Controlador servo rápido PID moglabs

Presupuesto

• Modelo: MOGLabs FSC
• Tipo: Servocontrolador
• Uso previsto: Estabilización de frecuencia láser y estrechamiento del ancho de línea.
• Aplicación principal: Control de servo de baja latencia y alto ancho de banda

Instrucciones de uso del producto

Introducción

El FSC de MOGLabs está diseñado para proporcionar control servo de baja latencia y alto ancho de banda para estabilización de frecuencia láser y estrechamiento de ancho de línea.

Teoría básica del control por retroalimentación

La estabilización de la frecuencia de retroalimentación de los láseres puede ser compleja. Se recomienda review Libros de texto de teoría de control y literatura sobre estabilización de frecuencia láser para una mejor comprensión.

Conexiones y controles

Controles del panel frontal

Los controles del panel frontal se utilizan para ajustes y monitoreo inmediatos. Estos controles son esenciales para realizar ajustes en tiempo real durante la operación.

Controles y conexiones del panel trasero

Los controles y conexiones del panel trasero proporcionan interfaces para dispositivos y periféricos externos. Una conexión correcta garantiza un funcionamiento fluido y la compatibilidad con sistemas externos.

Interruptores DIP internos

Los interruptores DIP internos ofrecen opciones de configuración adicionales. Comprender y configurar correctamente estos interruptores es crucial para personalizar el comportamiento del controlador.

Preguntas frecuentes

una empresa santec
Controlador de servo rápido
Versión 1.0.9, hardware Rev 2

Limitación de responsabilidad
MOG Laboratories Pty Ltd (MOGLabs) no asume ninguna responsabilidad que surja del uso de la información contenida en este manual. Este documento puede contener o hacer referencia a información y productos protegidos por derechos de autor o patentes y no transmite ninguna licencia bajo los derechos de patente de MOGLabs ni los derechos de otros. MOGLabs no será responsable de ningún defecto en el hardware o software ni de la pérdida o insuficiencia de datos de ningún tipo, ni de ningún daño directo, indirecto, incidental o consecuente en relación con o que surja del desempeño o uso de cualquiera de sus productos. . La anterior limitación de responsabilidad será igualmente aplicable a cualquier servicio proporcionado por MOGLabs.

Derechos de autor
Copyright © MOG Laboratories Pty Ltd (MOGLabs) 2017 2025. Ninguna parte de esta publicación puede reproducirse, almacenarse en un sistema de recuperación ni transmitirse, de ninguna forma ni por ningún medio, electrónico, mecánico, fotocopiado o de otro tipo, sin el consentimiento previo por escrito. autorización de MOGLabs.

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Santec LIS Corporation 5823 Ohkusa-Nenjozaka, Komaki Aichi 485-0802 JAPÓN +81 568 79 3535 www.santec.com

Introducción

El FSC de MOGLabs proporciona los elementos esenciales de un servocontrolador de alta latencia y alto ancho de banda, diseñado principalmente para la estabilización de frecuencia láser y el estrechamiento del ancho de línea. El FSC también se puede utilizar para ampcontrol de la latitud, por ejemploampEl objetivo es crear un “eliminador de ruido” que estabilice la potencia óptica de un láser, pero en este manual asumimos la aplicación más común de estabilización de frecuencia.

1.1 Teoría básica del control de retroalimentación
La estabilización de la frecuencia de retroalimentación de los láseres puede ser complicada. Animamos a los lectores a...view libros de texto de teoría de control [1, 2] y literatura sobre estabilización de frecuencia láser [3].
El concepto de control por retroalimentación se muestra esquemáticamente en la figura 1.1. La frecuencia del láser se mide con un discriminador de frecuencia que genera una señal de error proporcional a la diferencia entre la frecuencia instantánea del láser y la frecuencia deseada o de consigna. Entre los discriminadores comunes se incluyen las cavidades ópticas y la detección por Pound-Drever-Hall (PDH) [4] o Ha¨nsch-Couillaud [5]; el bloqueo de desplazamiento [6]; o diversas variantes de la espectroscopia de absorción atómica [7].

0

+

Señal de error

Servo

Señal de control

Láser

Discriminador de frecuencia dV/df
Figura 1.1: Diagrama de bloques simplificado de un bucle de control de retroalimentación.

1

2

Capítulo 1. Introducción

1.1.1 Señales de error
La característica común clave del control por retroalimentación es que la señal de error utilizada para el control debe invertir su signo a medida que la frecuencia del láser se desplaza por encima o por debajo del punto de ajuste, como se muestra en la figura 1.2. A partir de la señal de error, un servocontrolador o compensador de retroalimentación genera una señal de control para un transductor en el láser, de modo que la frecuencia del láser se dirige hacia el punto de ajuste deseado. Fundamentalmente, esta señal de control cambiará de signo a medida que lo haga la señal de error, garantizando que la frecuencia del láser siempre se acerque al punto de ajuste, en lugar de alejarse de él.

Error

Error

f
0
Frecuencia f

f Frecuencia f
DESPLAZAMIENTO DE ERROR

Figura 1.2: Señal de error dispersiva teórica, proporcional a la diferencia entre la frecuencia del láser y la frecuencia de consigna. Una desviación en la señal de error desplaza el punto de bloqueo (derecha).
Tenga en cuenta la distinción entre una señal de error y una señal de control. Una señal de error mide la diferencia entre la frecuencia láser real y la deseada, que, en principio, es instantánea y sin ruido. Un servocontrolador o compensador genera una señal de control a partir de la señal de error. Esta señal acciona un actuador, como un transductor piezoeléctrico, la corriente de inyección de un diodo láser o un modulador acústico-óptico o electro-óptico, de modo que la frecuencia láser retorna al valor de consigna. Los actuadores tienen funciones de respuesta complejas, con desfases finitos, ganancia dependiente de la frecuencia y resonancias. Un compensador debe optimizar la respuesta de control para minimizar el error.

1.1 Teoría básica del control de retroalimentación

3

1.1.2 Respuesta de frecuencia de un servo de retroalimentación
El funcionamiento de los servos de retroalimentación suele describirse en términos de la respuesta de frecuencia de Fourier; es decir, la ganancia de la retroalimentación en función de la frecuencia de una perturbación. Por ejemplo:ampUna perturbación común es la frecuencia de la red eléctrica, = 50 Hz o 60 Hz. Dicha perturbación alterará la frecuencia del láser en cierta medida, a una tasa de 50 o 60 Hz. El efecto de la perturbación en el láser puede ser pequeño (p. ej., = 0 ± 1 kHz, donde 0 es la frecuencia del láser sin perturbaciones) o grande (= 0 ± 1 MHz). Independientemente de la magnitud de esta perturbación, su frecuencia de Fourier se encuentra a 50 o 60 Hz. Para suprimir dicha perturbación, un servomotor de realimentación debe tener una alta ganancia a 50 y 60 Hz para poder compensarla.
La ganancia de un servocontrolador normalmente tiene un límite de baja frecuencia, generalmente definido por el límite de ancho de banda de ganancia del operador.ampSe utiliza en el servocontrolador. La ganancia también debe ser inferior a la ganancia unitaria (0 dB) a frecuencias más altas para evitar oscilaciones en la salida de control, como el característico chirrido agudo de los sistemas de audio (comúnmente llamado "retroalimentación de audio"). Estas oscilaciones se producen a frecuencias superiores al recíproco del retardo de propagación mínimo del sistema combinado de láser, discriminador de frecuencia, servo y actuador. Normalmente, este límite está determinado por el tiempo de respuesta del actuador. Para los piezoeléctricos utilizados en láseres de diodo de cavidad externa, el límite suele ser de unos pocos kHz, y para la respuesta de modulación de corriente del diodo láser, el límite se sitúa entre 100 y 300 kHz.
La Figura 1.3 muestra un gráfico conceptual de la ganancia en función de la frecuencia de Fourier para el FSC. Para minimizar el error de frecuencia del láser, se debe maximizar el área bajo el gráfico de ganancia. Los servocontroladores PID (proporcional, integral y diferencial) son un enfoque común, donde la señal de control es la suma de tres componentes derivados de la señal de error de entrada. La retroalimentación proporcional (P) intenta compensar rápidamente las perturbaciones, mientras que la retroalimentación integradora (I) proporciona una alta ganancia para desviaciones y derivas lentas, y la retroalimentación diferencial (D) añade ganancia adicional para cambios repentinos.

4

Capítulo 1. Introducción

Ganancia (dB)

Corte de alta frecuencia. Integrador doble.

60

INT RÁPIDO GANANCIA RÁPIDA
GANANCIA DE DIFERENCIA RÁPIDA (límite)

40

20

Integrador

0

GANANCIA RÁPIDA DE LF (límite)

Integrador

Proporcional

Diferenciador

Filtrar

INT LENTO

20101

102

103

104

105

106

107

108

Frecuencia de Fourier [Hz]

Figura 1.3: Diagrama de Bode conceptual que muestra la acción de los controladores rápido (rojo) y lento (azul). El controlador lento es un integrador simple o doble con frecuencia de corte ajustable. El controlador rápido es un PID con frecuencias de corte ajustables y límites de ganancia en las frecuencias bajas y altas. Opcionalmente, el diferenciador puede desactivarse y reemplazarse por un filtro paso bajo.

Conexiones y controles

2.1 Controles del panel frontal
El panel frontal del FSC tiene una gran cantidad de opciones de configuración que permiten ajustar y optimizar el comportamiento del servo.
Tenga en cuenta que los interruptores y las opciones pueden variar entre revisiones de hardware; consulte el manual de su dispositivo específico como lo indica el número de serie.

Controlador de servo rápido

CA CC

APORTE
PD 0
ÁRBITRO
CHB

+
­
SEÑAL RÁPIDA
+
­
SEÑAL DE LENTO

INT

75 100 250

50k 100k 200k

10 millones, 5 millones, 2.5 millones

50

500

20k

500k de descuento

1M

25

750 10k

1 millones 200k

750k

APAGADO

1k de descuento

2 millones 100k

500k

EXT

50k

250k

25k

100k

DURAR
TASA

INT LENTO

INT RÁPIDO

DIFERENCIA RÁPIDA/FILTRO
12

6

18

0

24

BIES
DESPLAZAMIENTO DE FRECUENCIA

GANANCIA LENTA

GANANCIA RÁPIDA

GANANCIA DIFERENCIAL

30 20 10
0

40

50

ANIDADO

60

ESCANEAR

BLOQUEO MÁXIMO

LENTO

LÍMITE DE GANANCIA

ESCANEAR ESCANEAR+P
CERRAR
RÁPIDO

DESPLAZAMIENTO DE ERRORES

ESTADO

LENTO ERR

RAMP

ERROR RÁPIDO

BIES

CHB

RÁPIDO

CARA

LENTO

MON1

LENTO ERR

RAMP

ERROR RÁPIDO

BIES

CHB

RÁPIDO

CARA

LENTO

MON2

2.1.1 Configuración ENTRADA Selecciona el modo de acoplamiento de la señal de error; véase la figura 3.2. CA La señal de error rápido está acoplada a CA, la de error lento está acoplada a CC. CC Tanto las señales de error rápido como lento están acopladas a CC. Las señales están acopladas a CC y se aplica la DESVIACIÓN DE ERROR del panel frontal para controlar el punto de enclavamiento. CHB Selecciona la entrada para el canal B: fotodetector, tierra o una referencia variable de 0 a 2.5 V establecida con el potenciómetro adyacente.
SEÑAL RÁPIDA Señal de retroalimentación rápida. SEÑAL LENTA Señal de retroalimentación lenta.
5

6

Conexiones y controles

2.1.2 Ramp control
La r internaamp El generador proporciona una función de barrido para escanear la frecuencia del láser, generalmente mediante un actuador piezoeléctrico, una corriente de inyección de diodo o ambos. Una salida de disparo sincronizada con el...amp Se proporciona en el panel trasero (TRIG, 1M).
INT/EXT Interno o externo ramp para escaneo de frecuencia.
Potenciómetro RATE para ajustar la velocidad de barrido interna.
BIAS: Cuando DIP3 está habilitado, la salida lenta, escalada por este potenciómetro, se suma a la salida rápida. Esta polarización anticipada suele ser necesaria al ajustar el actuador piezoeléctrico de un ECDL para evitar saltos de modo. Sin embargo, esta funcionalidad ya la ofrecen algunos controladores láser (como el DLC de MOGLabs) y solo debe utilizarse cuando no esté disponible en otros controladores.
SPAN Ajusta el ramp altura y, por tanto, la extensión del barrido de frecuencia.
DESPLAZAMIENTO DE FRECUENCIA Ajusta el desplazamiento de CC en la salida lenta, proporcionando de manera efectiva un cambio estático de la frecuencia del láser.

2.1.3 Variables de bucle
Las variables de bucle permiten la ganancia del proporcional, integrador y diferenciador.tages para ajustar. Para el integrador y el diferenciador stages, la ganancia se presenta en términos de frecuencia de ganancia unitaria, a veces denominada frecuencia de esquina.
SLOW INT Frecuencia de esquina del integrador de servo lento; se puede desactivar o ajustar de 25 Hz a 1 kHz.
GANANCIA LENTA Ganancia de servo lenta de una sola vuelta; de -20 dB a +20 dB.
FAST INT Frecuencia de esquina del integrador servo rápido; desactivada o ajustable de 10 kHz a 2 MHz.

2.1 Controles del panel frontal

7

GANANCIA RÁPIDA Ganancia proporcional de servo rápido de diez vueltas; de -10 dB a +50 dB.
DIFERENCIA RÁPIDA/FILTRO Controla la respuesta del servo de alta frecuencia. Cuando se desactiva, la respuesta del servo permanece proporcional. Al girarlo en sentido horario, se activa el diferenciador con la frecuencia de corte asociada. Tenga en cuenta que al disminuir la frecuencia de corte, aumenta la acción del diferenciador. Cuando se establece en un valor subrayado, el diferenciador se desactiva y, en su lugar, se aplica un filtro paso bajo a la salida del servo. Esto provoca una atenuación gradual de la respuesta por encima de la frecuencia especificada.
GANANCIA DIFERENCIAL: Límite de ganancia de alta frecuencia del servo rápido; cada incremento modifica la ganancia máxima en 6 dB. No tiene efecto a menos que el diferenciador esté habilitado; es decir, a menos que FAST DIFF esté configurado en un valor que no esté subrayado.

2.1.4 Controles de bloqueo
LÍMITE DE GANANCIA Límite de ganancia de baja frecuencia en el servo rápido, en dB. MÁX representa la ganancia máxima disponible.
DESPLAZAMIENTO DE ERROR: Desplazamiento de CC aplicado a las señales de error cuando el modo ENTRADA está configurado en . Útil para ajustar con precisión el punto de bloqueo o compensar la deriva de la señal de error. El potenciómetro adyacente ajusta el desplazamiento de error del servo lento con respecto al servo rápido, y puede ajustarse para asegurar que ambos sean dirigidos a la misma frecuencia.
LENTO Activa el servo lento cambiando SCAN a LOCK. Cuando se establece en NESTED, el volumen de control lentotagSe introduce en la señal de error rápida una ganancia muy alta a bajas frecuencias en ausencia de un actuador conectado a la salida lenta.
RÁPIDO Controla el servo rápido. Al configurarse en SCAN+P, la retroalimentación proporcional se aplica a la salida rápida mientras el láser escanea, lo que permite calibrarla. Al configurarse en LOCK, se detiene el escaneo y se activa el control PID completo.

8

Capítulo 2. Conexiones y controles

ESTADO Indicador multicolor que muestra el estado de la cerradura.
Verde Encendido, bloqueo desactivado. Naranja Bloqueo activado, pero señal de error fuera de rango, lo que indica el bloqueo.
Ha fallado. El bloqueo azul está activado y la señal de error está dentro de los límites.

2.1.5 Monitoreo de señales
Dos codificadores rotatorios seleccionan cuál de las señales especificadas se envía a las salidas MONITOR 1 y MONITOR 2 del panel trasero. La salida TRIG es compatible con TTL (1M) y conmuta de bajo a alto en el centro del barrido. La tabla a continuación define las señales.

CHA CHB RÁPIDO ERR LENTO ERR RAMP SESGO RÁPIDO LENTO

Entrada del canal A Entrada del canal B Señal de error utilizada por el servo rápido Señal de error utilizada por el servo lento Ramp tal como se aplica a SLOW OUT Ramp como se aplica a SALIDA RÁPIDA cuando DIP3 está habilitado Señal de control SALIDA RÁPIDA Señal de control SALIDA LENTA

2.2 Controles y conexiones del panel trasero

9

2.2 Controles y conexiones del panel trasero

BLOQUEO DEL MONITOR 2

MONITOR 1

BARRER EN

GANANCIA EN

PAPELERA

UNA ENTRADA

De serie:

TRIGONOMETRÍA

SALIDA RÁPIDA SALIDA LENTA

MOD EN

PODER B

PODER A

Todos los conectores son SMA, salvo que se indique lo contrario. Todas las entradas son de sobrevoltaje.tagy protegido a ±15 V.
Entrada de alimentación IEC La unidad debe estar preajustada al volumen apropiadotage para su país. Consulte el apéndice D para obtener instrucciones sobre cómo cambiar el volumen de la fuente de alimentación.tage si es necesario.
Entradas A, Entrada B: Entradas de señal de error para los canales A y B, generalmente fotodetectores. Alta impedancia, rango nominal ±2 V. El canal B no se utiliza a menos que el interruptor CHB del panel frontal esté en la posición PD.
ALIMENTACIÓN A, B Alimentación CC de bajo ruido para fotodetectores; ±12 V, 125 mA, suministrada a través de un conector M8 (número de pieza de TE Connectivity 2-2172067-2, Digikey A121939-ND, conector macho de 3 vías). Compatible con fotodetectores MOGLabs PDA y Thorlabs. Para usar con cables M8 estándar, por ejemplo.ampDigikey 277-4264-ND. Asegúrese de que los fotodetectores estén apagados al conectarlos a las fuentes de alimentación para evitar interferencias en sus salidas.
GANANCIA EN VoltagGanancia proporcional controlada electrónicamente del servo rápido, ±1 V, correspondiente al rango completo del control del panel frontal. Reemplaza el control FAST GAIN del panel frontal cuando el DIP1 está habilitado.
BARRIDO EN Externo ramp La entrada permite un escaneo de frecuencia arbitrario, de 0 a 2.5 V. La señal debe cruzar 1.25 V, que define el centro del barrido y el punto de bloqueo aproximado.

10

Capítulo 2. Conexiones y controles

3 4

1 +12 V

1

3 -12 V

4 0 V

Figura 2.1: Distribución de pines del conector M8 para ALIMENTACIÓN A, B.

Entrada de modulación de alto ancho de banda (MOD IN), que se añade directamente a la salida rápida. ±1 V si DIP4 está activado. Tenga en cuenta que si DIP4 está activado, MOD IN debe estar conectado a una fuente de alimentación o tener una terminación adecuada.
SALIDA LENTA Salida de señal de control lenta, 0 V a 2.5 V. Normalmente conectada a un controlador piezoeléctrico u otro actuador lento.
SALIDA RÁPIDA Salida de señal de control rápida, ±2 V. Normalmente conectada a corriente de inyección de diodo, modulador acústico o electroóptico u otro actuador rápido.
MONITOR 1, 2 Salida de señal seleccionada para monitoreo.
TRIG Salida TTL de baja a alta en el centro del barrido, 1M.
Control de escaneo/bloqueo TTL LOCK IN; conector estéreo de 3.5 mm, izquierda/derecha (pines 2 y 3) para bloqueo lento/rápido; baja (tierra) activa (habilita el bloqueo). El interruptor de escaneo/bloqueo del panel frontal debe estar en SCAN para que LOCK IN tenga efecto. El cable Digikey CP-2207-ND incluye un conector de 3.5 mm con extremos de cable: rojo para bloqueo lento, negro fino para bloqueo rápido y negro grueso para tierra.

321

1 Tierra 2 Bloqueo rápido 3 Bloqueo lento

Figura 2.2: Distribución de pines del conector estéreo de 3.5 mm para control de bloqueo/escaneo TTL.

2.3 Interruptores DIP internos

11

2.3 Interruptores DIP internos
Hay varios interruptores DIP internos que brindan opciones adicionales, todas configuradas en APAGADO de forma predeterminada.
ADVERTENCIA Existe potencial de exposición a altos volúmenes.tagestá dentro del FSC, especialmente alrededor de la fuente de alimentación.

APAGADO

1 Ganancia rápida

Perilla del panel frontal

2 Integrador único de retroalimentación lenta

3 Sesgo

Ramp Para reducir la velocidad solamente

4 MOD externo deshabilitado

5 Desplazamiento

Normal

6 Barrido

Positivo

7 Acoplamiento rápido CC

8 Desplazamiento rápido

0

ON Señal externa Integrador doble Ramp demasiado rápido y demasiado lento Habilitado Fijo en el punto medio Negativo CA -1 V

DIP 1 Si está encendido, la ganancia del servo rápido se determina mediante el potencial aplicado al conector GAIN IN del panel trasero en lugar de la perilla FAST GAIN del panel frontal.
El servo lento DIP 2 es un integrador simple (OFF) o doble (ON). Debe estar OFF si se utiliza el modo de operación de servo lento y rápido anidado.
DIP 3: Si está activado, genera una corriente de polarización proporcional a la salida lenta del servo para evitar saltos de modo. Solo se activa si el controlador láser no lo proporciona. Debe estar desactivado cuando el FSC se utiliza en combinación con un DLC de MOGLabs.
DIP 4: Si está activado, habilita la modulación externa a través del conector MOD IN del panel trasero. La modulación se añade directamente a FAST OUT. Cuando está activado pero no se utiliza, la entrada MOD IN debe terminarse para evitar un comportamiento no deseado.
DIP 5 Si está activado, desactiva la perilla de compensación del panel frontal y fija la compensación en el punto medio. Útil en el modo de barrido externo para evitar...

12

Capítulo 2. Conexiones y controles

cambiando la frecuencia del láser golpeando la perilla de compensación.
DIP 6 Invierte la dirección del barrido.
DIP 7 CA rápida. Normalmente debe estar encendido para que la señal de error rápida se acople a CA a los servos de retroalimentación, con una constante de tiempo de 40 ms (25 Hz).
DIP 8 Si está activado, se agrega una compensación de -1 V a la salida rápida. DIP8 debe estar desactivado cuando el FSC se utiliza con láseres MOGLabs.

Bucles de control de retroalimentación

El FSC cuenta con dos canales de retroalimentación paralelos que pueden accionar dos actuadores simultáneamente: un actuador "lento", que suele utilizarse para modificar considerablemente la frecuencia del láser en escalas de tiempo lentas, y un segundo actuador "rápido". El FSC proporciona un control preciso de cada uno.tage del bucle del servo, así como un barrido (ramp) generador y monitoreo de señal conveniente.

APORTE

APORTE

+

AC

DESPLAZAMIENTO DE ERRORES

DC

UNA ENTRADA

A

0v

+

B
PAPELERA

0v +
VREF
0v

CHB

SEÑAL RÁPIDA Bloque de CA rápida [7] CC
SEÑAL DE LENTO

MODULACIÓN Y BARRIDO

TASA

Ramp

EN EL TEXTO

Pendiente [6] BARRIDO HACIA ADENTRO

DURAR
0v

+
COMPENSAR

MOD EN

0v
Mod [4]

0v
Desplazamiento fijo [5]

0v

TRIGONOMETRÍA

0 V 0 V
+
BIES
0 V 0 V
Sesgo [3]

BLOQUEAR (RÁPIDO) BLOQUEAR (LENTO) RÁPIDO = BLOQUEAR LENTO = BLOQUEAR
Barrido LF
SALIDA RÁPIDA +

SERVO RÁPIDO
GANANCIA EN GANANCIA RÁPIDA

Ganancia externa [1] P

+

I

+

0v
ANIDADO
RÁPIDO = BLOQUEAR BLOQUEAR (RÁPIDO)

D
0v

SERVO LENTO
Error lento Ganancia GANANCIA LENTA

INT LENTO
#1

Barrido LF

INT LENTO

+

#2

0v
Integrador doble [2]

DESPACIO

Figura 3.1: Esquema del FSC de MOGLabs. Las etiquetas verdes corresponden a los controles del panel frontal y las entradas del panel posterior; las marrones, a los interruptores DIP internos; y las moradas, a las salidas del panel posterior.

13

14

Capítulo 3. Bucles de control de retroalimentación

3.1 Entradastage
La entrada stagEl valor del FSC (figura 3.2) genera una señal de error como VERR = VA – VB – VOFFSET. VA se toma del conector SMA “A IN” y VB se ajusta mediante el selector CHB, que permite elegir entre el conector SMA “B IN”, VB = 0 o VB = VREF, según lo establecido por el potenciómetro adyacente.
El controlador actúa para servoajustar la señal de error hacia cero, lo que define el punto de bloqueo. Algunas aplicaciones pueden beneficiarse de pequeños ajustes en el nivel de CC para ajustar este punto de bloqueo, lo cual se puede lograr con la perilla de 10 vueltas ERR OFFSET para una variación de hasta ±0 V, siempre que el selector INPUT esté en modo "offset" (). Se pueden lograr desfases mayores con el potenciómetro REF.

APORTE

APORTE

+ aire acondicionado

DESPLAZAMIENTO DE ERRORES

DC

UNA ENTRADA

A

0v

+

B
PAPELERA

SEÑAL RÁPIDA AC rápida [7] FE ERROR RÁPIDO

bloque de CC

Error rápido

0v +
VREF
0v

CHB

SEÑAL DE LENTO

Error lento SE SLOW ERR

Figura 3.2: Esquema de la entrada FSCtage muestra los controles de acoplamiento, desplazamiento y polaridad. Los hexágonos representan señales monitorizadas, disponibles mediante los selectores de monitorización del panel frontal.

3.2 Bucle de servo lento
La figura 3.3 muestra la configuración de retroalimentación lenta del FSC. Una ganancia variable stagSe controla con la perilla SLOW GAIN del panel frontal. El controlador funciona como integrador simple o doble.

3.2 Bucle de servo lento

15

Dependiendo de si DIP2 está habilitado. La constante de tiempo del integrador lento se controla desde el control SLOW INT del panel frontal, que está etiquetado en función de la frecuencia de corte asociada.

SERVO LENTO
Error lento Ganancia GANANCIA LENTA

Integradores
INT LENTO
#1

Barrido LF

INT LENTO

+

#2

0v
Integrador doble [2]

DESPACIO
LF LENTO

Figura 3.3: Esquema del servo I/I2 con retroalimentación lenta. Los hexágonos representan señales monitorizadas, disponibles mediante los selectores del panel frontal.

Con un solo integrador, la ganancia aumenta con la frecuencia de Fourier más baja, con una pendiente de 20 dB por década. Añadir un segundo integrador aumenta la pendiente a 40 dB por década, lo que reduce la diferencia a largo plazo entre las frecuencias real y de consigna. Un aumento excesivo de la ganancia produce oscilación, ya que el controlador reacciona de forma exagerada a los cambios en la señal de error. Por esta razón, a veces resulta beneficioso restringir la ganancia del lazo de control a bajas frecuencias, donde una respuesta elevada puede provocar un salto de modo del láser.
El servo lento ofrece un amplio alcance para compensar las derivas a largo plazo y las perturbaciones acústicas, mientras que el actuador rápido tiene un alcance reducido pero un gran ancho de banda para compensar las perturbaciones rápidas. El uso de un doble integrador garantiza que el servo lento tenga la respuesta dominante a baja frecuencia.
Para aplicaciones que no incluyen un actuador lento independiente, la señal de control lenta (error de integración simple o doble) se puede añadir a la rápida configurando el interruptor LENTO en "NESTED". En este modo, se recomienda desactivar el integrador doble del canal lento con DIP2 para evitar la triple integración.

16

Capítulo 3. Bucles de control de retroalimentación

3.2.1 Medición de la respuesta lenta del servo
El bucle de servo lento está diseñado para compensar la deriva lenta. Para observar la respuesta del bucle lento:
1. Configure MONITOR 1 en SLOW ERR y conecte la salida a un osciloscopio.
2. Configure el MONITOR 2 en LENTO y conecte la salida a un osciloscopio.
3. Establezca INPUT en (modo offset) y CHB en 0.
4. Ajuste la perilla ERR OFFSET hasta que el nivel de CC que se muestra en el monitor SLOW ERR esté cerca de cero.
5. Ajuste la perilla FREQ OFFSET hasta que el nivel de CC que se muestra en el monitor SLOW esté cerca de cero.
6. Configure los voltios por división en el osciloscopio a 10 mV por división para ambos canales.
7. Active el bucle de servo lento configurando el modo LENTO en BLOQUEO.
8. Ajuste lentamente la perilla ERR OFFSET de manera tal que el nivel de CC que se muestra en el monitor SLOW ERR se mueva por encima y por debajo de cero en 10 mV.
9. A medida que la señal de error integrada cambia de signo, observará un cambio de salida lento de 250 mV.
Tenga en cuenta que el tiempo de respuesta del servo lento hasta llegar a su límite depende de varios factores, incluidos la ganancia lenta, la constante de tiempo del integrador lento, la integración simple o doble y el tamaño de la señal de error.

3.2 Bucle de servo lento

17

3.2.2 Volumen de salida lentotage swing (solo para series FSC A04… y anteriores)
La salida del bucle de control del servo lento está configurada para un rango de 0 a 2.5 V para compatibilidad con un DLC de MOGLabs. La entrada de control piezoeléctrico DLC SWEEP tiene un volumen...tagGanancia de 48, de modo que la entrada máxima de 2.5 V resulte en 120 V en el piezoeléctrico. Cuando se activa el bucle de servo lento, la salida lenta solo oscilará ±25 mV con respecto a su valor anterior. Esta limitación es intencional para evitar saltos en el modo láser. Cuando se utiliza la salida lenta del FSC con un DLC MOGLabs, una oscilación de 50 mV en la salida del canal lento del FSC corresponde a una oscilación de 2.4 V en el voltaje del piezoeléctrico.tage, lo que corresponde a un cambio en la frecuencia del láser de alrededor de 0.5 a 1 GHz, comparable al rango espectral libre de una cavidad de referencia típica.
Para usar con diferentes controladores láser, se puede lograr un cambio mayor en la salida lenta bloqueada del FSC mediante un simple cambio de resistencia. La ganancia en la salida del bucle de retroalimentación lenta se define por R82/R87, la relación entre las resistencias R82 (500 kΩ) y R87 (100 kΩ). Para aumentar la salida lenta, aumente R82/R87. La forma más sencilla de lograrlo es reducir R87 conectando otra resistencia en paralelo (encapsulado SMD, tamaño 0402). Por ejemploampEs decir, añadir una resistencia de 30 k en paralelo con la resistencia existente de 100 k proporcionaría una resistencia efectiva de 23 k, lo que aumentaría la oscilación lenta de salida de ±25 mV a ±125 mV. La figura 3.4 muestra la disposición de la PCB FSC alrededor de la op.amp U16.
R329
U16

C36

C362 R85 R331 C44 R87

C71

C35

R81R82

Figura 3.4: Disposición de la PCB FSC alrededor de la operación de ganancia lenta finalamp U16, con resistencias de ajuste de ganancia R82 y R87 (encerradas en un círculo); tamaño 0402.

18

Capítulo 3. Bucles de control de retroalimentación

3.3 Bucle de servo rápido
El servo de retroalimentación rápida (figura 3.5) es un bucle PID que proporciona un control preciso de cada uno de los componentes de retroalimentación proporcional (P), integral (I) y diferencial (D), así como de la ganancia global del sistema. La salida rápida del FSC puede oscilar entre -2.5 V y 2.5 V, lo que, al configurarse con un láser de diodo de cavidad externa MOGLabs, puede proporcionar una oscilación de corriente de ±2.5 mA.

SERVO RÁPIDO

GANANCIA EN

Ganancia externa [1]

GANANCIA RÁPIDA

Error rápido
Control lento
0v

+ ANIDADO

RÁPIDO = BLOQUEAR BLOQUEAR (RÁPIDO)

Pi
D
0v

+

Control rápido

Figura 3.5: Esquema del controlador PID servo con retroalimentación rápida.

La Figura 3.6 muestra un diagrama conceptual de la acción de los bucles de servo rápido y lento. A bajas frecuencias, predomina el bucle integrador rápido (I). Para evitar que el bucle de servo rápido reaccione de forma exagerada a perturbaciones externas (acústicas) de baja frecuencia, se aplica un límite de ganancia de baja frecuencia controlado por el botón GAIN LIMIT.
A frecuencias medias (10 kHz 1 MHz), predomina la retroalimentación proporcional (P). La frecuencia límite de ganancia unitaria, en la que la retroalimentación proporcional supera la respuesta integrada, se controla con el control FAST INT. La ganancia total del bucle P se ajusta con el potenciómetro FAST GAIN o mediante una señal de control externa a través del conector GAIN IN del panel trasero.

3.3 Bucle de servo rápido

19

60

Ganancia (dB)

Corte de alta frecuencia. Integrador doble.

INT RÁPIDO GANANCIA RÁPIDA
GANANCIA DE DIFERENCIA RÁPIDA (límite)

40

20

Integrador

0

GANANCIA RÁPIDA DE LF (límite)

Integrador

Proporcional

Diferenciador

Filtrar

INT LENTO

20101

102

103

104

105

106

107

108

Frecuencia de Fourier [Hz]

Figura 3.6: Diagrama de Bode conceptual que muestra la acción de los controladores rápido (rojo) y lento (azul). El controlador lento es un integrador simple o doble con frecuencia de corte ajustable. El controlador rápido es un compensador PID con frecuencias de corte ajustables y límites de ganancia en las frecuencias bajas y altas. Opcionalmente, el diferenciador puede desactivarse y reemplazarse por un filtro paso bajo.

Las frecuencias altas (1 MHz) suelen requerir que el bucle diferenciador domine para mejorar el bloqueo. El diferenciador compensa el adelanto de fase para el tiempo de respuesta finito del sistema y su ganancia aumenta 20 dB por década. La frecuencia de corte del bucle diferencial se puede ajustar mediante el control FAST DIFF/FILTER para controlar la frecuencia a la que predomina la retroalimentación diferencial. Si FAST DIFF/FILTER está desactivado, el bucle diferencial se desactiva y la retroalimentación permanece proporcional a frecuencias más altas. Para evitar la oscilación y limitar la influencia del ruido de alta frecuencia cuando el bucle de retroalimentación diferencial está activado, existe un límite de ganancia ajustable, DIFF GAIN, que restringe el diferenciador a altas frecuencias.
A menudo no se requiere un diferenciador, y el compensador puede beneficiarse del filtrado paso bajo de la respuesta rápida del servo para reducir aún más la influencia del ruido. Gire el selector FAST DIFF/FILTER.

20

Capítulo 3. Bucles de control de retroalimentación

Gire la perilla en sentido antihorario desde la posición OFF para establecer la frecuencia de caída para el modo de filtrado.
El servo rápido tiene tres modos de funcionamiento: SCAN, SCAN+P y LOCK. En SCAN, la retroalimentación se desactiva y solo se aplica la polarización a la salida rápida. En SCAN+P, se aplica retroalimentación proporcional, lo que permite determinar la señal y la ganancia del servo rápido mientras la frecuencia láser sigue escaneando, simplificando así el procedimiento de bloqueo y ajuste (véase §4.2). En modo LOCK, el escaneo se detiene y se activa la retroalimentación PID completa.

3.3.1 Medición de la respuesta rápida del servo
Las dos secciones siguientes describen la medición de la retroalimentación proporcional y diferencial ante cambios en la señal de error. Utilice un generador de funciones para simular una señal de error y un osciloscopio para medir la respuesta.
1. Conecte el MONITOR 1, 2 a un osciloscopio y configure los selectores en FAST ERR y FAST .
2. Establezca INPUT en (modo offset) y CHB en 0.
3. Conecte el generador de funciones a la entrada CHA.
4. Configure el generador de funciones para producir una onda sinusoidal de 100 Hz de 20 mV pico a pico.
5. Ajuste la perilla ERR OFFSET de manera que la señal de error sinusoidal, como se ve en el monitor FAST ERR, esté centrada alrededor de cero.

3.3.2 Medición de la respuesta proporcional · Reduzca el span a cero girando la perilla SPAN completamente en sentido antihorario.
· Configure FAST en SCAN+P para activar el bucle de retroalimentación proporcional.

3.3 Bucle de servo rápido

21

· En el osciloscopio, la salida FAST del FSC debe mostrar una onda sinusoidal de 100 Hz.
· Ajuste la perilla FAST GAIN para variar la ganancia proporcional del servo rápido hasta que la salida sea la misma ampdimensión como entrada.
· Para medir la respuesta de frecuencia de retroalimentación proporcional, ajuste la frecuencia del generador de funciones y monitoree la ampdimensión de la respuesta de salida FAST. Por ejemploample, aumente la frecuencia hasta que ampLa latitud se reduce a la mitad para encontrar la frecuencia de ganancia de -3 dB.

3.3.3 Medición de la respuesta diferencial
1. Establezca FAST INT en OFF para desactivar el bucle integrador.
2. Establezca la GANANCIA RÁPIDA en unidad siguiendo los pasos descritos en la sección anterior.
3. Establezca la GANANCIA DIFERENCIAL en 0 dB.
4. Ajuste FAST DIFF/FILTER a 100 kHz.
5. Barra la frecuencia del generador de funciones de 100 kHz a 3 MHz y monitoree la salida FAST.
6. A medida que barre la frecuencia de la señal de error, debería ver una ganancia unitaria en todas las frecuencias.
7. Establezca la GANANCIA DIFERENCIAL en 24 dB.
8. Ahora, al barrer la frecuencia de la señal de error, debería notar un aumento de pendiente de 20 dB por década después de 100 kHz que comenzará a disminuir a 1 MHz, mostrando el error operativo.amp limitaciones de ancho de banda.
La ganancia de la salida rápida se puede modificar modificando los valores de las resistencias, pero el circuito es más complejo que el de la retroalimentación lenta (§3.2.2). Para más información, contacte con MOGLabs.

22

Capítulo 3. Bucles de control de retroalimentación

3.4 Modulación y escaneo
El escaneo láser se controla mediante un generador de barrido interno o una señal de barrido externa. El barrido interno es un diente de sierra con período variable, que se configura mediante un interruptor de rango interno de cuatro posiciones (Apéndice C) y un potenciómetro de ajuste de una sola vuelta, RATE, en el panel frontal.
Los bucles de servo rápido y lento se pueden activar individualmente mediante señales TTL a los interruptores del panel frontal correspondientes en el panel trasero. Al bloquear cualquiera de los bucles, se detiene el barrido y se activa la estabilización.

MODULACIÓN Y BARRIDO

EN EL TEXTO

TRIGONOMETRÍA

TASA

Ramp

Pendiente [6] BARRIDO HACIA ADENTRO

DURAR
0v

+
COMPENSAR
0v

0v
Desplazamiento fijo [5]

Control rápido MOD IN

Mod [4]

0v

0 V 0 V
+
BIES
0 V 0 V
Sesgo [3]

BLOQUEO (RÁPIDO)

BLOQUEAR (LENTO)

RÁPIDO = BLOQUEAR LENTO = BLOQUEAR

RAMP RA

Barrido LF

BS PARCIALIDAD

SALIDA RÁPIDA +

HF RÁPIDO

Figura 3.7: Barrido, modulación externa y polarización de corriente de avance.

El ramp También se puede agregar a la salida rápida habilitando DIP3 y ajustando el potenciómetro BIAS, pero muchos controladores láser (como el MOGLabs DLC) generarán la corriente de polarización necesaria en función de la señal del servo lento, en cuyo caso no es necesario generarla también dentro del FSC.

4. Solicitud example: Cierre del Pound-Drever Hall

Una aplicación típica del FSC es el bloqueo de frecuencia de un láser a una cavidad óptica mediante la técnica PDH (fig. 4.1). La cavidad actúa como discriminador de frecuencia, y el FSC mantiene el láser en resonancia con ella controlando el piezoeléctrico y la corriente a través de sus salidas LENTA y RÁPIDA, respectivamente, lo que reduce el ancho de línea del láser. Existe una nota de aplicación independiente (AN002) que ofrece consejos prácticos detallados para la implementación de un aparato PDH.

Osciloscopio

TRIGONOMETRÍA

CH1

CH2

Láser
Mod actual Piezo SMA

MOE

PBS

PD

Controlador DLC

Modificador PZT

AC

Cavidad LPF

MONITOR 2 MONITOR 1 BLOQUEO

BARRIDO EN GANANCIA EN

PAPELERA

UNA ENTRADA

De serie:

TRIGONOMETRÍA

SALIDA RÁPIDA SALIDA LENTA MOD ENTRADA

PODER B PODER A

Figura 4.1: Esquema simplificado del bloqueo de cavidad PDH mediante el FSC. Un modulador electroóptico (EOM) genera bandas laterales que interactúan con la cavidad, generando reflexiones que se miden en el fotodetector (PD). La demodulación de la señal del fotodetector produce una señal de error PDH.

Se pueden utilizar otros métodos para generar señales de error, que no se abordarán aquí. El resto de este capítulo describe cómo lograr un bloqueo una vez generada una señal de error.

23

24

Capítulo 4. Aplicación ej.ample: Cierre del Pound-Drever Hall

4.1 Configuración del láser y del controlador
El FSC es compatible con diversos láseres y controladores, siempre que estén correctamente configurados para el modo de operación deseado. Al controlar un ECDL (como los láseres CEL o LDL de MOGLabs), los requisitos para el láser y el controlador son los siguientes:
· Modulación de alto ancho de banda directamente en la cabecera del láser o modulador de fase intracavidad.
· Alto volumentagy control piezoeléctrico desde una señal de control externa.
Generación de corriente de polarización (feed-forward) para láseres que requieren una polarización de 1 mA en todo su rango de escaneo. El FSC puede generar una corriente de polarización internamente, pero el rango podría estar limitado por la electrónica de cabecera o la saturación del modulador de fase, por lo que podría ser necesario utilizar la polarización proporcionada por el controlador láser.
Los controladores láser y cabezales MOGLabs se pueden configurar fácilmente para lograr el comportamiento requerido, como se explica a continuación.

4.1.1 Configuración del cabecero
Los láseres MOGLabs incluyen un cabezal interno que conecta los componentes con el controlador. Para operar con el FSC, se requiere un cabezal con modulación de corriente rápida mediante un conector SMA. El cabezal debe conectarse directamente a la salida rápida del FSC.
Se recomienda encarecidamente el cabezal B1240 para obtener el máximo ancho de banda de modulación, aunque el B1040 y el B1047 son sustitutos aceptables para láseres incompatibles con el B1240. El cabezal cuenta con varios interruptores de puente que deben configurarse para entrada acoplada y con búfer de CC (BUF), cuando corresponda.

4.2 Conseguir un bloqueo inicial

25

4.1.2 Configuración de DLC
Aunque el FSC se puede configurar para barrido interno o externo, es mucho más sencillo utilizar el modo de barrido interno y configurar el DLC como un dispositivo esclavo de la siguiente manera:
1. Conecte SLOW OUT a SWEEP / PZT MOD en el DLC.
2. Active el DIP9 (barrido externo) en el DLC. Asegúrese de que los DIP13 y DIP14 estén desactivados.
3. Desactive DIP3 (generación de polarización) del FSC. El DLC genera automáticamente la polarización de avance de corriente a partir de la entrada de barrido, por lo que no es necesario generar una polarización dentro del FSC.
4. Ajuste SPAN en el DLC al máximo (totalmente en el sentido de las agujas del reloj).
5. Configure la FRECUENCIA en el DLC a cero usando la pantalla LCD para mostrar la frecuencia.
6. Asegúrese de que la opción BARRIDO en el FSC sea INT.
7. Ajuste FREQ OFFSET en rango medio y SPAN en máximo en el FSC y observe el escaneo láser.
8. Si el escaneo está en la dirección incorrecta, invierta el DIP4 del FSC o el DIP11 del DLC.
Es importante que la perilla SPAN del DLC no se ajuste una vez configurado como se indica arriba, ya que afectará el bucle de retroalimentación y podría impedir el bloqueo del FSC. Los controles del FSC deben usarse para ajustar el barrido.

4.2 Conseguir un bloqueo inicial
Los controles SPAN y OFFSET del FSC permiten ajustar el láser para que barre el punto de bloqueo deseado (por ejemplo, resonancia de cavidad) y ampliar el escaneo alrededor de la resonancia.

26

Capítulo 4. Aplicación ej.ample: Cierre del Pound-Drever Hall

Los pasos ilustran el proceso necesario para lograr un bloqueo estable. Los valores indicados son indicativos y deberán ajustarse según las aplicaciones específicas. Para más información sobre la optimización del bloqueo, consulte el apartado §4.3.

4.2.1 Bloqueo con retroalimentación rápida
1. Conecte la señal de error a la entrada A IN en el panel posterior.
2. Asegúrese de que la señal de error sea del orden de 10 mVpp.
3. Establezca INPUT en (modo offset) y CHB en 0.
4. Configure el MONITOR 1 en FAST ERR y observe con un osciloscopio. Ajuste la perilla ERR OFFSET hasta que el nivel de CC mostrado sea cero. Si no es necesario usar la perilla ERROR OFFSET para ajustar el nivel de CC de la señal de error, el interruptor INPUT puede configurarse en CC y la perilla ERROR OFFSET no tendrá efecto, lo que evitará ajustes accidentales.
5. Reduzca la GANANCIA RÁPIDA a cero.
6. Configure RÁPIDO en SCAN+P, configure LENTO en SCAN y localice la resonancia utilizando los controles de barrido.
7. Aumente la GANANCIA RÁPIDA hasta que la señal de error se alargue, como se muestra en la figura 4.2. Si esto no ocurre, invierta el interruptor de SEÑAL RÁPIDA e inténtelo de nuevo.
8. Establezca FAST DIFF en OFF y GAIN LIMIT en 40. Reduzca FAST INT a 100 kHz.
9. Configure el modo RÁPIDO en BLOQUEO y el controlador se bloqueará en el cruce por cero de la señal de error. Puede ser necesario realizar pequeños ajustes en la DESVIACIÓN DE FRECUENCIA para bloquear el láser.
10. Optimice el bloqueo ajustando la ganancia rápida (FAST GAIN) y la INT rápida (FAST INT) mientras observa la señal de error. Puede ser necesario volver a bloquear el servo después de ajustar el integrador.

4.2 Conseguir un bloqueo inicial

27

Figura 4.2: Al escanear el láser con retroalimentación solo P en la salida rápida mientras se escanea la salida lenta, la señal de error (naranja) se extiende cuando el signo y la ganancia son correctos (derecha). En una aplicación PDH, la transmisión de la cavidad (azul) también se extiende.
11. Algunas aplicaciones pueden beneficiarse al aumentar FAST DIFF para mejorar la respuesta del bucle, pero esto normalmente no es necesario para lograr un bloqueo inicial.
4.2.2 Bloqueo con retroalimentación lenta
Una vez que se logra el bloqueo con la retroalimentación proporcional e integradora rápida, se debe activar la retroalimentación lenta para tener en cuenta las desviaciones lentas y la sensibilidad a las perturbaciones acústicas de baja frecuencia.
1. Establezca SLOW GAIN en rango medio y SLOW INT en 100 Hz.
2. Configure el modo RÁPIDO en SCAN+P para desbloquear el láser y ajuste SPAN y OFFSET para poder ver el cruce por cero.
3. Configure el MONITOR 2 en SLOW ERR y observe con un osciloscopio. Ajuste el potenciómetro junto a ERR OFFSET para reducir la señal de error lento a cero. Ajustar este potenciómetro solo afectará el nivel de CC de la señal de error lento, no de la señal de error rápido.
4. Vuelva a bloquear el láser configurando el modo RÁPIDO en BLOQUEAR y realice los pequeños ajustes necesarios en DESPLAZAMIENTO DE FRECUENCIA para bloquear el láser.

28

Capítulo 4. Aplicación ej.ample: Cierre del Pound-Drever Hall

5. Configure el modo LENTO en BLOQUEO y observe la señal de error lenta. Si el servo lento se bloquea, el nivel de CC del error lento puede cambiar. En este caso, anote el nuevo valor de la señal de error, configure LENTO de nuevo en ESCANEAR y utilice el potenciómetro de compensación de error para acercar la señal de error lenta desbloqueada al valor bloqueado e intente volver a bloquear el bloqueo lento.
6. Repita el paso anterior de bloqueo lento del láser, observando el cambio de CC en el error lento y ajustando el potenciómetro de compensación de error hasta que activar el bloqueo lento no produzca un cambio medible en el valor de la señal de error de bloqueo lento versus bloqueo rápido.
El potenciómetro de compensación de error ajusta pequeñas diferencias (mV) en las compensaciones de la señal de error rápida y lenta. Ajustar el potenciómetro garantiza que los circuitos compensadores de error rápido y lento bloqueen el láser a la misma frecuencia.
7. Si el servo se desbloquea inmediatamente al activar el bloqueo lento, intente invertir la SEÑAL LENTA.
8. Si el servo lento aún se desbloquea inmediatamente, reduzca la ganancia lenta e inténtelo nuevamente.
9. Una vez que se logre un bloqueo lento estable con el potenciómetro ERR OFFSET configurado correctamente, ajuste SLOW GAIN y SLOW INT para mejorar la estabilidad del bloqueo.

4.3 Optimización
El propósito del servo es bloquear el láser en el cruce por cero de la señal de error, que idealmente sería cero al estar bloqueado. Por lo tanto, el ruido en la señal de error es una medida de la calidad del bloqueo. El análisis espectral de la señal de error es una herramienta poderosa para comprender y optimizar la retroalimentación. Se pueden utilizar analizadores de espectro de RF, pero son comparativamente caros y tienen un rango dinámico limitado. Se requiere una buena tarjeta de sonido (24 bits a 192 kHz, p. ej., Lynx L22).

4.3 Optimización

29

Proporciona análisis de ruido hasta una frecuencia de Fourier de 96 kHz con un rango dinámico de 140 dB.
Idealmente, el analizador de espectro se utilizaría con un discriminador de frecuencia independiente, insensible a las fluctuaciones de potencia del láser [11]. Se pueden obtener buenos resultados monitorizando la señal de error dentro del bucle, pero es preferible una medición fuera del bucle, como la medición de la transmisión de la cavidad en una aplicación PDH. Para analizar la señal de error, conecte el analizador de espectro a una de las salidas MONITOR configuradas en FAST ERR.
El bloqueo de alto ancho de banda generalmente implica lograr primero un bloqueo estable utilizando únicamente el servo rápido y luego usar el servo lento para mejorar la estabilidad del bloqueo a largo plazo. El servo lento es necesario para compensar la deriva térmica y las perturbaciones acústicas, que provocarían un salto de modo si se compensaran únicamente con corriente. Por el contrario, las técnicas de bloqueo simples, como la espectroscopia de absorción saturada, se logran generalmente logrando primero un bloqueo estable con el servo lento y luego usando el servo rápido para compensar únicamente las fluctuaciones de alta frecuencia. Puede ser útil consultar el diagrama de Bode (figura 4.3) al interpretar el espectro de la señal de error.
Al optimizar el FSC, se recomienda optimizar primero el servo rápido mediante el análisis de la señal de error (o la transmisión a través de la cavidad) y, a continuación, el servo lento para reducir la sensibilidad a las perturbaciones externas. En particular, el modo SCAN+P proporciona una forma práctica de obtener una señal de retroalimentación y una ganancia aproximadamente correctas.
Tenga en cuenta que lograr el bloqueo de frecuencia más estable requiere una optimización cuidadosa de muchos aspectos del aparato, no solo de los parámetros del FSC. Por ejemplo:ample, residual ampLa modulación de longitud (RAM) en un aparato PDH produce una deriva en la señal de error, que el servomotor no puede compensar. De igual manera, una mala relación señal-ruido (SNR) alimentará el ruido directamente al láser.
En particular, la alta ganancia de los integradores significa que el bloqueo puede ser sensible a los bucles de tierra en la cadena de procesamiento de señales y

30

Capítulo 4. Aplicación ej.ample: Cierre del Pound-Drever Hall

Se debe tener cuidado para eliminarlos o mitigarlos. La conexión a tierra del FSC debe estar lo más cerca posible tanto del controlador láser como de cualquier componente electrónico involucrado en la generación de la señal de error.
Un procedimiento para optimizar el servo rápido consiste en desactivar FAST DIFF y ajustar FAST GAIN, FAST INT y GAIN LIMIT para reducir el nivel de ruido al máximo. A continuación, optimice FAST DIFF y DIFF GAIN para reducir los componentes de ruido de alta frecuencia, como se observa en un analizador de espectro. Tenga en cuenta que puede ser necesario modificar FAST GAIN e FAST INT para optimizar el bloqueo una vez introducido el diferenciador.
En algunas aplicaciones, la señal de error tiene un ancho de banda limitado y solo contiene ruido no correlacionado a altas frecuencias. En tales casos, es conveniente limitar la acción del servo a altas frecuencias para evitar que este ruido se acople a la señal de control. Se proporciona una opción de filtro para reducir la respuesta rápida del servo por encima de una frecuencia específica. Esta opción es mutuamente excluyente con el diferenciador y debe probarse si se observa que al habilitarlo aumenta la respuesta.
60

Ganancia (dB)

Corte de alta frecuencia. Integrador doble.

INT RÁPIDO GANANCIA RÁPIDA
GANANCIA DE DIFERENCIA RÁPIDA (límite)

40

20

Integrador

0

GANANCIA RÁPIDA DE LF (límite)

Integrador

Proporcional

Diferenciador

Filtrar

INT LENTO

20101

102

103

104

105

106

107

108

Frecuencia de Fourier [Hz]

Figura 4.3: Diagrama de Bode conceptual que muestra la acción de los controladores rápido (rojo) y lento (azul). Las frecuencias de corte y los límites de ganancia se ajustan con los controles del panel frontal, según se indica.

4.3 Optimización

31

el ruido medido.
El servomotor lento puede optimizarse para minimizar la sobrerreacción a perturbaciones externas. Sin el bucle del servomotor lento, el alto límite de ganancia implica que el servomotor rápido responderá a perturbaciones externas (p. ej., acoplamiento acústico), y el cambio de corriente resultante puede inducir saltos de modo en el láser. Por lo tanto, es preferible que estas fluctuaciones (de baja frecuencia) se compensen en el piezoeléctrico.
Ajustar SLOW GAIN y SLOW INT no necesariamente producirá una mejora en el espectro de la señal de error, pero cuando se optimiza reducirá la sensibilidad a las perturbaciones acústicas y prolongará la vida útil de la cerradura.
De igual forma, la activación del integrador doble (DIP2) puede mejorar la estabilidad al garantizar que la ganancia general del sistema de servo lento sea mayor que la del servo rápido a estas frecuencias más bajas. Sin embargo, esto puede provocar que el servo lento reaccione de forma exagerada a perturbaciones de baja frecuencia, por lo que el integrador doble solo se recomienda si las derivas prolongadas de la corriente desestabilizan el bloqueo.

32

Capítulo 4. Aplicación ej.ample: Cierre del Pound-Drever Hall

A. Especificaciones

Parámetro

Especificación

Ganancia de temporización Ancho de banda (-3 dB) Retardo de propagación Ancho de banda de modulación externa (-3 dB)

> 35 MHz < 40 ns
> 35 MHz

Entrada A IN, B IN BARRIDO EN GANANCIA EN MOD EN BLOQUEO EN

SMA, 1 M, ±2 V SMA, 5 M, 1 a +0 V SMA, 2 M, ±5 V SMA, 1 M, ±2 V Conector de audio hembra de 5 mm, TTL

Las entradas analógicas están sobre-volátilestage protegido hasta ±10 V. Las entradas TTL toman < 1 V como bajo, > 0 V como alto. Las entradas LOCK IN son de -2 V a 0 V, activas bajas, consumiendo ±0 µA.

33

34

Apéndice A. Especificaciones

Parámetro
Salida SALIDA LENTA SALIDA RÁPIDA MONITOR 1, 2 ALIMENTACIÓN DE DISPARO A, B

Especificación
SMA, 50, 0 a +2 V, ancho de banda 5 kHz SMA, 20, ±50 V, ancho de banda > 2 MHz SMA, 5, ancho de banda > 20 MHz SMA, 50 M, 20 a +1 V Conector hembra M0, ±5 V, 8 mA

Todas las salidas están limitadas a ±5 V. 50 salidas 50 mA máx. (125 mW, +21 dBm).

Potencia mecánica

Entrada IEC

110 a 130 V a 60 Hz o 220 a 260 V a 50 Hz

Fusible

Cerámica anti-sobretensión de 5x20 mm 230 V/0.25 A o 115 V/0.63 A

Dimensiones

An×Al×Pr = 250 × 79 × 292 mm

Peso

2 kilogramos

Consumo de energía

< 10 W

Solución de problemas

B.1 La frecuencia del láser no escanea
Un DLC MOGLabs con señal de control piezoeléctrico externo requiere que la señal externa supere los 1.25 V. Si está seguro de que su señal de control externo supera los 1.25 V, confirme lo siguiente:
· El lapso del DLC es completamente en el sentido de las agujas del reloj. · La FRECUENCIA en el DLC es cero (usando la pantalla LCD para configurar)
Frecuencia). · El DIP9 (barrido externo) del DLC está activado. · Los DIP13 y DIP14 del DLC están desactivados. · El interruptor de bloqueo del DLC está en la posición SCAN. · La salida lenta del FSC está conectada al SWEEP/PZT MOD.
entrada del DLC. · SWEEP en el FSC es INT. · El rango del FSC es totalmente en el sentido de las agujas del reloj. · Conecte el FSC MONITOR 1 a un osciloscopio, configure el MONI-
Perilla TOR 1 a RAMP y ajuste FREQ OFFSET hasta que ramp está centrado alrededor de 1.25 V.
Si las comprobaciones anteriores no han solucionado el problema, desconecte el FSC del DLC y asegúrese de que el láser escanee al controlarlo con el DLC. Si no funciona, contacte con MOGLabs para obtener ayuda.
35

36

Apéndice B. Solución de problemas

B.2 Cuando se utiliza una entrada de modulación, la salida rápida flota a un volumen grande.tage
Al utilizar la funcionalidad MOD IN del FSC (DIP 4 habilitado), la salida rápida normalmente flotará al volumen positivo.tagCarril electrónico, alrededor de 4 V. Asegúrese de que MOD IN esté en cortocircuito cuando no esté en uso.

B.3 Señales de error positivas grandes
En algunas aplicaciones, la señal de error generada por la aplicación puede ser estrictamente positiva (o negativa) y grande. En este caso, el potenciómetro REF y ERR OFFSET podrían no proporcionar suficiente desplazamiento de CC para garantizar que el punto de bloqueo deseado coincida con 0 V. En este caso, tanto CH A como CH B pueden utilizarse con el conmutador INPUT en , CH B en PD y con un voltaje de CC.tage aplicado a CH B para generar el desplazamiento necesario para centrar el punto de bloqueo. Como ejemploampes decir, si la señal de error está entre 0 V y 5 V y el punto de bloqueo fue 2.5 V, entonces conecte la señal de error a CH A y aplique 2.5 V a CH B. Con la configuración adecuada, la señal de error estará entre -2 V y +5 V.

B.4 Carriles de salida rápida a ±0.625 V
Para la mayoría de los ECDL de MOGLabs, un volumentagLa oscilación de ±0.625 V en la salida rápida (que corresponde a ±0.625 mA inyectados en el diodo láser) es mayor que la necesaria para el bloqueo en una cavidad óptica. En algunas aplicaciones, se requiere un rango mayor en la salida rápida. Este límite puede aumentarse con un simple cambio de resistencia. Para más información, contacte con MOGLabs.

B.5 La retroalimentación necesita cambiar de signo
Si la polaridad de retroalimentación rápida cambia, generalmente se debe a que el láser ha entrado en un estado multimodo (dos modos de cavidad externa oscilando simultáneamente). Ajuste la corriente del láser para obtener un funcionamiento monomodo, en lugar de invertir la polaridad de retroalimentación.

B.6 El monitor emite una señal incorrecta

37

B.6 El monitor emite una señal incorrecta
Durante las pruebas de fábrica, se verifica la salida de cada perilla MONITOR. Sin embargo, con el tiempo, los tornillos de fijación que la sujetan pueden aflojarse y hacer que la perilla se deslice, lo que provoca que indique una señal incorrecta. Para comprobarlo:
· Conecte la salida del MONITOR a un osciloscopio.
· Gire la perilla SPAN completamente en el sentido de las agujas del reloj.
· Gire el MONITOR a RAMPAhora deberías observarampseñal del orden de 1 voltio; si no lo hace, la posición de la perilla es incorrecta.
· Incluso si observas algoampSi la señal es incorrecta, la posición de la perilla aún puede ser incorrecta, gire la perilla una posición más en el sentido de las agujas del reloj.
· Ahora debería tener una pequeña señal cerca de 0 V, y tal vez pueda ver una pequeña ramp en el osciloscopio en el orden de decenas de mV. Ajuste el potenciómetro BIAS y debería ver la ampLiteratura de esta ramp cambiar.
· Si la señal en el osciloscopio cambia a medida que ajusta el potenciómetro BIAS, la posición de la perilla MONITOR es correcta; si no, entonces debe ajustar la posición de la perilla MONITOR.
Para corregir la posición de la perilla MONITOR, primero se deben identificar las señales de salida utilizando un procedimiento similar al anterior, y luego se puede girar la posición de la perilla aflojando los dos tornillos de fijación que sostienen la perilla en su lugar, con una llave Allen de 1.5 mm o un destornillador de bola.

B.7 El láser experimenta saltos de modo lento
Los saltos de modo lento pueden ser causados por retroalimentación óptica de elementos ópticos entre el láser y la cavidad, por ejemploampacopladores de fibra óptica, o de la propia cavidad óptica. Los síntomas incluyen frecuencia

38

Apéndice B. Solución de problemas

saltos del láser de funcionamiento libre en escalas de tiempo lentas, del orden de 30 s, donde la frecuencia del láser salta de 10 a 100 MHz. Asegúrese de que el láser tenga suficiente aislamiento óptico, instalando otro aislador si es necesario, y bloquee cualquier trayectoria del haz que no se utilice.

C. Disposición de la PCB

C39

C59

R30

C76

C116

C166

C3

C2

P1

P2

C1

C9

C7

C6

C4

C5

P3

R1 C8 C10
R2

R338D1
C378

R24

R337

R27

C15

R7

R28

R8

R66R34

R340 C379
R33
R10

D4
R11 C60 R35

R342

R37

R343D6
C380
R3 C16 R12

R4

C366 R58 R59 C31 R336

P4

R5D8
C365 R347 R345
R49

R77R40

R50D3
C368 R344 R346
R75

C29 R15 R38 R47 R48

C62 R36 R46 C28

C11 C26
R339

R31 C23
C25

C54 C22 C24 R9

R74 C57
C33

C66 C40

U13

U3

U9

U10

U14

U4

U5

U6

U15

R80 R70 C27

C55 R42

C65 R32

R29R65

R57 R78 R69

R71R72

R79R84

C67

R73

C68

C56

R76

R333

C42 C69

C367 R6
R334 C369

C13

R335

C43 C372 R14 R13

C373 C17
U1
R60 R17 R329
U16
R81R82

C35

C362 R85 R331 C44 R87

C70

U25 C124

R180 C131

C140 R145

U42

R197 R184 C186 C185

MH2

C165 C194 C167 R186 R187 C183 C195 R200

C126 R325 R324
R168 C162 C184
C157 R148 R147
C163 C168
C158 R170

R95 C85 R166 R99 C84
C86

C75 R97 R96 C87

R83 C83
U26

U27 C92

R100 R101 R102 R106
R104R105

C88 R98 R86
R341 C95 R107 C94

U38

C90 R109
R103U28

C128 C89
C141

R140R143

R108

U48

R146 C127

R185

U50 R326

U49

R332

R201

R191
R199 C202

R198R190

C216

P8

U57

C221

C234

C222 R210 C217

C169 R192 R202

R195 C170

R171
U51
R203
R211
U58
C257

R213 C223 R212
R214 C203 C204 C205

C172 R194 C199

R327 C171 C160 R188 R172 R173

C93 R111 C96 C102 R144 R117

R110R112

C98 C91
R115R114

U31

C101

FB1

C148

FB2

C159

C109 C129

C149

C130
U29
C138

U32
C150

C112 R113

C100

C105 C99 C103 C152 C110

U33

C104 C111 C153
C133

R118R124
R119R122

R123
U34 R130 R120 R121

C161

C134

R169U43

C132

C182 R157 C197

C189 R155 C201
C181 R156

C173
U56
C198 R193

C206

R189

C174

C196

U52

R196 R154 R151 R152 R153

R204 C187 C176 C179

U53

C180 C188 C190

C178

C200

C207

U54
C209

U55 C191

C192

C208 R205

U62 C210

R217 C177

C227 C241 C243 C242 R221
R223 C263

C232

C231

C225
U59
C226
C259

C237

C238

C240 C239

R206
U60
C261

R207 C260 R215

R218

R216

U61 C262

U66 R219

U68 R222

U67 R220

C258 C235 C236

C273

SW1

R225R224

C266

C265

R228

U69

C269

R231R229
U70

C270

U71

R234

C272

R226
U72

C71

C36

R16R18
C14

C114

R131

C115

C58 R93

C46

C371
C370
R43 C45
R44
U11
R330R92
R90 R89 R88 R91

R20

U7

R19

R39 C34

C72

R61

C73

C19

R45 C47

C41 C78

P5

R23

U8

R22

C375
C374 R41 R21
C37
C38

C30

C20

R52 C48 R51
C49

U2

C50

U17

U18

R55 R53 R62 R54

C63

R63 C52 R26
U12 R25

P6
C377 C376
R64 R56 C51
MH1

C53

C79

C74

C18

C113 R174 R175 R176 R177
C120

R128

R126 C106
R127R125
U35 R132 U39
R141 C117 R129 R158

R142

C136 R134 R133 R138 R137

C135

C139 R161 R162 R163

C118

C119 R159

C121
U41 C137
R160 C147
C164

U40 C146

C193

R164 C123

C122

R139R165
U44

C107
U45

C142

C144 R135 C145

R182

R178R167
R181

RT1

C155 R149

C21 C12

U47

U46

U30 C108

Sub-21 C77 Sub-23 C82

Sub-24 C64 Sub-22 C81

U19 C61
R68 R67 U20 C32

P7

C97 R116

C80 R94

U36 C143

C151

R179
R150 C156
R183

R136 C154

C175

C252

C220

C228 C229 C230

U63

C248

C247

C211

C212 C213 C214

U64

C251

C250

C215

C219
R208 R209 C224

C218 C253

U65

C256

C255 C254

C249 C233

C246 C245

C274
C244

C264

C268 R230

C276

C271

C267

C275

R238 R237 R236 R235 R240 R239
R328

REF1 R257

C285 R246

C286 C284

R242
U73
R247

C281 R243

C280
U74

C287

R248

C289 R251 R252

R233 R227 R232
C282 R244 R245
U75
R269

C288 R250 R249

R253R255

C290

R241

R254
U76
R272

C291

R256
U77

C294 C296

C283

C277

MH5

C292

C293

C279 C278

U37 C125

MH3

C295

C307 R265
Q1

C309

C303 R267 R268
C305

C301

MH6

R282

C312

R274 R283 R284

C322

C298

C300

R264 C297 R262
U78
R273 C311

C299

R263

C302

R261 R258 R259 R260

U79

C306
U80
C315

C313

R266
U81
R278 R275 R276

C304

R277

C316

R271 C308

R270
U82
C314

C318

U83
R280 R279 C321

C310
U84

R285 C317

C320

R281

C319

R290R291

D11

D12

D13

D14

R287R286

SW2

R297R296
R289R288

C334 C328 C364

R299 C330

R293R292

C324

C331

R300

R298 C329

C333 C332

U85

C335

C323

C325

D15

R303

D16

C336

R301 R302 C342 C341
C337

U86

C343

C339

C346

R310R307

R309

R308

MH8

C347 R305 R306

R315

R321

C345

P10

C344 C348

MH9

C349 R318 C350 R319 R317 R316

C352
P11

C351

C354

U87

MH10
C353

U88

C338

C340

R294

C363

MH4 P9
XF1

C358
R295

C326

C327

D17

R304

D18

U89

C355 C356

U91

U90

C361 R323

C357

C359
P12

C360

MH7
R313 R314 R320 R311 R312 R322

39

40

Apéndice C. Diseño de PCB

D. Conversión de 115/230 V

D.1 Fusible

El fusible es un antisobretensión cerámico, de 0.25 A (230 V) o 0.63 A (115 V), 5 x 20 mm, por ejemplo.ampEl Littlefuse 0215.250MXP o 0215.630MXP. El portafusibles es un cartucho rojo ubicado justo encima de la entrada de alimentación IEC y del interruptor principal, en la parte trasera de la unidad (Fig. D.1).

Figura D.1: Cartucho de fusible, que muestra la ubicación del fusible para el funcionamiento a 230 V.
D.2 Conversión 120/240 V
El controlador puede recibir alimentación de CA de 50 a 60 Hz, de 110 a 120 V (100 V en Japón) o de 220 a 240 V. Para convertir entre 115 V y 230 V, se debe retirar el cartucho de fusibles y volver a insertarlo de manera que se alcance el voltaje correcto.tagSe muestra a través de la ventana de la cubierta y está instalado el fusible correcto (como se indica arriba).
41

42

Apéndice D. Conversión de 115/230 V

Figura D.2: Para cambiar el fusible o el vol.tage, abra la tapa del cartucho de fusibles con un destornillador insertado en una pequeña ranura en el borde izquierdo de la tapa, justo a la izquierda del volúmen rojo.tage indicador.

Para retirar el cartucho del fusible, inserte un destornillador en el hueco situado a la izquierda del cartucho; no intente extraerlo utilizando un destornillador por los laterales del portafusibles (ver figuras).

¡EQUIVOCADO!

CORRECTO

Figura D.3: Para extraer el cartucho de fusibles, inserte un destornillador en un hueco a la izquierda del cartucho.
Al cambiar el voltage, el fusible y la pinza puente deben intercambiarse de un lado al otro, de modo que la pinza puente esté siempre abajo y el fusible siempre arriba; consulte las figuras a continuación.

D.2 Conversión 120/240 V

43

Figura D.4: Puente de 230 V (izquierda) y fusible (derecha). Intercambie el puente y el fusible al cambiar el voltaje.tage, de manera que el fusible permanezca en la parte superior cuando se inserta.

Figura D.5: Puente de 115 V (izquierda) y fusible (derecha).

44

Apéndice D. Conversión de 115/230 V

Bibliografía
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MOG Laboratories Pty Ltd 49 University St, Carlton VIC 3053, Australia Tel.: +61 3 9939 0677 info@moglabs.com

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Documentos / Recursos

Controlador servo rápido PID moglabs [pdf] Manual de instrucciones Controlador servo rápido PID, PID, controlador servo rápido, controlador servo

Referencias

• Manual de usuario