，对迈克耳逊波长计是至关重要的。 首先采用f _ v 转换单元，将探测器输出的周期方波信号转换为直流电压信 号，以便于采用较先进的p i d 控制伺服系统，将电机速度控制在一定范围之内。 其次，利用锁相环路的入锁信号，触发计数器单元的计数启动和终止，以 便消除电机启动过程和终止过程可能引入的误差。 2 3 1 电机稳速系统 为了使光电探测器得到稳定的干涉信号，导轨电机必须维持稳速运动。音 圈电机稳速控制是光( 参考激光) 、机( 运动导轨) 、电( p i d ) 的闭环反馈系统， 其控制原理如图2 - 3 所示 由图2 - 3 所示，音圈电机( v c m ) 控制系统包括光电探测器( p h o t o d i o d e ) 、 前置放大器( p r e a m p ) 、整形电路( s h a p e r ) 、频率一电压转换器( f v ) 、速 度差取样电路( e r r o r ) 、p i d 控制器、功率驱动电路( p o w e r - a m p ) 和电机及两 个限位开关( l i m i t e ra 和l i m i t e rb ) 等。 整个控制系统是以参考激光( r e f e r e n c el a s e r ) 的干涉信号作为速度控制 的基准信号源，参考光源选用双纵模稳颏h e n e 激光器，其频率( 波长) 非常 稳定。激光干涉信号在光探测器产生的电压幅度很微弱，经过前置放大器，将 信号放大；整形电路采用单限比较器，将正弦信号转换为频率相同的周期方波。 频率一电压转换电路的作用是把周期方波信号转换为输出电压与输入周期 方波频率成正比例的直流信号，即输入脉冲频率越高，输出直流电压越大。 第2 章导轨稳速单元 速度差取样电路用来获取电压频率转换电路输出电压和p i d 设定值的电压 差即误差信号e ，并作为p i d 电路的输入信号。 p i d 电路根据电压差的大小，输出调整电压，经功率放大电路驱动电机的 电压，达到校正电机运动速度的目的。 功率放大电路为电机线圈提供驱动电流，在磁场的作用下，产生牵引力， 使电机能够带动可移动棱镜直线运动。 当电机以稳速运动时，光程差为4 v t0 为电机运动速度，t 为时间) 。光电 接收器中的电信号颏率不交。当音圈电机由于外界的扰动，速度发生变化，光 电探测器中的干涉信号频率随之改变。频率电压转换电路输出的直流电压偏离 p i d 控制器的设定值，速度差作为p i d 控制器的输入信号，经过p i d 的适当调 整，输出控制电压给功率放大器，功率放大器调整电机线圈的驱动电流，消除 扰动的影响，使电机稳态运动。 因此，在波长计系统中，参考激光起到两个作用：首先，参考激光用来和 被测激光进行比对，得到被测激光的波长；第二，作为音圈电机的稳速控制系 统的基准信号源。 2 3 2p i d 控制器参数的整定 所谓控制器的参数整定。就是确定最佳过渡过程中控制器的比例、积分、微 分三个参数“”。但p i d 控制器的参数与系统所处的稳态工况有关。一旦工况改 变了，控制器参数的“最佳”值也就随着改变，这就意味着需要适时地整定控制 器的参数。但p i d 参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员。 在实时控制中，一般要求被控过程是稳定的，对给定量的变化能够迅速跟踪 超调量要小且有一定的抗干扰能力。一般要同时满足上述要求是很困难的，但必 须满足主要指标，兼顾其它方面。参数的选择可以通过实验确定，也可以通过试 凑法或者经验数据法得到。由于波长计中影响系统的因素较多，很多导致偏差的 因素不能准确量化。综合考虑，本系统采用试凑法来确定p i d 的参数。 实验中，根据经验法，设定p i d 调节器的各项参数如下：k 产l5 ，t j = l o m s ，t 产 2 2 m s 。之后再根据试凑法作进一步的调试。 所谓试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度，边观察系统的 北京工业大学理学硕士学位论文 运行，边修改参数，直到满意为止。 一般情况下，增大比例系数l ( - 会加快系统的响应速度，有利于减少静态误 差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，甚至产生振荡使稳定性变差。 减小积分系数k 1 将减少积分作用，有利于减少超调使系统稳定，但系统消除静 差的速度慢。增加微分系数l ( 有利于加快系统的响应，且超调减少，稳定性增 加，但对干扰的抑制能力会减弱。在试凑时，一般可根据以上参数对控制过程 的影响趋势，对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。 ( 1 ) 比例部分调整 首先将积分系数k 和微分系数i ( d 取零，即取消微分和积分作用，采用纯比 例控制。将比例系数i ( 口由小到大变化，观察系统的响应，直至出现一定范围的 超调为止。如果系统静差在规定范围之内，且响应曲线已满足设计要求，那么 只需用纯比例调节器即可。 ( 2 ) 积分部分调整 如果比例控制系统的静态误差较大，这时可以加入积分作用。在整定时将 积分系数k 。由小逐渐增加，积分作用就逐渐增强，观察输出会发现系统的静态 误差会逐渐减少直至消除。反复试验几次，直到消除静差的速度，达到设计要 求为止。注意这时的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例系数k 。 ( 3 ) 微分部分调整 若使用比例积分( p i ) 控制器经反复调整仍达不到设计要求，或出现不稳 定，这时应加入微分作用，调整时先将微分系数i ( d 从零逐渐增加，观察超调量 和稳定性，同时相应地微调比例系数k 、积分系数k 1 ，逐步使凑，直到达到设 计要求为止。 音圈电机受外界扰动，产生速度突变或缓慢爬行，偏离预设值，速度差作为 p i d 控制器的输入信号，经过p i d 调节，输出控制电压信号，经过功率放大驱动音 圈电机线圈，消除扰动加在线圈两端电压的影响，从而使被控参数回到预设值实 现线圈( 导轨) 以匀速运动。 经过实验检验，采用这种p i d 控制方法，音圈电机能够很好地拖动导轨实现 3 0 8 m s 匀速平动，同时，参考激光干涉信号频率保持在2 9 k h z 附近，为后续的信 号处理和数据记录奠定了基础。 第2 章导轨稳速单元 2 4 逻辑辨向电路 音圈电机不仅要稳速运行，还要能够往返运动，即在起始点和终点位置， 控制系统要为音圈电机提供返回信号。此时线圈在磁场的作用下应产生反向牵 引力，使电机返回原来的位置，逻辑辨向电路如图2 - 4 所示“1 ” 图2 - 4 音圈电机的逻辑辨同电路 f i g2 - 4v c m sl c 哂c a ld i r e c t i o nc i r c u i t 行程开关l i m i t e ra 和l i m i t e rb 分别位于滑动模块的起点和终点。行程 开关是一个光电发射一接收裟置，内部的发光二极管始终导通，当发射红外光 时，三极管接收光信号，自身处于导通状态，输出电压接近+ 5 v ；当行程开关从 中间被阻挡，二极管发出的红外线被屏蔽，三极管截止，输出电压为零。 行程开关输出电平由电压比较器l m 3 9 3 的正向端输入，反相端连接阈值电 压输入端，约为2 5 v ，构成单限比较器，其传输特性如图2 5 所示，当输入电 平高于2 5 v 时，l m 3 9 3 输出电压为高电平。输入电平低于2 5 v 时，l m 3 9 3 输出 电压为低电平。 北京工业大学理学硕士学位论文 u o ( v ) 。 、 u o 芦y u f o v 2 5 y u i ( 移 图2 - 5 电压比较器l w 3 9 3 的传输特性 f 遮2 - 5c l l a m 咖出血o f v o l t a g ec o m p a r a t o r - l m 3 9 3c i r c u i t 一 两个与非门c d 4 0 1 1 构成r s 触发器。分析r s 触发器的功能表( 见表2 1 ， r s 表示低电平有效) ，可知；当r = l ，s = o 时，c d 4 0 1 1 的q = 0 ；当r = o ，s = 1 时，c d 4 0 1 l 的q = 1 ；当r = l ，s = 1 时，q 保持不变。由于l i m t e ra 和l i m t e r b 只能其中一者被阻挡，所以不存在r - - - o s = o 的情况。 表2 - 1 脑触发器功能表 t a b 2 - 1 憋t r i g g e rf l m c t i o m lt a b l e rs矿矿纠逻辑功能 00 01置0 lo 01 l 0置1 11 0o 1 1保持不变 l1 如图2 - 4 所示，芯片c d 4 0 1 6 的输入端接地，使能端c 为低电平时，输出端 和输入端导通，输出电压为低电平：使能端为高电平时，输出截止，为高阻态。 u 2 ( o p 0 7 ) 作为p i d 控制器的输出电压跟随器，其电压随p i d 控制器输出 电压而变化，并作为功率驱动电路l 1 6 5 的反相输入。u 2 反相输入端和c d 4 0 1 6 第2 章导轨稳速单元 的输出端相连，根据c d 4 0 1 6 的两种输出状态，可以确定u 2 的输出情况：当c d 4 0 1 6 输出低电平时，u 2 的同相端接地，输出电压和p i d 输入电压反相，在功率驱动 电路中产生反向驱动电流，带动电机反向运动；当c d 4 0 1 6 输出高阻状态时，其 输出端和u 2 的同相端断开不影响u 2 的输出，u 2 作为前级p i d 电路的电压跟 随器。 表2 - 2 逻辑辨向电路功能表 f i 9 2 - 2l o g i c a ld i r e c t i o nc i r c u i t sf u n c t i o n a lt a b l e l 1 6 5 中驱动 电机位置 ，rs口d i r e c t i o nu 2 输出 电流方向 a - b111 高阻同相正向 b 0l o o反相反向 b al100 反相反向 al01 高阻同相 正向 a b111 高阻同相 正向 假定线圈沿a 至b 的方向为正方向，反之为负方向，分析表2 - 2 ，可知： 音圈电机起始位置在l i m i t e ra 和l i m i t e rb 之间时，r = 1 ，s = i ，q 保持原来 的状态，即q = 1 ，c d 4 0 1 6 为高阻态，不改变l 1 6 5 中驱动电流方向，音圈电机 保持正方向运动。到达b 时，r = 0 ，s = 1 ，q = 0 ，c d 4 0 1 6 输出低电平，u 2 的输出 电压和输入电压反相，则l 1 6 5 中驱动电流换向，电机线圈在磁场的作用下，产 生反方向牵引力，拖动线圈向负方向运动在由b 向 移动过程中，线圈仍保 持负方向的直线运动，到达a 点，r = 1 ，s = 0 ，d i r e c t i o n 为高阻态，u 2 的输出 电压和输入电压同相，l 1 6 5 中的电流再次换向，线圈沿正方向运动，由a 向b 移动过程中，r = l ，s = 1 ，q 保持原来的状态，回到初始状态 北京工业大学理学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章提出了音圈电机的稳速控制系统方案，它是光( 参考激光) 、机( 运动 导轨) 、电( p i d ) 的闭环反馈系统。通过示波器可以观察到光电转换电路输出 信号频率值稳定，表明导轨运行稳定，控制系统符合音圈电机的运动要求。 第3 章光电接收与锁相倍频单元 第3 章光电接收与锁相倍频单元 在第1 章分析了干涉条纹的形成过程，为获取被测激光的干涉条纹数目m 和参考激光干涉条纹数目，须将光束干涉的明暗变化经光电转换电路转换为 电信号。为了提高仪器的测量精度，波长计采用锁相倍频方案将参考信号和被 测信号做了1 2 8 倍的细分处理。 3 1 光电接收电路 光电