Controlador servo rápido PID de Moglabs
Especificacións
- Modelo: MOGLabs FSC
- Tipo: Servocontrolador
- Uso previsto: Estabilización da frecuencia do láser e estreitamento do ancho de liña
- Aplicación principal: Servocontrol de alta banda e baixa latencia
Instrucións de uso do produto
Introdución
O MOGLabs FSC está deseñado para proporcionar un servocontrol de baixa latencia e gran ancho de banda para a estabilización da frecuencia do láser e o estreitamento do ancho de liña.
Teoría básica do control por retroalimentación
A estabilización da frecuencia de retroalimentación dos láseres pode ser complexa. Recoméndase review libros de texto e literatura de teoría de control sobre a estabilización da frecuencia láser para unha mellor comprensión.
Conexións e controis
Controis do panel frontal
Os controis do panel frontal utilízanse para axustes inmediatos e monitorización. Estes controis son esenciais para axustes en tempo real durante o funcionamento.
Controis e conexións do panel traseiro
Os controis e as conexións do panel traseiro proporcionan interfaces para dispositivos e periféricos externos. A conexión correcta destes garante un funcionamento sen problemas e compatibilidade con sistemas externos.
Interruptores DIP internos
Os interruptores DIP internos ofrecen opcións de configuración adicionais. Comprender e configurar correctamente estes interruptores é fundamental para personalizar o comportamento do controlador.
FAQ
unha empresa de Santec
Controlador servo rápido
Versión 1.0.9, Rev. 2 do hardware
Limitación de responsabilidade
MOG Laboratories Pty Ltd (MOGLabs) non asume ningunha responsabilidade derivada do uso da información contida neste manual. Este documento pode conter ou facer referencia a información e produtos protexidos por dereitos de autor ou patentes e non transmite ningunha licenza baixo os dereitos de patente de MOGLabs, nin os dereitos doutros. MOGLabs non será responsable de ningún defecto no hardware ou software ou perda ou inadecuación de datos de ningún tipo, nin por ningún dano directo, indirecto, incidental ou consecuente en relación ou derivado do rendemento ou uso de calquera dos seus produtos. . A limitación de responsabilidade anterior aplicarase igualmente a calquera servizo prestado por MOGLabs.
Dereitos de autor
Copyright © MOG Laboratories Pty Ltd (MOGLabs) 2017 2025. Ningunha parte desta publicación pode ser reproducida, almacenada nun sistema de recuperación ou transmitida, de calquera forma ou por ningún medio, electrónico, mecánico, fotocopia ou doutro xeito, sen o previo escrito. permiso de MOGLabs.
Contacto
Para máis información, póñase en contacto con:
Laboratorios MOG P/L 49 University St Carlton VIC 3053 AUSTRALIA +61 3 9939 0677 info@moglabs.com www.moglabs.com
Santec LIS Corporation 5823 Ohkusa-Nenjozaka, Komaki Aichi 485-0802 XAPÓN +81 568 79 3535 www.santec.com
Introdución
O FSC de MOGLabs proporciona os elementos críticos dun servocontrolador de alta largura de banda e baixa latencia, destinado principalmente á estabilización da frecuencia láser e ao estreitamento do ancho de liña. O FSC tamén se pode usar para ampcontrol da litude, por exemploamppara crear un "comedor de ruído" que estabilice a potencia óptica dun láser, pero neste manual asumimos a aplicación máis común da estabilización de frecuencia.
1.1 Teoría básica do control por retroalimentación
A estabilización da frecuencia de retroalimentación dos láseres pode ser complicada. Animamos aos lectores a que volvanview libros de texto de teoría de control [1, 2] e literatura sobre estabilización da frecuencia láser [3].
O concepto de control de retroalimentación móstrase esquematicamente na figura 1.1. A frecuencia do láser mídese cun discriminador de frecuencia que xera un sinal de erro proporcional á diferenza entre a frecuencia instantánea do láser e a frecuencia desexada ou de consigna. Os discriminadores comúns inclúen cavidades ópticas e detección de Pound-Drever-Hall (PDH) [4] ou Haënsch-Couillaud [5]; bloqueo de desprazamento [6]; ou moitas variacións da espectroscopia de absorción atómica [7].
0
+
Sinal de erro
Servo
Sinal de control
Láser
Discriminador de frecuencia dV/df
Figura 1.1: Diagrama de bloques simplificado dun bucle de control de retroalimentación.
1
2
Capítulo 1. Introdución
1.1.1 Sinais de erro
A característica común clave do control de retroalimentación é que o sinal de erro empregado para o control debe invertir o signo a medida que a frecuencia do láser cambia por riba ou por debaixo do punto de consigna, como na figura 1.2. A partir do sinal de erro, un servo ou compensador de retroalimentación xera un sinal de control para un transdutor no láser, de tal xeito que a frecuencia do láser é impulsada cara ao punto de consigna desexado. Fundamentalmente, este sinal de control cambiará de signo a medida que o sinal de erro cambia de signo, garantindo que a frecuencia do láser sempre sexa impulsada cara ao punto de consigna, en lugar de afastarse del.
Erro
Erro
f
0
frecuencia f
Frecuencia f
COMPENSACIÓN DE ERRO
Figura 1.2: Un sinal de erro dispersivo teórico, proporcional á diferenza entre unha frecuencia láser e unha frecuencia de punto de consigna. Un desprazamento no sinal de erro despraza o punto de bloqueo (dereita).
Teña en conta a distinción entre un sinal de erro e un sinal de control. Un sinal de erro é unha medida da diferenza entre a frecuencia láser real e a desexada, que en principio é instantánea e non ten ruído. Un sinal de control xérase a partir do sinal de erro mediante un servo ou compensador de retroalimentación. O sinal de control acciona un actuador como un transdutor piezoeléctrico, a corrente de inxección dun díodo láser ou un modulador acustoóptico ou electroóptico, de tal xeito que a frecuencia láser volva ao punto de consigna. Os actuadores teñen funcións de resposta complicadas, con retardos de fase finitos, ganancia dependente da frecuencia e resonancias. Un compensador debería optimizar a resposta de control para reducir o erro ao mínimo posible.
1.1 Teoría básica do control por retroalimentación
3
1.1.2 Resposta de frecuencia dun servo de retroalimentación
O funcionamento dos servos de retroalimentación adoita describirse en termos da resposta de frecuencia de Fourier; é dicir, a ganancia da retroalimentación en función da frecuencia dunha perturbación. Por exemplo,ampÉ dicir, unha perturbación común é a frecuencia da rede eléctrica, = 50 Hz ou 60 Hz. Esa perturbación alterará a frecuencia do láser nunha certa cantidade, a unha velocidade de 50 ou 60 Hz. O efecto da perturbación no láser pode ser pequeno (por exemplo, = 0 ± 1 kHz onde 0 é a frecuencia do láser non perturbada) ou grande ( = 0 ± 1 MHz). Independentemente do tamaño desta perturbación, a frecuencia de Fourier da perturbación está en 50 ou 60 Hz. Para suprimir esa perturbación, un servo de retroalimentación debe ter unha ganancia alta a 50 e 60 Hz para poder compensar.
A ganancia dun servocontrolador normalmente ten un límite de baixa frecuencia, xeralmente definido polo límite de ancho de banda de ganancia do operador.amps usados no controlador servo. A ganancia tamén debe caer por debaixo da ganancia unitaria (0 dB) a frecuencias máis altas para evitar inducir oscilacións na saída de control, como o coñecido chirrido agudo dos sistemas de audio (comunmente chamado "retroalimentación de audio"). Estas oscilacións prodúcense para frecuencias por riba do recíproco do retardo mínimo de propagación do sistema combinado de láser, discriminador de frecuencia, servo e actuador. Normalmente, este límite está dominado polo tempo de resposta do actuador. Para os piezoeléctricos usados en láseres de díodo de cavidade externa, o límite adoita ser duns poucos kHz e, para a resposta de modulación de corrente do díodo láser, o límite está arredor de 100 a 300 kHz.
A figura 1.3 é unha gráfica conceptual da ganancia fronte á frecuencia de Fourier para o FSC. Para minimizar o erro de frecuencia láser, débese maximizar a área baixo a gráfica de ganancia. Os controladores servo PID (proporcionais, integrais e diferenciais) son unha estratexia común, onde o sinal de control é a suma de tres compoñentes derivados do sinal de erro de entrada. A retroalimentación proporcional (P) intenta compensar rapidamente as perturbacións, mentres que a retroalimentación do integrador (I) proporciona unha alta ganancia para desprazamentos e desviacións lentas, e a retroalimentación diferencial (D) engade ganancia adicional para cambios repentinos.
4
Capítulo 1. Introdución
Ganancia (dB)
Corte de alta frecuencia. Integrador dobre.
60
INT RÁPIDA GANANCIA RÁPIDA
GANANCIA DIFERENCIAL RÁPIDA (límite)
40
20
Integrador
0
GANANCIA LF RÁPIDA (límite)
Integrador
Proporcional
Diferenciador
Filtro
INT LENTA
20101
102
103
104
105
106
107
108
Frecuencia de Fourier [Hz]
Figura 1.3: Diagrama de Bode conceptual que mostra a acción dos controladores rápido (vermello) e lento (azul). O controlador lento é un integrador simple ou dobre con frecuencia de esquina axustable. O controlador rápido é PID con frecuencias de esquina axustables e límites de ganancia nas frecuencias baixa e alta. Opcionalmente, o diferenciador pódese desactivar e substituír por un filtro de paso baixo.
Conexións e controis
2.1 Controis do panel frontal
O panel frontal do FSC ten un gran número de opcións de configuración que permiten axustar e optimizar o comportamento dos servomotores.
Ten en conta que os interruptores e as opcións poden variar entre as revisións de hardware. Consulta o manual do teu dispositivo específico, tal e como indica o número de serie.
Controlador de servo rápido
AC DC
ENTRADA
PD 0
REF
CHB
+
SINAL RÁPIDO
+
SINAL DE LENTIDADE
INT
75 100 250
50 k 100 k 200 k
10M 5M 2.5M
50
500
20 k
500k DESACTIVADO
1M
25
750 10k
1M 200k
750 k
DESACTIVADO
1k DESACTIVADO
2M 100k
500 k
EXT
50 k
250 k
25 k
100 k
ESPAÑOL
TARIFA
INT LENTA
RÁPIDO INT
DIFERENCIAL/FILTRO RÁPIDO
12
6
18
0
24
BIAS
DESPRAZAMENTO DE FRECUENCIA
GANANCIA LENTA
GANANCIA RÁPIDA
GANANCIA DIFERENCIAL
30 20 10
0
40
50
ANIDADO
60
ESCANEAR
BLOQUEO MÁXIMO
LENTA
LÍMITE DE GAÑA
ESCANEAR ESCANEAR+P
BLOQUEO
RÁPIDO
ERRO DE DESPRENDEMENTO
ESTADO
ERROR LENTO
RAMP
ERRO RÁPIDO
BIAS
CHB
RÁPIDO
CHA
LENTA
MON1
ERROR LENTO
RAMP
ERRO RÁPIDO
BIAS
CHB
RÁPIDO
CHA
LENTA
MON2
2.1.1 Configuración ENTRADA Selecciona o modo de acoplamento do sinal de erro; véxase a figura 3.2. CA O sinal de erro rápido está acoplado a CA, o erro lento está acoplado a CC. CC Tanto os sinais de erro rápidos como os lentos están acoplados a CC. Os sinais están acoplados a CC e o OFFSET DE ERRO do panel frontal aplícase para controlar o punto de bloqueo. CHB Selecciona a entrada para o canal B: fotodetector, terra ou unha referencia variable de 0 a 2.5 V establecida co potenciómetro adxacente.
SINAL RÁPIDO Sinal de retroalimentación rápida. SINAL LENTO Sinal de retroalimentación lenta.
5
6
Conexións e controis
2.1.2 Ramp control
A r internaamp O xerador proporciona unha función de varrido para escanear a frecuencia do láser, normalmente a través dun actuador piezoeléctrico, corrente de inxección de díodos ou ambos. Unha saída de disparo sincronizada coa ramp está dispoñible no panel traseiro (TRIG, 1M).
INT/EXT Interno ou externo ramp para a exploración de frecuencias.
Potenciómetro RATE para axustar a velocidade de varrido interno.
POLÍSTICA Cando o DIP3 está activado, a saída lenta, escalada por este potenciómetro, engádese á saída rápida. Esta prealimentación de polarización adoita ser necesaria ao axustar o actuador piezoeléctrico dun ECDL para evitar o salto de modo. Non obstante, esta funcionalidade xa a proporcionan algúns controladores láser (como o MOGLabs DLC) e só se debe usar cando non se proporciona noutro lugar.
SPAN Axusta a ramp altura e, polo tanto, a extensión do varrido de frecuencia.
DESPRAZAMENTO DE FRECUENCIA Axusta o desprazamento de CC na saída lenta, proporcionando eficazmente un desprazamento estático da frecuencia do láser.
2.1.3 Variables de bucle
As variables do bucle permiten a ganancia dos proporcionais, integradores e diferenciadores.tages para ser axustados. Para o integrador e o diferenciadortages, a ganancia preséntase en termos da frecuencia de ganancia unitaria, ás veces denominada frecuencia de esquina.
SLOW INT Frecuencia de esquina do integrador servo lento; pódese desactivar ou axustar de 25 Hz a 1 kHz.
GANANCIA LENTA Ganancia do servo lenta dunha soa volta; de -20 dB a +20 dB.
FAST INT Frecuencia de esquina do integrador servo rápido; desactivada ou axustable de 10 kHz a 2 MHz.
2.1 Controis do panel frontal
7
GANANCIA RÁPIDA Ganancia proporcional do servo rápido de dez voltas; de -10 dB a +50 dB.
DIFERENCIAL/FILTRO RÁPIDO Controla a resposta do servo de alta frecuencia. Cando se define en "OFF", a resposta do servo permanece proporcional. Cando se xira no sentido das agullas do reloxo, o diferenciador actívase coa frecuencia de esquina asociada. Teña en conta que diminuír a frecuencia de esquina aumenta a acción do diferenciador. Cando se define nun valor subliñado, o diferenciador desactívase e, no seu lugar, aplícase un filtro de paso baixo á saída do servo. Isto fai que a resposta se reduza por riba da frecuencia especificada.
GANANCIA DIFERENCIAL Límite de ganancia de alta frecuencia no servo rápido; cada incremento cambia a ganancia máxima en 6 dB. Non ten efecto a menos que o diferenciador estea activado; é dicir, a menos que FAST DIFF estea configurado nun valor que non estea subliñado.
2.1.4 Controis de bloqueo
LÍMITE DE GANANCIA Límite de ganancia de baixa frecuencia no servo rápido, en dB. MÁX representa a ganancia máxima dispoñible.
DESPRAZAMENTO DE ERRO Desprazamento de CC aplicado aos sinais de erro cando o modo ENTRADA está configurado en . Útil para o axuste preciso do punto de bloqueo ou para compensar a desviación no sinal de erro. O potenciómetro adxacente serve para axustar o desprazamento de erro do servo lento en relación co servo rápido e pódese axustar para garantir que os servos rápido e lento se dirixan á mesma frecuencia exacta.
SLOW Activa o servo lento cambiando SCAN a LOCK. Cando se configura en NESTED, o volume de control lentotage aliméntase no sinal de erro rápido para obter unha ganancia moi alta a baixas frecuencias en ausencia dun actuador conectado á saída lenta.
RÁPIDO Controla o servo rápido. Cando se configura en SCAN+P, a retroalimentación proporcional aliméntase á saída rápida mentres o láser está a escanear, o que permite calibrar a retroalimentación. Cambiar a LOCK detén a escaneada e activa o control PID completo.
8
Capítulo 2. Conexións e controis
ESTADO Indicador multicolor que mostra o estado do peche.
Verde Acendido, bloqueo desactivado. Laranxa Bloqueo activado pero sinal de erro fóra de rango, o que indica o bloqueo.
fallou. O peche azul está activado e o sinal de erro está dentro dos límites.
2.1.5 Monitorización de sinais
Dous codificadores rotatorios seleccionan cal dos sinais especificados se envía ás saídas MONITOR 1 e MONITOR 2 do panel traseiro. A saída TRIG é unha saída compatible con TTL (1M) que cambia de baixo a alto no centro do varrido. A táboa seguinte define os sinais.
CHA CHB ERR RÁPIDO ERR LENTO RAMP PUNTE DE VISTA RÁPIDO LENTO
Entrada da canle A Entrada da canle B Sinal de erro usado polo servo rápido Sinal de erro usado polo servo lento Ramp aplicado a SLOW OUT Ramp aplicado a FAST OUT cando DIP3 activado Sinal de control FAST OUT Sinal de control SLOW OUT
2.2 Controis e conexións do panel traseiro
9
2.2 Controis e conexións do panel traseiro
BLOQUEO DO MONITOR 2
MONITOR 1
VARRER DENTRO
GAÑAR ENTRADA
B ENTRADA
A IN
Serie:
TRIG
SAÍDA RÁPIDA SAÍDA LENTA
MOD EN
POTENCIA B
POTENCIA A
Todos os conectores son SMA, agás nos casos indicados. Todas as entradas son de sobretensión.tage protexido a ±15 V.
Entrada de alimentación IEC. A unidade debe estar preconfigurada no volume axeitado.tage para o seu país. Consulte o apéndice D para obter instrucións sobre como cambiar o volume da fonte de alimentacióntage se é necesario.
A IN, B IN Entradas de sinal de erro para as canles A e B, normalmente fotodetectores. Alta impedancia, rango nominal ±2 V. A canle B non se utiliza a menos que o interruptor CHB do panel frontal estea configurado en PD.
POWER A, B Alimentación CC de baixo ruído para fotodetectores; ±12 V, 125 mA, subministrada a través dun conector M8 (número de peza de TE Connectivity 2-2172067-2, Digikey A121939-ND, macho de 3 vías). Compatible cos fotodetectores PDA e Thorlabs de MOGLabs. Para usar con cables M8 estándar, por exemploampo Digikey 277-4264-ND. Asegúrese de que os fotodetectores estean apagados ao conectarse ás fontes de alimentación para evitar que as súas saídas se interfiran.
GAIN IN VoltagGanancia proporcional controlada por e do servo rápido, ±1 V, correspondente ao rango completo do botón do panel frontal. Substitúe o control FAST GAIN do panel frontal cando DIP1 está activado.
VARRIDO DE ENTRADA Externo ramp A entrada permite a exploración de frecuencias arbitrarias, de 0 a 2.5 V. O sinal debe cruzar 1.25 V, o que define o centro do varrido e o punto de bloqueo aproximado.
10
Capítulo 2. Conexións e controis
3 4
1+12 V
1
3-12 V
4 0 V
Figura 2.1: Deseño de pines do conector M8 para POWER A, B.
MOD IN Entrada de modulación de ancho de banda elevado, engadida directamente á saída rápida, ±1 V se DIP4 está activado. Teña en conta que se DIP4 está activado, MOD IN debe estar conectado a unha fonte de alimentación ou terminado correctamente.
SLOW OUT Saída de sinal de control lenta, de 0 V a 2.5 V. Normalmente conectada a un controlador piezoeléctrico ou outro actuador lento.
SAÍDA RÁPIDA Saída de sinal de control rápida, ±2 V. Normalmente conectada a unha corrente de inxección de díodos, a un modulador acústico ou electroóptico ou a outro actuador rápido.
MONITOR 1, 2 Saída de sinal seleccionada para monitorización.
TRIG Saída TTL de baixa a alta no centro de varrido, 1M.
Control de dixitalización/bloqueo TTL LOCK IN; conector estéreo de 3.5 mm, esquerdo/dereito (pines 2, 3) para bloqueo lento/rápido; baixo (terra) está activo (activar bloqueo). O interruptor de dixitalización/bloqueo do panel frontal debe estar en SCAN para que LOCK IN teña efecto. O cable Digikey CP-2207-ND proporciona unha ficha de 3.5 mm con extremos de cable; vermello para bloqueo lento, negro fino para bloqueo rápido e negro groso para terra.
321
1 Terra 2 Bloqueo rápido 3 Bloqueo lento
Figura 2.2: Disposición dos pines do conector estéreo de 3.5 mm para o control de exploración/bloqueo TTL.
2.3 Interruptores DIP internos
11
2.3 Interruptores DIP internos
Hai varios interruptores DIP internos que ofrecen opcións adicionais, todos configurados en OFF por defecto.
ADVERTENCIA Existe a posibilidade de exposición a altos volumestagdentro do FSC, especialmente arredor da fonte de alimentación.
DESACTIVADO
1 Ganancia rápida
Botón do panel frontal
2 Retroalimentación lenta Integrador único
3 Sesgo
Ramp só para frear
4 MOD externo desactivado
5 Compensacións
Normal
6 Varrer
Positivo
7 Acoplamento rápido de CC
8 Desprazamento rápido
0
Sinal externo Integrador dobre Ramp a rápido e lento Activado Fixo no punto medio Negativo CA -1 V
DIP 1 Se está ACTIVADO, a ganancia rápida do servo determínase polo potencial aplicado ao conector GAIN IN do panel traseiro en lugar de ao botón FAST GAIN do panel frontal.
O servo lento DIP 2 é un integrador simple (OFF) ou dobre (ON). Debería estar OFF se se usa o modo de funcionamento do servo lento e rápido "anidado".
DIP 3 Se está activado, xera unha corrente de polarización proporcional á saída lenta do servo para evitar saltos de modo. Só se activa se o controlador láser non o proporciona xa. Debe estar desactivado cando o FSC se usa en combinación cun DLC de MOGLabs.
DIP 4 Se está activado, activa a modulación externa a través do conector MOD IN do panel traseiro. A modulación engádese directamente a FAST OUT. Cando está activada pero non se usa, a entrada MOD IN debe terminarse para evitar un comportamento non desexado.
DIP 5 Se está activado, desactiva o botón de desprazamento do panel frontal e fixa o desprazamento no punto medio. Útil no modo de varrido externo para evitar desprazamentos accidentales.
12
Capítulo 2. Conexións e controis
cambiando a frecuencia do láser premendo o botón de desprazamento.
DIP 6 Inverte a dirección do varrido.
DIP 7 CA rápida. Normalmente debería estar ACTIVADO, para que o sinal de erro rápido estea acoplado en CA aos servos de retroalimentación, cunha constante de tempo de 40 ms (25 Hz).
DIP 8 Se está activado, engádese un desprazamento de -1 V á saída rápida. O DIP8 debería estar desactivado cando se usa o FSC con láseres MOGLabs.
Bucles de control de retroalimentación
O FSC ten dous canais de retroalimentación paralelos que poden controlar dous actuadores simultaneamente: un actuador "lento", que se usa normalmente para cambiar a frecuencia do láser nunha gran cantidade en escalas de tempo lentas, e un segundo actuador "rápido". O FSC proporciona un control preciso de cada un.tage do bucle do servo, así como un varrido (ramp) xerador e unha cómoda monitorización de sinal.
ENTRADA
ENTRADA
+
AC
ERRO DE DESPRENDEMENTO
DC
A IN
A
0v
+
B
B ENTRADA
0v +
VREF
0v
CHB
SINAL RÁPIDO CA rápida [7] Bloque de CC
SINAL DE LENTIDADE
MODULACIÓN E VARRIDO
TARIFA
Ramp
INT / EXT
Pendente [6] VARRIDO PRINCIPAL
ESPAÑOL
0v
+
COMPENSACIÓN
MOD EN
0v
Módulo [4]
0v
Desprazamento fixo [5]
0v
TRIG
0v 0v
+
BIAS
0v 0v
Prexuízo [3]
BLOQUEAR (RÁPIDO) BLOQUEAR (LENTO) RÁPIDO = BLOQUEAR LENTO = BLOQUEAR
varrido LF
SAÍDA RÁPIDA +
SERVO RÁPIDO
GANANCIA EN GANANCIA RÁPIDA
Ganancia externa [1] P
+
I
+
0v
ANIDADO
RÁPIDO = BLOQUEAR BLOQUEAR (RÁPIDO)
D
0v
SERVO LENTO
Ganancia de erro lenta GANANCIA LENTA
INT LENTA
#1
varrido LF
INT LENTA
+
#2
0v
Integrador dobre [2]
DESRAPIDECER
Figura 3.1: Esquema do FSC de MOGLabs. As etiquetas verdes refírense aos controis do panel frontal e ás entradas do panel traseiro, as marróns son os interruptores DIP internos e as moradas son as saídas do panel traseiro.
13
14
Capítulo 3. Bucles de control de retroalimentación
3.1 Entradastage
A entrada stage do FSC (figura 3.2) xera un sinal de erro como VERR = VA – VB – VOFFSET. VA tómase do conector SMA “A IN” e VB axústase mediante o selector CHB, que escolle entre o conector SMA “B IN”, VB = 0 ou VB = VREF segundo o axuste do potenciómetro adxacente.
O controlador actúa para dirixir o sinal de erro cara a cero, o que define o punto de bloqueo. Algunhas aplicacións poden beneficiarse de pequenos axustes no nivel de CC para axustar este punto de bloqueo, o que se pode conseguir co botón de 10 xiros ERR OFFSET para un desprazamento de ata ±0 1 V, sempre que o selector INPUT estea configurado no modo "desprazamento" (). Pódense conseguir desprazamentos maiores co potenciómetro REF.
ENTRADA
ENTRADA
+ aire acondicionado
ERRO DE DESPRENDEMENTO
DC
A IN
A
0v
+
B
B ENTRADA
SINAL RÁPIDO CA rápida [7] FE ER RÁPIDO
Bloque DC
Erro rápido
0v +
VREF
0v
CHB
SINAL DE LENTIDADE
Erro lento SE ERRO LENTO
Figura 3.2: Esquema das entradas FSCtage mostrando controis de acoplamento, desprazamento e polaridade. Os hexágonos son sinais monitorizados dispoñibles a través dos interruptores selectores de monitor do panel frontal.
3.2 Bucle de servo lento
A figura 3.3 mostra a configuración de retroalimentación lenta do FSC. Unha ganancia variable stage contrólase co botón SLOW GAIN do panel frontal. A acción do controlador é un integrador simple ou dobre
3.2 Bucle de servo lento
15
dependendo de se DIP2 está activado. A constante de tempo do integrador lento contrólase desde o botón SLOW INT do panel frontal, que está etiquetado en termos da frecuencia de esquina asociada.
SERVO LENTO
Ganancia de erro lenta GANANCIA LENTA
Integradores
INT LENTA
#1
varrido LF
INT LENTA
+
#2
0v
Integrador dobre [2]
DESRAPIDECER
LF LENTO
Figura 3.3: Esquema dun servo I/I2 de retroalimentación lenta. Os hexágonos son sinais monitorizados dispoñibles a través dos interruptores selectores do panel frontal.
Cun único integrador, a ganancia aumenta cunha frecuencia de Fourier máis baixa, cunha pendente de 20 dB por década. Engadir un segundo integrador aumenta a pendente a 40 dB por década, o que reduce o desprazamento a longo prazo entre as frecuencias reais e as de consigna. Aumentar demasiado a ganancia produce oscilación, xa que o controlador "reacciona de forma esaxerada" aos cambios no sinal de erro. Por este motivo, ás veces é beneficioso restrinxir a ganancia do bucle de control a baixas frecuencias, onde unha resposta grande pode causar un salto de modo láser.
O servo lento proporciona un amplo rango para compensar as desviacións a longo prazo e as perturbacións acústicas, e o actuador rápido ten un pequeno rango pero un gran ancho de banda para compensar as perturbacións rápidas. O uso dun integrador dobre garante que o servo lento teña a resposta dominante a baixa frecuencia.
Para aplicacións que non inclúen un actuador lento separado, o sinal de control lento (erro integrado simple ou dobre) pódese engadir ao rápido configurando o interruptor SLOW en "NESTED". Neste modo, recoméndase desactivar o integrador dobre no canal lento con DIP2 para evitar a integración tripla.
16
Capítulo 3. Bucles de control de retroalimentación
3.2.1 Medición da resposta lenta do servo
O bucle de servo lento está deseñado para compensar a deriva lenta. Para observar a resposta do bucle lento:
1. Axuste MONITOR 1 en SLOW ERR e conecte a saída a un osciloscopio.
2. Axuste o MONITOR 2 en SLOW e conecte a saída a un osciloscopio.
3. Axuste INPUT en (modo de desprazamento) e CHB en 0.
4. Axuste o botón ERR OFFSET ata que o nivel de CC que se mostra no monitor SLOW ERR estea próximo a cero.
5. Axuste o botón FREQ OFFSET ata que o nivel de CC que se mostra no monitor SLOW estea próximo a cero.
6. Axuste os voltios por división no osciloscopio a 10 mV por división para ambos os canais.
7. Active o bucle de servo lento axustando o modo SLOW en LOCK.
8. Axuste lentamente o botón ERR OFFSET de xeito que o nivel de CC que se mostra no monitor SLOW ERR se mova por riba e por debaixo de cero en 10 mV.
9. A medida que o sinal de erro integrado cambia de signo, observarás que a saída lenta cambia en 250 mV.
Teña en conta que o tempo de resposta para que o servo lento desvíe ata o seu límite depende de varios factores, incluíndo a ganancia lenta, a constante de tempo do integrador lento, a integración simple ou dobre e o tamaño do sinal de erro.
3.2 Bucle de servo lento
17
3.2.2 Volume de saída lentotage swing (só para as series FSC A04… e inferiores)
A saída do bucle de control servo lento está configurada para un rango de 0 a 2.5 V para compatibilidade cun DLC MOGLabs. A entrada de control piezoeléctrico DLC SWEEP ten un voltagunha ganancia de 48 para que a entrada máxima de 2.5 V resulte en 120 V no piezoeléctrico. Cando se activa o bucle servo lento, a saída lenta só oscilará en ±25 mV en relación co seu valor anterior á activación. Esta limitación é intencionada para evitar saltos no modo láser. Cando se usa a saída lenta do FSC cun DLC MOGLabs, unha oscilación de 50 mV na saída do canal lento do FSC corresponde a unha oscilación de 2.4 V no volume piezoeléctrico.tage, o que corresponde a un cambio na frecuencia do láser de arredor de 0.5 a 1 GHz, comparable ao rango espectral libre dunha cavidade de referencia típica.
Para o seu uso con diferentes controladores láser, pódese habilitar unha maior variación na saída lenta bloqueada do FSC mediante un simple cambio de resistencia. A ganancia na saída do bucle de retroalimentación lento defínese por R82/R87, a relación entre as resistencias R82 (500 k) e R87 (100 k). Para aumentar a saída lenta, aumente R82/R87, o que se consegue máis facilmente reducindo R87 conectando outra resistencia en paralelo (encapsulado SMD, tamaño 0402). Por exemplo,ampÉ dicir, engadir unha resistencia de 30 k en paralelo coa resistencia existente de 100 k daría unha resistencia efectiva de 23 k, o que aumentaría a oscilación lenta da saída de ±25 mV a ±125 mV. A figura 3.4 mostra a disposición da placa de circuíto impreso FSC arredor da parte superior.amp U16.
R329
U16
C36
C362 R85 R331 C44 R87
C71
C35
R81 R82
Figura 3.4: Disposición da placa de circuíto impreso FSC arredor da operación final de ganancia lentaamp U16, con resistencias de axuste de ganancia R82 e R87 (rodeadas con un círculo); tamaño 0402.
18
Capítulo 3. Bucles de control de retroalimentación
3.3 Bucle de servo rápido
O servo de retroalimentación rápida (figura 3.5) é un bucle PID que proporciona un control preciso sobre cada un dos compoñentes de retroalimentación proporcional (P), integral (I) e diferencial (D), así como a ganancia global de todo o sistema. A saída rápida do FSC pode oscilar de -2.5 V a 2.5 V, o que, cando se configura cun láser de díodo de cavidade externa de MOGLabs, pode proporcionar unha oscilación na corrente de ±2.5 mA.
SERVO RÁPIDO
GAÑAR ENTRADA
Ganancia externa [1]
GANANCIA RÁPIDA
Erro rápido
Control lento
0v
+ ANIDADO
RÁPIDO = BLOQUEAR BLOQUEAR (RÁPIDO)
PI
D
0v
+
Control rápido
Figura 3.5: Esquema dun controlador PID servo con retroalimentación rápida.
A figura 3.6 mostra un gráfico conceptual da acción dos bucles de servo rápido e lento. A baixas frecuencias, domina o bucle integrador rápido (I). Para evitar que o bucle de servo rápido reaccione de forma esaxerada a perturbacións externas (acústicas) de baixa frecuencia, aplícase un límite de ganancia de baixa frecuencia controlado polo botón GAIN LIMIT.
En frecuencias de rango medio (10 kHz a 1 MHz), domina a retroalimentación proporcional (P). A frecuencia de esquina de ganancia unitaria na que a retroalimentación proporcional supera a resposta integrada contrólase co botón FAST INT. A ganancia xeral do bucle P axústase co potenciómetro FAST GAIN ou mediante un sinal de control externo a través do conector GAIN IN do panel traseiro.
3.3 Bucle de servo rápido
19
60
Ganancia (dB)
Corte de alta frecuencia. Integrador dobre.
INT RÁPIDA GANANCIA RÁPIDA
GANANCIA DIFERENCIAL RÁPIDA (límite)
40
20
Integrador
0
GANANCIA LF RÁPIDA (límite)
Integrador
Proporcional
Diferenciador
Filtro
INT LENTA
20101
102
103
104
105
106
107
108
Frecuencia de Fourier [Hz]
Figura 3.6: Diagrama de Bode conceptual que mostra a acción dos controladores rápido (vermello) e lento (azul). O controlador lento é un integrador simple ou dobre con frecuencia de esquina axustable. O controlador rápido é un compensador PID con frecuencias de esquina axustables e límites de ganancia nas frecuencias baixa e alta. Opcionalmente, o diferenciador pódese desactivar e substituír por un filtro de paso baixo.
As altas frecuencias (1 MHz) normalmente requiren que o bucle diferenciador domine para mellorar o bloqueo. O diferenciador proporciona compensación de adianto de fase para o tempo de resposta finito do sistema e ten unha ganancia que aumenta a 20 dB por década. A frecuencia de esquina do bucle diferencial pódese axustar mediante o botón FAST DIFF/FILTER para controlar a frecuencia na que domina a retroalimentación diferencial. Se FAST DIFF/FILTER está configurado en OFF, o bucle diferencial desactívase e a retroalimentación permanece proporcional a frecuencias máis altas. Para evitar a oscilación e limitar a influencia do ruído de alta frecuencia cando o bucle de retroalimentación diferencial está activado, hai un límite de ganancia axustable, DIFF GAIN, que restrinxe o diferenciador a frecuencias altas.
A miúdo non se require un diferenciador e, no seu lugar, o compensador pode beneficiarse dun filtrado de paso baixo da resposta rápida do servo para reducir aínda máis a influencia do ruído. Xire o botón FAST DIFF/FILTER
20
Capítulo 3. Bucles de control de retroalimentación
o botón en sentido antihorario desde a posición OFF para axustar a frecuencia de atenuación para o modo de filtrado.
O servo rápido ten tres modos de funcionamento: SCAN, SCAN+P e LOCK. Cando se configura en SCAN, a retroalimentación desactívase e só se aplica a polarización á saída rápida. Cando se configura en SCAN+P, aplícase a retroalimentación proporcional, o que permite determinar o sinal e a ganancia do servo rápido mentres a frecuencia láser aínda está a explorar, o que simplifica o procedemento de bloqueo e axuste (véxase §4.2). No modo LOCK, a exploración detense e actívase a retroalimentación PID completa.
3.3.1 Medición da resposta rápida do servo
As dúas seccións seguintes describen a medición da retroalimentación proporcional e diferencial aos cambios no sinal de erro. Emprega un xerador de funcións para simular un sinal de erro e un osciloscopio para medir a resposta.
1. Conecte o MONITOR 1, 2 a un osciloscopio e axuste os selectores en FAST ERR e FAST.
2. Axuste INPUT en (modo de desprazamento) e CHB en 0.
3. Conecte o xerador de funcións á entrada CHA.
4. Configura o xerador de funcións para producir unha onda sinusoidal de 100 Hz de 20 mV de pico a pico.
5. Axuste o botón ERR OFFSET de xeito que o sinal de erro sinusoidal, tal como se ve no monitor FAST ERR, estea centrado arredor de cero.
3.3.2 Medición da resposta proporcional · Reduza o intervalo a cero xirando o botón SPAN completamente en sentido antihorario.
· Axuste FAST en SCAN+P para activar o bucle de retroalimentación proporcional.
3.3 Bucle de servo rápido
21
· No osciloscopio, a saída FAST do FSC debería mostrar unha onda sinusoidal de 100 Hz.
· Axuste o botón FAST GAIN para variar a ganancia proporcional do servo rápido ata que a saída sexa a mesma ampa ltitude como entrada.
· Para medir a resposta de frecuencia de retroalimentación proporcional, axuste a frecuencia do xerador de funcións e monitorice a ampLonxitude da resposta de saída RÁPIDA. Por exemploampé dicir, aumenta a frecuencia ata que o ampA longitude dícese á metade para atopar a frecuencia de ganancia de -3 dB.
3.3.3 Medición da resposta diferencial
1. Axuste FAST INT en OFF para desactivar o bucle integrador.
2. Axuste a GANANCIA RÁPIDA na unidade seguindo os pasos descritos na sección anterior.
3. Axuste a GANANCIA DIFERENCIAL en 0 dB.
4. Axuste FAST DIFF/FILTER a 100 kHz.
5. Varre a frecuencia do xerador de funcións de 100 kHz a 3 MHz e monitoriza a saída FAST.
6. Ao varrer a frecuencia do sinal de erro, debería ver unha ganancia unitaria en todas as frecuencias.
7. Axuste a GANANCIA DIFERENCIAL en 24 dB.
8. Agora, ao varrer a frecuencia do sinal de erro, debería notar un aumento da pendente de 20 dB por década despois de 100 kHz que comezará a diminuír a 1 MHz, mostrando a opamp limitacións de ancho de banda.
A ganancia da saída rápida pódese modificar cambiando os valores das resistencias, pero o circuíto é máis complicado que para a retroalimentación lenta (§3.2.2). Póñase en contacto con MOGLabs para obter máis información se é necesario.
22
Capítulo 3. Bucles de control de retroalimentación
3.4 Modulación e dixitalización
A exploración láser contrólase mediante un xerador de varrido interno ou un sinal de varrido externo. O varrido interno é de dente de serra con período variable definido por un interruptor de rango interno de catro posicións (Ap. C) e un potenciómetro de axuste dunha soa volta RATE no panel frontal.
Os bucles de servo rápido e lento pódense activar individualmente mediante sinais TTL aos interruptores do panel frontal asociados ao panel traseiro. Ao configurar calquera dos bucles en LOCK, detense o varrido e actívase a estabilización.
MODULACIÓN E VARRIDO
INT / EXT
TRIG
TARIFA
Ramp
Pendente [6] VARRIDO PRINCIPAL
ESPAÑOL
0v
+
COMPENSACIÓN
0v
0v
Desprazamento fixo [5]
Control rápido MOD IN
Módulo [4]
0v
0v 0v
+
BIAS
0v 0v
Prexuízo [3]
BLOQUEAR (RÁPIDO)
BLOQUEAR (LENTO)
RÁPIDO = BLOQUEAR LENTO = BLOQUEAR
RAMP RA
varrido LF
BIAS BS
SAÍDA RÁPIDA +
HF RÁPIDO
Figura 3.7: Varrido, modulación externa e polarización de corrente de prealimentación.
O ramp Tamén se pode engadir á saída rápida activando DIP3 e axustando o potenciómetro BIAS, pero moitos controladores láser (como o MOGLabs DLC) xerarán a corrente de polarización necesaria baseada no sinal servo lento, nese caso non é necesario xerala tamén dentro do FSC.
4. Aplicación example: bloqueo de Pound-Drever Hall
Unha aplicación típica do FSC é fixar en frecuencia un láser a unha cavidade óptica mediante a técnica PDH (fig. 4.1). A cavidade actúa como un discriminador de frecuencia e o FSC mantén o láser en resonancia coa cavidade controlando o piezoeléctrico e a corrente do láser a través das súas saídas SLOW e FAST respectivamente, o que reduce o ancho de liña do láser. Hai dispoñible unha nota de aplicación separada (AN002) que ofrece consellos prácticos detallados sobre a implementación dun aparello PDH.
Osciloscopio
TRIG
CH1
CH2
Láser
SMA piezoeléctrico de modificación actual
EOM
PBS
PD
Controlador DLC
MOD PZT
AC
Cavidade LPF
MONITOR 2 MONITOR 1 BLOQUEO
VARRIDO DE ENTRADA GAÑA DE ENTRADA
B ENTRADA
A IN
Serie:
TRIG
SAÍDA RÁPIDA SAÍDA LENTA ENTRADA DE MODIFICACIÓN
POTENCIA B POTENCIA A
Figura 4.1: Esquema simplificado para o bloqueo da cavidade PDH usando o FSC. Un modulador electroóptico (EOM) xera bandas laterais, que interactúan coa cavidade, xerando reflexións que se miden no fotodetector (PD). A desmodulación do sinal do fotodetector produce un sinal de erro PDH.
Pódense empregar outros métodos para xerar sinais de erro, que non se tratarán aquí. O resto deste capítulo describe como conseguir un bloqueo unha vez xerado un sinal de erro.
23
24
Capítulo 4. Aplicación example: bloqueo de Pound-Drever Hall
4.1 Configuración do láser e do controlador
O FSC é compatible cunha variedade de láseres e controladores, sempre que estean configurados correctamente para o modo de funcionamento desexado. Ao controlar un ECDL (como os láseres MOGLabs CEL ou LDL), os requisitos para o láser e o controlador son os seguintes:
· Modulación de gran ancho de banda directamente na cabeceira do láser ou no modulador de fase intracavidade.
· Alto voltagcontrol piezoeléctrico a partir dun sinal de control externo.
· Xeración de prealimentación ("corrente de polarización") para láseres que requiren unha polarización de 1 mA en todo o seu rango de varrido. O FSC é capaz de xerar unha corrente de polarización internamente, pero o rango pode estar limitado pola electrónica da placa principal ou pola saturación do modulador de fase, polo que pode ser necesario usar a polarización proporcionada polo controlador láser.
Os controladores láser e as cabeceiras de MOGLabs pódense configurar facilmente para conseguir o comportamento requirido, como se explica a continuación.
4.1.1 Configuración da cabeceira
Os láseres MOGLabs inclúen unha placa base interna que conecta os compoñentes co controlador. Para o funcionamento co FSC requírese unha placa base que inclúa modulación de corrente rápida a través dun conector SMA. A placa base debe conectarse directamente ao FSC FAST OUT.
Recoméndase encarecidamente a placa principal B1240 para unha ampla banda de modulación máxima, aínda que o B1040 e o B1047 son substitutos aceptables para láseres que son incompatibles co B1240. A placa principal ten varios interruptores de ponte que deben configurarse para entradas de CC acopladas e con búfer (BUF), onde corresponda.
4.2 Conseguir un bloqueo inicial
25
4.1.2 Configuración do DLC
Aínda que o FSC pódese configurar para varrido interno ou externo, é moito máis sinxelo usar o modo de varrido interno e configurar o DLC como dispositivo escravo do seguinte xeito:
1. Conecta SLOW OUT a SWEEP / PZT MOD no DLC.
2. Active o DIP9 (varrido externo) no DLC. Asegúrese de que o DIP13 e o DIP14 estean desactivados.
3. Desactivar o DIP3 (xeración de polarización) do FSC. O DLC xera automaticamente a polarización de prealimentación actual a partir da entrada de varrido, polo que non é necesario xerar unha polarización dentro do FSC.
4. Axuste o SPAN no DLC ao máximo (completamente no sentido das agullas do reloxo).
5. Axuste a FRECUENCIA no DLC a cero usando a pantalla LCD para mostrar a Frecuencia.
6. Asegúrese de que SWEEP no FSC estea en INT.
7. Axuste FREQ OFFSET a un rango medio e SPAN a un rango completo no FSC e observe a exploración láser.
8. Se a dixitalización é na dirección incorrecta, inverta o DIP4 do FSC ou o DIP11 do DLC.
É importante que o botón SPAN do DLC non se axuste unha vez configurado como se indicou anteriormente, xa que afectará o bucle de retroalimentación e pode impedir que o FSC se bloquee. Os controis do FSC deben usarse para axustar o varrido.
4.2 Conseguir un bloqueo inicial
Os controis SPAN e OFFSET do FSC pódense usar para axustar o láser para que varra o punto de bloqueo desexado (por exemplo, resonancia da cavidade) e para ampliar unha exploración máis pequena arredor da resonancia. O seguinte
26
Capítulo 4. Aplicación example: bloqueo de Pound-Drever Hall
Os pasos son ilustrativos do proceso necesario para conseguir un bloqueo estable. Os valores indicados son indicativos e terán que axustarse para aplicacións específicas. Na sección §4.3 ofrécense máis consellos sobre como optimizar o bloqueo.
4.2.1 Bloqueo con retroalimentación rápida
1. Conecte o sinal de erro á entrada A IN do panel traseiro.
2. Asegúrate de que o sinal de erro sexa da orde de 10 mVpp.
3. Axuste INPUT en (modo de desprazamento) e CHB en 0.
4. Axuste MONITOR 1 en FAST ERR e observe nun osciloscopio. Axuste o botón ERR OFFSET ata que o nivel de CC mostrado sexa cero. Se non é necesario usar o botón ERR OFFSET para axustar o nivel de CC do sinal de erro, o interruptor INPUT pódese axustar en CC e o botón ERR OFFSET non terá ningún efecto, evitando un axuste accidental.
5. Reduce a GANANCIA RÁPIDA a cero.
6. Axuste FAST en SCAN+P, axuste SLOW en SCAN e localice a resonancia usando os controis de varrido.
7. Aumente a GANANCIA RÁPIDA ata que se vexa que o sinal de erro se "estira", como se mostra na figura 4.2. Se non se observa isto, inverta o interruptor SINAL RÁPIDO e inténteo de novo.
8. Axuste FAST DIFF en OFF e GAIN LIMIT en 40. Reduza FAST INT a 100 kHz.
9. Axuste o modo RÁPIDO en LOCK e o controlador bloquearase no cruce por cero do sinal de erro. Pode ser necesario facer pequenos axustes en FREQ OFFSET para bloquear o láser.
10. Optimiza o bloqueo axustando FAST GAIN e FAST INT mentres observas o sinal de erro. Pode ser necesario volver bloquear o servo despois de axustar o integrador.
4.2 Conseguir un bloqueo inicial
27
Figura 4.2: A exploración do láser con retroalimentación só P na saída rápida mentres se explora a saída lenta fai que o sinal de erro (laranxa) se amplíe cando o signo e a ganancia son correctos (dereita). Nunha aplicación PDH, a transmisión da cavidade (azul) tamén se estenderá.
11. Algunhas aplicacións poden beneficiarse do aumento de FAST DIFF para mellorar a resposta do bucle, pero isto non adoita ser necesario para conseguir un bloqueo inicial.
4.2.2 Bloqueo con retroalimentación lenta
Unha vez que se consegue o bloqueo coa retroalimentación rápida proporcional e do integrador, débese activar a retroalimentación lenta para ter en conta as desviacións lentas e a sensibilidade ás perturbacións acústicas de baixa frecuencia.
1. Axuste SLOW GAIN a medios e SLOW INT a 100 Hz.
2. Configura o modo RÁPIDO en SCAN+P para desbloquear o láser e axusta SPAN e OFFSET para que poidas ver o paso por cero.
3. Axuste o MONITOR 2 en SLOW ERR e observe nun osciloscopio. Axuste o potenciómetro que está xunto a ERR OFFSET para que o sinal de erro lento sexa cero. Axustar este potenciómetro só afectará o nivel de CC do sinal de erro lento, non o sinal de erro rápido.
4. Volva bloquear o láser configurando o modo RÁPIDO en BLOQUEAR e faga os pequenos axustes necesarios en DESPRAZAMENTO DE FRECUENCIA para bloquear o láser.
28
Capítulo 4. Aplicación example: bloqueo de Pound-Drever Hall
5. Axusta o modo SLOW a LOCK e observa o sinal de erro lento. Se o servo lento se bloquea, o nivel de CC do erro lento pode cambiar. Se isto ocorre, anota o novo valor do sinal de erro, axusta SLOW de novo a SCAN e usa o potenciómetro de compensación de erro para achegar o sinal de erro lento desbloqueado ao valor bloqueado e tenta volver bloquear o bloqueo lento.
6. Itera o paso anterior de bloqueo lento do láser, observando a variación de CC no erro lento e axustando o potenciómetro de compensación do erro ata que ao activar o bloqueo lento non se produza unha variación medible no valor do sinal de erro de bloqueo lento fronte ao de bloqueo rápido.
O potenciómetro de axustamento de desprazamento de erro axusta as pequenas diferenzas (mV) nos desprazamentos do sinal de erro rápido e lento. Axustar o potenciómetro garante que os circuítos compensadores de erro rápido e lento bloqueen o láser na mesma frecuencia.
7. Se o servo se desbloquea inmediatamente ao activar o bloqueo lento, probe a invertir o SINAL DE LENTIDADE.
8. Se o servo lento aínda se desbloquea inmediatamente, reduza a ganancia lenta e inténteo de novo.
9. Unha vez conseguido un bloqueo lento estable co potenciómetro ERR OFFSET axustado correctamente, axuste SLOW GAIN e SLOW INT para mellorar a estabilidade do bloqueo.
4.3 Optimización
O propósito do servo é fixar o láser no cruce por cero do sinal de erro, que idealmente sería identicamente cero cando estivese fixado. Polo tanto, o ruído no sinal de erro é unha medida da calidade da fixación. A análise espectral do sinal de erro é unha ferramenta poderosa para comprender e optimizar a retroalimentación. Pódense usar analizadores de espectro de RF, pero son comparativamente caros e teñen un rango dinámico limitado. Unha boa tarxeta de son (24 bits e 192 kHz, por exemplo, Lynx L22)
4.3 Optimización
29
Ofrece análise de ruído ata unha frecuencia de Fourier de 96 kHz cun rango dinámico de 140 dB.
Idealmente, o analizador de espectro empregaríase cun discriminador de frecuencia independente que sexa insensible ás flutuacións de potencia do láser [11]. Pódense conseguir bos resultados monitorizando o sinal de erro dentro do bucle, pero é preferible unha medición fóra do bucle, como a medición da transmisión da cavidade nunha aplicación PDH. Para analizar o sinal de erro, conecte o analizador de espectro a unha das saídas MONITOR configuradas en FAST ERR.
O bloqueo de ancho de banda elevado normalmente implica primeiro conseguir un bloqueo estable usando só o servo rápido e, a seguir, usar o servo lento para mellorar a estabilidade do bloqueo a longo prazo. O servo lento é necesario para compensar a deriva térmica e as perturbacións acústicas, o que resultaría nun salto de modo se se compensase só con corrente. Pola contra, as técnicas de bloqueo simples, como a espectroscopia de absorción saturada, normalmente conséguense primeiro conseguindo un bloqueo estable co servo lento e, a seguir, usando o servo rápido para compensar só as flutuacións de maior frecuencia. Pode ser beneficioso consultar o diagrama de Bode (figura 4.3) ao interpretar o espectro do sinal de erro.
Ao optimizar o FSC, recoméndase optimizar primeiro o servo rápido mediante a análise do sinal de erro (ou transmisión a través da cavidade) e, a continuación, o servo lento para reducir a sensibilidade ás perturbacións externas. En particular, o modo SCAN+P proporciona unha forma cómoda de obter o sinal de retroalimentación e a ganancia aproximadamente correctas.
Teña en conta que conseguir o bloqueo de frecuencia máis estable require unha optimización coidadosa de moitos aspectos do aparello, non só dos parámetros do FSC. Por exemploample, residual ampA modulación de lonxitude (RAM) nun aparello PDH provoca unha deriva no sinal de erro, que o servo non pode compensar. Do mesmo xeito, unha mala relación sinal-ruído (SNR) introducirá ruído directamente no láser.
En particular, a alta ganancia dos integradores significa que o peche pode ser sensible aos bucles de terra na cadea de procesamento de sinais e
30
Capítulo 4. Aplicación example: bloqueo de Pound-Drever Hall
Débese ter coidado para eliminalos ou mitigalos. A conexión a terra do FSC debe estar o máis preto posible tanto do controlador láser como de calquera compoñente electrónico implicado na xeración do sinal de erro.
Un procedemento para optimizar o servo rápido é configurar FAST DIFF en OFF e axustar FAST GAIN, FAST INT e GAIN LIMIT para reducir o nivel de ruído na medida do posible. Despois, optimice FAST DIFF e DIFF GAIN para reducir os compoñentes de ruído de alta frecuencia observados nun analizador de espectros. Teña en conta que poden ser necesarios cambios en FAST GAIN e FAST INT para optimizar o bloqueo unha vez que se introduza o diferenciador.
Nalgunhas aplicacións, o sinal de erro ten un ancho de banda limitado e só contén ruído non correlacionado a altas frecuencias. Nestes escenarios, é desexable limitar a acción do servo a altas frecuencias para evitar o acoplado deste ruído de volta ao sinal de control. Ofrécese unha opción de filtro para reducir a resposta rápida do servo por riba dunha frecuencia específica. Esta opción é mutuamente exclusiva do diferenciador e debería probarse se se observa que a activación do diferenciador aumenta.
60
Ganancia (dB)
Corte de alta frecuencia. Integrador dobre.
INT RÁPIDA GANANCIA RÁPIDA
GANANCIA DIFERENCIAL RÁPIDA (límite)
40
20
Integrador
0
GANANCIA LF RÁPIDA (límite)
Integrador
Proporcional
Diferenciador
Filtro
INT LENTA
20101
102
103
104
105
106
107
108
Frecuencia de Fourier [Hz]
Figura 4.3: Diagrama conceptual de Bode que mostra a acción dos controladores rápido (vermello) e lento (azul). As frecuencias de esquina e os límites de ganancia axústanse cos botóns do panel frontal, tal e como se indica.
4.3 Optimización
31
o ruído medido.
O servo lento pódese optimizar para minimizar a reacción excesiva a perturbacións externas. Sen o bucle de servo lento, o límite de ganancia alto significa que o servo rápido responderá a perturbacións externas (por exemplo, acoplamento acústico) e o cambio resultante na corrente pode inducir saltos de modo no láser. Polo tanto, é preferible que estas flutuacións (de baixa frecuencia) se compensen no piezoeléctrico.
Axustar SLOW GAIN e SLOW INT non producirá necesariamente unha mellora no espectro do sinal de erro, pero unha vez optimizado reducirá a sensibilidade ás perturbacións acústicas e prolongará a vida útil da pechadura.
Do mesmo xeito, activar o integrador dobre (DIP2) pode mellorar a estabilidade ao garantir que a ganancia global do sistema de servo lento sexa maior que a do servo rápido nestas frecuencias máis baixas. Non obstante, isto pode provocar que o servo lento reaccione de forma esaxerada ás perturbacións de baixa frecuencia e o integrador dobre só se recomenda se as desviacións a longo prazo na corrente están a desestabilizar o bloqueo.
32
Capítulo 4. Aplicación example: bloqueo de Pound-Drever Hall
A. Especificacións
Parámetro
Especificación
Ancho de banda de ganancia de temporización (-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 ENTRADA DE GAIN ENTRADA DE MODIFICACIÓN ENTRADA DE BLOQUEO ENTRADA
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 femia de 5 mm, TTL
As entradas analóxicas teñen sobrevolumetagProtexido ata ±10 V. As entradas TTL toman < 1 V como tensión baixa e > 0 V como tensión alta. As entradas LOCK IN son de -2 V a 0 V, activas en tensión baixa e consomen ±0 µA.
33
34
Apéndice A. Especificacións
Parámetro
Saída SLOW OUT FAST OUT MONITOR 1, 2 TRIG POWER 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 femia M0, ±5 V, 8 mA
Todas as saídas están limitadas a ±5 V. 50 saídas 50 mA máx. (125 mW, +21 dBm).
Mecánica e potencia
Entrada IEC
110 a 130 V a 60 Hz ou 220 a 260 V a 50 Hz
Fusible
Cerámica antisobretensión de 5x20 mm 230 V/0.25 A ou 115 V/0.63 A
Dimensións
L × A × P = 250 × 79 × 292 mm
Peso
2 kg
Uso de enerxía
< 10 W
Resolución de problemas
B.1 Frecuencia láser sen escaneo
Un DLC MOGLabs cun sinal de control piezoeléctrico externo require que o sinal externo cruce 1.25 V. Se está seguro de que o sinal de control externo cruza 1.25 V, confirme o seguinte:
· O intervalo do DLC é totalmente en sentido horario. · A FRECUENCIA no DLC é cero (usando a pantalla LCD para axustar)
(Frecuencia). · O DIP9 (varrido externo) do DLC está activado. · Os DIP13 e DIP14 do DLC están desactivados. · O interruptor de bloqueo do DLC está en SCAN. · O SLOW OUT do FSC está conectado ao SWEEP / PZT MOD
entrada do DLC. · SWEEP no FSC é INT. · O intervalo do FSC é totalmente no sentido das agullas do reloxo. · Conecte o FSC MONITOR 1 a un osciloscopio, axuste o MONI-
TOR 1 botón a RAMP e axusta a DESPRAZAMENTO DE FRECUENCIA ata que a ramp está centrada arredor de 1.25 V.
Se as comprobacións anteriores non solucionaron o problema, desconecte o FSC do DLC e asegúrese de que o láser escanea cando se controla co DLC. Póñase en contacto con MOGLabs para obter axuda se o problema non se cumpre.
35
36
Apéndice B. Resolución de problemas
B.2 Ao usar a entrada de modulación, a saída rápida flota a un gran volumetage
Ao usar a funcionalidade MOD IN do FSC (DIP 4 activado), a saída rápida normalmente flotará ao nivel de vol positivo.tagcarril electrónico, arredor de 4 V. Asegúrate de que MOD IN estea en curtocircuíto cando non estea en uso.
B.3 Grandes sinais de erro positivos
Nalgunhas aplicacións, o sinal de erro xerado pola aplicación pode ser estritamente positivo (ou negativo) e grande. Neste caso, o potenciómetro REF e o desprazamento ERR poden non proporcionar un desprazamento de CC suficiente para garantir que o punto de bloqueo desexado coincida con 0 V. Neste caso, tanto CH A como CH B pódense usar co conmutador INPUT configurado en , CH B configurado en PD e cun voltaxe de CCtage aplicado a CH B para xerar o desprazamento necesario para centrar o punto de bloqueo. Como exemploampÉ dicir, se o sinal de erro está entre 0 V e 5 V e o punto de bloqueo foi de 2.5 V, conecte o sinal de erro a CH A e aplique 2.5 V a CH B. Coa configuración axeitada, o sinal de erro estará entón entre -2 V e +5 V.
B.4 Raís de saída rápidos a ±0.625 V
Para a maioría dos ECDL de MOGLabs, un volumetagUnha oscilación de ±0.625 V na saída rápida (correspondente a ±0.625 mA inxectado no díodo láser) é maior que a necesaria para o bloqueo a unha cavidade óptica. Nalgunhas aplicacións requírese un rango maior na saída rápida. Este límite pódese aumentar cun simple cambio de resistencia. Póñase en contacto con MOGLabs para obter máis información se é necesario.
B.5 A retroalimentación necesita cambiar de signo
Se a polaridade da retroalimentación rápida cambia, normalmente débese a que o láser pasou a un estado multimodo (dous modos de cavidade externa oscilando simultaneamente). Axuste a corrente do láser para obter un funcionamento monomodo, en lugar de invertir a polaridade da retroalimentación.
B.6 O monitor emite un sinal incorrecto
37
B.6 O monitor emite un sinal incorrecto
Durante as probas de fábrica, verifícase a saída de cada un dos botóns do MONITOR. Non obstante, co tempo, os parafusos de fixación que manteñen o botón na súa posición poden relaxarse e o botón pode esvarar, o que fai que o botón indique un sinal incorrecto. Para comprobar:
· Conecta a saída do MONITOR a un osciloscopio.
· Xire o botón SPAN completamente no sentido horario.
· Xire o MONITOR á posición RAMPAgora deberías observar arampun sinal de entrada da orde de 1 voltio; se non o fas, a posición do botón é incorrecta.
· Mesmo se observas arampsinal de entrada, a posición do botón aínda pode ser incorrecta, xire o botón unha posición máis no sentido das agullas do reloxo.
· Agora deberías ter un pequeno sinal preto de 0 V e quizais poidas ver unha pequena ramp no osciloscopio da orde de decenas de mV. Axuste o potenciómetro BIAS e debería ver o ampltitude desta ramp cambiar.
· Se o sinal do osciloscopio cambia ao axustar o potenciómetro BIAS, a posición do botón MONITOR é correcta; se non, cómpre axustar a posición do botón MONITOR.
Para corrixir a posición do botón MONITOR, primeiro deben identificarse os sinais de saída mediante un procedemento similar ao anterior e, a continuación, pódese xirar a posición do botón afrouxando os dous parafusos que o manteñen no seu lugar, cunha chave Allen ou un destornillador de bóla de 1.5 mm.
B.7 O láser experimenta saltos en modo lento
Os saltos de modo lento poden ser causados pola retroalimentación óptica dos elementos ópticos entre o láser e a cavidade, por exemploampacopladores de fibra ou da propia cavidade óptica. Os síntomas inclúen a frecuencia
38
Apéndice B. Resolución de problemas
saltos do láser de funcionamento libre en escalas de tempo lentas, da orde de 30 s onde a frecuencia do láser salta de 10 a 100 MHz. Asegúrese de que o láser teña un illamento óptico suficiente, instalando outro illador se é necesario e bloquee calquera traxectoria de feixe que non se utilice.
C. Deseño da placa de circuíto impreso
C39
C59
R30
C76
C116
C166
C3
C2
P1
P2
C1
C9
C7
C6
C4
C5
P3
R1 C8 C10
R2
R338 D1
C378
R24
R337
R27
C15
R7
R28
R8
R66 R34
R340 C379
R33
R10
D4
R11 C60 R35
R342
R37
R343 D6
C380
R3 C16 R12
R4
C366 R58 R59 C31 R336
P4
R5 D8
C365 R347 R345
R49
R77 R40
R50 D3
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
R29 R65
R57 R78 R69
R71 R72
R79 R84
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
R81 R82
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
R104 R105
C88 R98 R86
R341 C95 R107 C94
U38
C90 R109
R103 U28
C128 C89
C141
R140 R143
R108
U48
R146 C127
R185
Sub50 R326
U49
R332
R201
R191
R199 C202
R198 R190
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
R110 R112
C98 C91
R115 R114
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
R118 R124
R119 R122
R123
U34 R130 R120 R121
C161
C134
R169 U43
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
Sub66 R219
Sub68 R222
Sub67 R220
C258 C235 C236
C273
SW1
R225 R224
C266
C265
R228
U69
C269
R231 R229
U70
C270
U71
R234
C272
R226
U72
C71
C36
R16 R18
C14
C114
R131
C115
C58 R93
C46
C371
C370
R43 C45
R44
U11
R330 R92
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
Sub12 R25
P6
C377 C376
R64 R56 C51
MH1
C53
C79
C74
C18
C113 R174 R175 R176 R177
C120
R128
R126 C106
R127 R125
Sub-35 R132 Sub-39
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
R139 R165
U44
C107
U45
C142
C144 R135 C145
R182
R178 R167
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 Sub-20 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
R253 R255
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
R290 R291
D11
D12
D13
D14
R287 R286
SW2
R297 R296
R289 R288
C334 C328 C364
R299 C330
R293 R292
C324
C331
R300
R298 C329
C333 C332
U85
C335
C323
C325
D15
R303
D16
C336
R301 R302 C342 C341
C337
U86
C343
C339
C346
R310 R307
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. Disposición da placa de circuíto impreso
D. Conversión de 115/230 V
Fusible D.1
O fusible é un anticobretensión cerámico, de 0.25 A (230 V) ou 0.63 A (115 V), de 5 x 20 mm, por exemploampo Littlefuse 0215.250MXP ou 0215.630MXP. O portafusibles é un cartucho vermello xusto enriba da entrada de alimentación IEC e do interruptor principal na parte traseira da unidade (Fig. D.1).
Figura D.1: Cartucho de fusibles, que mostra a súa colocación para o funcionamento a 230 V.
Conversión D.2 120/240 V
O controlador pode alimentarse de CA a 50 a 60 Hz, 110 a 120 V (100 V no Xapón) ou 220 a 240 V. Para converter entre 115 V e 230 V, débese retirar o cartucho de fusibles e volvelo inserir de xeito que o voltaxe correcto sexa o mesmo.tagMóstrase o indicador e a través da xanela da tapa e o fusible correcto (como se indicou arriba) está instalado.
41
42
Apéndice D. Conversión de 115/230 V
Figura D.2: Para cambiar o fusible ou o voltage, abra a tapa do cartucho de fusibles cun destornillador inserido nunha pequena ranura no bordo esquerdo da tapa, xusto á esquerda do vol vermellotage indicador.
Ao retirar o cartucho de fusibles, insira un desaparafusador no oco situado á esquerda do cartucho; non intente extraelo cun desaparafusador polos laterais do portafusibles (vexa as figuras).
INCORRECTO!
CORRECTO
Figura D.3: Para extraer o cartucho de fusibles, insira un destornillador nun oco á esquerda do cartucho.
Ao cambiar o voltage.g., o fusible e unha pinza de ponte deben intercambiarse dun lado para o outro, de xeito que a pinza de ponte estea sempre na parte inferior e o fusible sempre na parte superior; vexa as figuras seguintes.
Conversión D.2 120/240 V
43
Figura D.4: Ponte de 230 V (esquerda) e fusible (dereita). Intercambie a ponte e o fusible ao cambiar o volume.tage, de xeito que o fusible permaneza na parte superior ao inserirse.
Figura D.5: Ponte de 115 V (esquerda) e fusible (dereita).
44
Apéndice D. Conversión de 115/230 V
Bibliografía
[1] Alex Abramovici e Jake Chapsky. Sistemas de control por retroalimentación: unha guía rápida para científicos e enxeñeiros. Springer Science & Business Media, 2012. 1
[2] Boris Lurie e Paul Enright. Control clásico por retroalimentación: con MATLAB® e Simulink®. CRC Press, 2011. 1
[3] Richard W. Fox, Chris W. Oates e Leo W. Hollberg. Estabilización de láseres de díodo en cavidades de alta finura. Experimental Methods in the Physical Sciences, 40:1, 46. 2003
[4] RWP Drever, JL Hall, FV Kowalski, J. Hough, GM Ford, AJ Munley e H. Ward. Estabilización da fase e frecuencia do láser mediante un resonador óptico. Appl. Phys. B, 31:97 105, 1983. 1
[5] TW Ha¨nsch e B. Couillaud. Estabilización da frecuencia láser mediante espectroscopia de polarización dunha cavidade de referencia reflectante. Optics communications, 35(3):441-444, 1980. 1
[6] M. Zhu e JL Hall. Estabilización da fase/frecuencia óptica dun sistema láser: aplicación a un láser de colorante comercial cun estabilizador externo. J. Opt. Soc. Am. B, 10:802, 1993. 1
[7] GC Bjorklund. Espectroscopia de modulación de frecuencia: un novo método para medir absorcións e dispersións débiles. Opt. Lett., 5:15, 1980. 1
[8] Joshua S Torrance, Ben M Sparkes, Lincoln D Turner e Robert E Scholten. Estreitamento do ancho de liña láser subquilohercios mediante espectroscopia de polarización. Optics express, 24(11):11396 11406, 2016. 1
45
[10] W. Demtröder. Espectroscopia láser: conceptos básicos e instrumentación. Springer, Berlín, 2ª edición, 1996. 1
[11] LD Turner, KP Weber, CJ Hawthorn e RE Scholten. Caracterización do ruído de frecuencia de láseres de díodo de liña estreita. Opt. Communic., 201:391, 2002. 29
46
MOG Laboratories Pty Ltd 49 University St, Carlton VIC 3053, Australia Tel.: +61 3 9939 0677 info@moglabs.com
© 2017 2025 As especificacións e descricións dos produtos contidas neste documento están suxeitas a cambios sen previo aviso.
Documentos/Recursos
 |
Controlador servo rápido PID de Moglabs [pdfManual de instrucións Servocontrolador rápido PID, PID, servocontrolador rápido, servocontrolador |