moglabs PID rask servokontroller
Spesifikasjoner
- Modell: MOGLabs FSC
- Type: Servokontroller
- Intended Use: Laser frequency stabilisation and linewidth narrowing
- Primary Application: High-bandwidth low-latency servo control
Produktbruksinstruksjoner
Introduksjon
The MOGLabs FSC is designed to provide high-bandwidth low-latency servo control for laser frequency stabilisation and linewidth narrowing.
Basic Feedback Control Theory
Feedback frequency stabilisation of lasers can be complex. It is recommended to review control theory textbooks and literature on laser frequency stabilisation for a better understanding.
Tilkoblinger og kontroller
Kontroller på frontpanelet
The front panel controls are used for immediate adjustments and monitoring. These controls are essential for real-time adjustments during operation.
Kontroller og tilkoblinger på bakpanelet
The rear panel controls and connections provide interfaces for external devices and peripherals. Properly connecting these ensures smooth operation and compatibility with external systems.
Interne DIP-brytere
The internal DIP switches offer additional configuration options. Understanding and correctly setting these switches are crucial for customizing the controller’s behavior.
FAQ
et Santec-selskap
Rask servokontroller
Versjon 1.0.9, Rev 2 maskinvare
Ansvarsbegrensning
MOG Laboratories Pty Ltd (MOGLabs) påtar seg ikke noe ansvar som følge av bruken av informasjonen i denne håndboken. Dette dokumentet kan inneholde eller referere til informasjon og produkter beskyttet av opphavsrett eller patenter og gir ingen lisens under patentrettighetene til MOGLabs, eller rettighetene til andre. MOGLabs vil ikke være ansvarlig for noen defekt i maskinvare eller programvare eller tap eller utilstrekkelighet av data av noe slag, eller for noen direkte, indirekte, tilfeldige eller følgeskader i forbindelse med eller som oppstår som følge av ytelsen eller bruken av noen av deres produkter. . Den foregående ansvarsbegrensningen skal være like gjeldende for alle tjenester levert av MOGLabs.
Opphavsrett
Copyright © MOG Laboratories Pty Ltd (MOGLabs) 2017 2025. Ingen del av denne publikasjonen kan reproduseres, lagres i et gjenfinningssystem eller overføres, i noen form eller på noen måte, elektronisk, mekanisk, fotokopiering eller på annen måte, uten skriftlig forhåndsskrivelse tillatelse fra MOGLabs.
Kontakt
For ytterligere informasjon, vennligst kontakt:
MOG Laboratories 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 JAPAN +81 568 79 3535 www.santec.com
Introduksjon
MOGLabs FSC gir de kritiske elementene i en servokontroller med høy båndbredde og lav latens, primært beregnet for laserfrekvensstabilisering og linjebreddeinnsnevring. FSC kan også brukes til amplyskontroll, for eksempelample for å lage en «støyeter» som stabiliserer den optiske effekten til en laser, men i denne manualen antar vi den mer vanlige anvendelsen av frekvensstabilisering.
1.1 Grunnleggende teori om tilbakekoblingskontroll
Stabilisering av tilbakekoblingsfrekvens for lasere kan være komplisert. Vi oppfordrer leserne til å lese igjen.view lærebøker i kontrollteori [1, 2] og litteratur om laserfrekvensstabilisering [3].
Konseptet med tilbakekoblingskontroll er vist skjematisk i figur 1.1. Laserfrekvensen måles med en frekvensdiskriminator som genererer et feilsignal som er proporsjonalt med forskjellen mellom den øyeblikkelige laserfrekvensen og den ønskede eller innstilte frekvensen. Vanlige diskriminatorer inkluderer optiske hulrom og Pound-Drever-Hall (PDH) [4] eller Hänsch-Couillaud [5] deteksjon; offset-låsing [6]; eller mange varianter av atomabsorpsjonsspektroskopi [7].
0
+
Feilsignal
Servo
Styresignal
Laser
dV/df-frekvensdiskriminator
Figur 1.1: Forenklet blokkdiagram av en tilbakekoblingskontrollsløyfe.
1
2
Kapittel 1. Innledning
1.1.1 Feilsignaler
Det viktigste fellestrekket ved tilbakekoblingskontroll er at feilsignalet som brukes til kontroll, skal reversere fortegn når laserfrekvensen skifter over eller under settpunktet, som i figur 1.2. Fra feilsignalet genererer en tilbakekoblingsservo eller kompensator et kontrollsignal for en transduser i laseren, slik at laserfrekvensen drives mot ønsket settpunkt. Det viktigste er at dette kontrollsignalet vil endre fortegn når feilsignalet endrer fortegn, slik at laserfrekvensen alltid skyves mot settpunktet, i stedet for bort fra det.
Feil
Feil
f
0
Frekvens f
f Frekvens f
FEILFORSKYVNING
Figur 1.2: Et teoretisk dispersivt feilsignal, proporsjonalt med forskjellen mellom en laserfrekvens og en settpunktfrekvens. En forskyvning på feilsignalet forskyver låsepunktet (høyre).
Merk forskjellen mellom et feilsignal og et kontrollsignal. Et feilsignal er et mål på forskjellen mellom den faktiske og ønskede laserfrekvensen, som i prinsippet er momentant og støyfri. Et kontrollsignal genereres fra feilsignalet av en tilbakekoblingsservo eller kompensator. Kontrollsignalet driver en aktuator, for eksempel en piezoelektrisk transduser, injeksjonsstrømmen til en laserdiode eller en akustooptisk eller elektrooptisk modulator, slik at laserfrekvensen går tilbake til settpunktet. Aktuatorer har kompliserte responsfunksjoner, med endelige faseforsinkelser, frekvensavhengig forsterkning og resonanser. En kompensator bør optimalisere kontrollresponsen for å redusere feilen til et minimum.
1.1 Grunnleggende teori om tilbakekoblingskontroll
3
1.1.2 Frekvensrespons for en tilbakekoblingsservo
Virkemåten til tilbakekoblingsservoer beskrives vanligvis i form av Fourier-frekvensresponsen; det vil si forsterkningen av tilbakekoblingen som en funksjon av frekvensen til en forstyrrelse. For eksempelampF.eks. er en vanlig forstyrrelse nettfrekvensen = 50 Hz eller 60 Hz. Denne forstyrrelsen vil endre laserfrekvensen med en viss mengde, med en hastighet på 50 eller 60 Hz. Effekten av forstyrrelsen på laseren kan være liten (f.eks. = 0 ± 1 kHz hvor 0 er den uforstyrrede laserfrekvensen) eller stor (= 0 ± 1 MHz). Uansett størrelsen på denne forstyrrelsen, er Fourierfrekvensen til forstyrrelsen enten på 50 eller 60 Hz. For å undertrykke denne forstyrrelsen, bør en tilbakekoblingsservo ha høy forsterkning ved 50 og 60 Hz for å kunne kompensere.
Forsterkningen til en servokontroller har vanligvis en lavfrekvensgrense, vanligvis definert av forsterkningsbåndbreddegrensen til operasjonen.amps som brukes i servokontrolleren. Forsterkningen må også falle under enhetsforsterkning (0 dB) ved høyere frekvenser for å unngå å indusere oscillasjoner i kontrollutgangen, slik som den velkjente høyfrekvente hviningen fra lydsystemer (vanligvis kalt "lydtilbakemelding"). Disse oscillasjonene oppstår for frekvenser over den resiproke verdien av minimumsforplantningsforsinkelsen til det kombinerte laser-, frekvensdiskriminator-, servo- og aktuatorsystemet. Vanligvis domineres denne grensen av aktuatorens responstid. For piezoelementer som brukes i diodelasere med eksternt hulrom, er grensen vanligvis noen få kHz, og for laserdiodens strømmodulasjonsrespons er grensen rundt 100 til 300 kHz.
Figur 1.3 er et konseptuelt plott av forsterkning mot Fourier-frekvens for FSC. For å minimere laserfrekvensfeilen bør området under forsterkningsplottet maksimeres. PID-servokontrollere (proporsjonale integral- og differensial) er en vanlig tilnærming, der kontrollsignalet er summen av tre komponenter avledet fra det ene inngangsfeilsignalet. Den proporsjonale tilbakekoblingen (P) forsøker å raskt kompensere for forstyrrelser, mens integratortilbakekobling (I) gir høy forsterkning for forskyvninger og langsomme avvik, og differensialtilbakekobling (D) gir ekstra forsterkning for plutselige endringer.
4
Kapittel 1. Innledning
Forsterkning (dB)
Høyfrekvensavskjæring Dobbel integrator
60
RASK INT RASK FORSTERKNING
RASK DIFF DIFF FORSTERKNING (grense)
40
20
Integrator
0
RASK LF-FORSTERKNING (grense)
Integrator
Proporsjonal
Differentiator
Filter
LANGSOMT INT
20101
102
103
104
105
106
107
108
Fourierfrekvens [Hz]
Figur 1.3: Konseptuelt Bode-plott som viser virkningen av de raske (røde) og langsomme (blå) kontrollerene. Den langsomme kontrolleren er enten en enkel eller dobbel integrator med justerbar hjørnefrekvens. Den raske kontrolleren er PID med justerbare hjørnefrekvenser og forsterkningsgrenser ved lave og høye frekvenser. Differensieringsenheten kan eventuelt deaktiveres og erstattes med et lavpassfilter.
Tilkoblinger og kontroller
2.1 Kontroller på frontpanelet
Frontpanelet på FSC har et stort antall konfigurasjonsalternativer som gjør det mulig å finjustere og optimalisere servoens oppførsel.
Vær oppmerksom på at brytere og alternativer kan variere mellom maskinvarerevisjoner. Se håndboken for din spesifikke enhet, som angitt av serienummeret.
Rask servokontroller
AC DC
INNGANG
PD 0
REF
CHB
+
RASKT SKILT
+
SAKTE SKILT
INT
75 100 250
50k 100k 200k
10M 5M 2.5M
50
500
20k
500k AV
1M
25
750 10k
1M 200k
750k
AV
1k AV
2M 100k
500k
EXT
50k
250k
25k
100k
SPAN
SATS
LANGSOMT INT
RASK INT
RASK DIFF/FILTER
12
6
18
0
24
BIAS
FREKVENSFORSKIVNING
LANGSOM FORSTERKNING
RASK FORSTERKNING
DIFF FORSTERKNING
30 20 10
0
40
50
NESTET
60
SKANNING
MAKS LÅS
LANGSOM
Gain Grense
SKANN SKANN+P
LÅSE
RASK
FEILFORSKYVNING
STATUS
LANGSOMT FEIL
RAMP
RASK FEIL
BIAS
CHB
RASK
CHA
LANGSOM
MON1
LANGSOMT FEIL
RAMP
RASK FEIL
BIAS
CHB
RASK
CHA
LANGSOM
MON2
2.1.1 Configuration INPUT Selects error signal coupling mode; see figure 3.2. AC Fast error signal is AC-coupled, slow error is DC coupled. DC Both fast and slow error signals are DC-coupled. Signals are DC-coupled, and the front-panel ERROR OFFSET is applied for control of the lock point. CHB Selects input for channel B: photodetector, ground, or a variable 0 to 2.5 V reference set with the adjacent trimpot.
HURTIG FORTEGN Tegn på rask tilbakemelding. LANGSOM FORTEGN Tegn på langsom tilbakemelding.
5
6
Tilkoblinger og kontroller
2.1.2 Ramp kontroll
Den interne ramp Generatoren gir en sveipefunksjon for skanning av laserfrekvensen, vanligvis via en piezoaktuator, diodeinjeksjonsstrøm eller begge deler. En triggerutgang synkronisert med ramp finnes på bakpanelet (TRIG, 1M).
INT/EXT Intern eller ekstern ramp for frekvensskanning.
RATE Trimpot for å justere intern sveipehastighet.
BIAS Når DIP3 er aktivert, legges den langsomme utgangen, skalert av denne trimpoten, til den raske utgangen. Denne bias-forwarden er vanligvis nødvendig når man justerer piezoaktuatoren til en ECDL for å forhindre modushopping. Denne funksjonaliteten er imidlertid allerede tilgjengelig i noen laserkontrollere (som MOGLabs DLC) og bør bare brukes når den ikke tilbys andre steder.
SPAN Justerer ramp høyden, og dermed omfanget av frekvenssveipet.
FREKVENSFORSKIVNING Justerer DC-forskyvningen på den langsomme utgangen, noe som effektivt gir et statisk skifte av laserfrekvensen.
2.1.3 Løkkevariabler
Sløyfevariablene tillater forsterkningen av proporsjonal-, integrator- og differensier-tagsom skal justeres. For integrator- og differensierings-tagForsterkningen presenteres i form av enhetsforsterkningsfrekvensen, noen ganger referert til som hjørnefrekvensen.
SLOW INT Hjørnefrekvensen til den langsomme servointegratoren; kan deaktiveres eller justeres fra 25 Hz til 1 kHz.
LANGSOM FORSTERKNING Langsom servoforsterkning med én omdreining; fra -20 dB til +20 dB.
FAST INT Hjørnefrekvensen til den raske servointegratoren; av eller justerbar fra 10 kHz til 2 MHz.
2.1 Kontroller på frontpanelet
7
RASK FORSTERKNING Ti-omdreining rask servoproporsjonal forsterkning; fra -10 dB til +50 dB.
HURTIG DIFF/FILTER Kontrollerer servoresponsen på høyfrekvente enheter. Når den er satt til «AV», forblir servoresponsen proporsjonal. Når den dreies med klokken, aktiveres differensieringsenheten med den tilhørende hjørnefrekvensen. Merk at reduksjon av hjørnefrekvensen øker differensieringsenhetens virkning. Når den er satt til en understreket verdi, deaktiveres differensieringsenheten, og i stedet brukes et lavpassfilter på servoutgangen. Dette fører til at responsen ruller av over den angitte frekvensen.
DIFF GAIN Høyfrekvent forsterkningsgrense på den raske servoen; hvert trinn endrer den maksimale forsterkningen med 6 dB. Har ingen effekt med mindre differensieringsmekanismen er aktivert; det vil si med mindre FAST DIFF er satt til en verdi som ikke er understreket.
2.1.4 Låsekontroller
FORSTERKNINGSGRENSE Lavfrekvensforsterkningsgrense på den raske servoen, i dB. MAX representerer maksimal tilgjengelig forsterkning.
FEILFORSKIVNING DC-forskyvning brukes på feilsignalene når INNGANGSmodus er satt til . Nyttig for presis innstilling av låsepunktet eller for å kompensere for drift i feilsignalet. Den tilstøtende trimpoten er for å justere feilforskyvningen til den langsomme servoen i forhold til den raske servoen, og kan justeres for å sikre at de raske og langsomme servoene kjører mot nøyaktig samme frekvens.
SLOW Aktiverer den langsomme servoen ved å endre SCAN til LOCK. Når den er satt til NESTED, vil den langsomme kontrollvolumettage mates inn i det raske feilsignalet for veldig høy forsterkning ved lave frekvenser i fravær av en aktuator koblet til den langsomme utgangen.
FAST Styrer den raske servoen. Når den er satt til SCAN+P, mates den proporsjonale tilbakemeldingen inn i den raske utgangen mens laseren skanner, slik at tilbakemeldingen kan kalibreres. Hvis den endres til LOCK, stoppes skanningen og full PID-kontroll aktiveres.
8
Kapittel 2. Tilkoblinger og kontroller
STATUS Flerfarget indikator som viser låsens status.
Grønn Strøm på, lås deaktivert. Oransje Lås aktivert, men feilsignal utenfor rekkevidde, indikerer låsen
har feilet. Blå lås aktivert og feilsignalet er innenfor grensene.
2.1.5 Signalovervåking
To roterende kodere velger hvilket av de spesifiserte signalene som skal rutes til MONITOR 1- og MONITOR 2-utgangene på bakpanelet. TRIG-utgangen er en TTL-kompatibel utgang (1M) som bytter fra lav til høy i midten av sveipet. Tabellen nedenfor definerer signalene.
CHA CHB RASK FEIL LANGSOM FEIL RAMP SKÅL RASK LANGSOM
Kanal A-inngang Kanal B-inngang Feilsignal brukt av den raske servoen Feilsignal brukt av den langsomme servoen Ramp som brukt på SLOW OUT Ramp som brukt på FAST OUT når DIP3 er aktivert. FAST OUT-kontrollsignal. SLOW OUT-kontrollsignal.
2.2 Kontroller og tilkoblinger på bakpanelet
9
2.2 Kontroller og tilkoblinger på bakpanelet
LÅS INN AV MONITOR 2
MONITOR 1
FEIE INN
VINN INN
B INN
A IN
Serie:
Trig
RASKT UT SAKTE UT
MOD IN
KRAFT B
STRØM A
Alle kontakter er SMA, med unntak av det som er angitt. Alle innganger har overvolum.tage-beskyttet til ±15 V.
IEC-strøminngangen Enheten bør være forhåndsinnstilt på riktig volum.tage for ditt land. Se tillegg D for instruksjoner om hvordan du endrer strømforsyningens volumtage om nødvendig.
A IN, B IN Feilsignalinnganger for kanal A og B, vanligvis fotodetektorer. Høy impedans, nominelt område ±2 5 V. Kanal B er ubrukt med mindre CHB-bryteren på frontpanelet er satt til PD.
STRØM A, B Lavstøys likestrøm for fotodetektorer; ±12 V, 125 mA, levert gjennom en M8-kontakt (TE Connectivity delenummer 2-2172067-2, Digikey A121939-ND, 3-veis hann). Kompatibel med MOGLabs PDA- og Thorlabs-fotodetektorer. Skal brukes med standard M8-kabler, for eksempelample Digikey 277-4264-ND. Sørg for at fotodetektorene er slått av når de kobles til strømforsyningene for å forhindre at utgangene deres går i sjakk.
GIN I VoltagE-kontrollert proporsjonal forsterkning av hurtigservo, ±1 V, som tilsvarer hele registeret til frontpanelknappen. Erstatter FAST GAIN-kontrollen på frontpanelet når DIP1 er aktivert.
FEIE INN Ekstern ramp Inngangen tillater vilkårlig frekvensskanning, 0 til 2.5 V. Signalet må krysse 1.25 V, som definerer sentrum av sveipet og det omtrentlige låsepunktet.
10
Kapittel 2. Tilkoblinger og kontroller
3 4
1 +12 V
1
3-12 V
4 0V
Figur 2.1: M8-kontaktens pinout for POWER A, B.
MOD IN Høybåndbreddemodulasjonsinngang, lagt direkte til rask utgang, ±1 V hvis DIP4 er på. Merk at hvis DIP4 er på, skal MOD IN være koblet til en strømforsyning eller terminert riktig.
SLOW UT Sakte kontrollsignalutgang, 0 V til 2.5 V. Normalt koblet til en piezodriver eller annen treg aktuator.
RASK UT Rask kontrollsignalutgang, ±2 5 V. Normalt koblet til diodeinjeksjonsstrøm, akusto- eller elektrooptisk modulator eller annen rask aktuator.
MONITOR 1, 2 Valgt signalutgang for overvåking.
TRIG Lav til høy TTL-utgang ved sveipesenter, 1M.
LOCK IN TTL-skanning/låsekontroll; 3.5 mm stereokontakt, venstre/høyre (pinne 2, 3) for langsom/rask låsing; lav (jord) er aktiv (aktiver låsing). Skanning/låsebryteren på frontpanelet må være på SCAN for at LOCK IN skal virke. Digikey-kabelen CP-2207-ND har en 3.5 mm plugg med ledningsender; rød for langsom låsing, tynn svart for rask låsing og tykk svart for jording.
321
1 Jord 2 Rask låsing 3 Langsom låsing
Figur 2.2: 3.5 mm stereokontaktens pinout for TTL-skanning/låsekontroll.
2.3 Interne DIP-brytere
11
2.3 Interne DIP-brytere
Det finnes flere interne DIP-brytere som gir tilleggsalternativer, alle satt til AV som standard.
ADVARSEL Det er potensial for eksponering for høye volumtaginne i FSC, spesielt rundt strømforsyningen.
AV
1 Rask gevinst
Knott på frontpanelet
2 Langsom tilbakekobling Enkel integrator
3 Bias
Ramp å bare bremse
4 Ekstern MOD deaktivert
5 forskyvninger
Normal
6 Fei
Positivt
7 Hurtigkoblings-DC
8 Rask forskyvning
0
PÅ Eksternt signal Dobbelintegrator Ramp for raskt og sakte Aktivert Fast på midtpunktet Negativ AC -1 V
DIP 1 Hvis PÅ, bestemmes rask servoforsterkning av potensialet som tilføres GAIN IN-kontakten på bakpanelet i stedet for FAST GAIN-knappen på frontpanelet.
DIP 2 Sakte servo er en enkel (AV) eller dobbel (PÅ) integrator. Skal være AV hvis man bruker en «nestet» sakte og rask servodriftsmodus.
DIP 3 Hvis PÅ, genereres en biasstrøm i forhold til den langsomme servoutgangen for å forhindre modushopp. Aktiveres kun hvis det ikke allerede er levert av laserkontrolleren. Skal være AV når FSC brukes i kombinasjon med en MOGLabs DLC.
DIP 4 Hvis PÅ, aktiveres ekstern modulering via MOD IN-kontakten på bakpanelet. Modulasjonen legges direkte til FAST OUT. Når den er aktivert, men ikke i bruk, må MOD IN-inngangen avsluttes for å forhindre uønsket oppførsel.
DIP 5 Hvis PÅ, deaktiverer offset-knappen på frontpanelet og låser offset-knappen til midtpunktet. Nyttig i ekstern sveipemodus for å unngå utilsiktet
12
Kapittel 2. Tilkoblinger og kontroller
Endre laserfrekvensen ved å trykke på offset-knappen.
DIP 6 Reverserer retningen på sveipet.
DIP 7 Rask AC. Skal normalt være PÅ, slik at det raske feilsignalet er AC-koblet til tilbakekoblingsservoerene, med en tidskonstant på 40 ms (25 Hz).
DIP 8 Hvis PÅ, legges en -1 V forskyvning til den raske utgangen. DIP8 skal være av når FSC brukes med MOGLabs-lasere.
Feedback control loops
FSC-en har to parallelle tilbakekoblingskanaler som kan drive to aktuatorer samtidig: en «langsom» aktuator, som vanligvis brukes til å endre laserfrekvensen med en stor mengde på langsomme tidsskalaer, og en andre «rask» aktuator. FSC-en gir presis kontroll over hver stage av servoløkken, samt et sveip (ramp) generator og praktisk signalovervåking.
INNGANG
INNGANG
+
AC
FEILFORSKYVNING
DC
A IN
A
0v
+
B
B INN
0v +
VREF
0v
CHB
HURTIGSKILT Hurtig AC [7] DC-blokk
SAKTE SKILT
MODULERING OG SWEEP
SATS
Ramp
INT/EXT
Skråning [6] FEIE INN
SPAN
0v
+
OFFSET
MOD IN
0v
Mod [4]
0v
Fast forskyvning [5]
0v
Trig
0v 0v
+
BIAS
0v 0v
Skjevhet [3]
LÅS INN (RASK) LÅS INN (SAKSOM) RASK = LÅS SAKOM = LÅS
LF-sveip
RASK UT +
RASK SERVO
GAIN I RASK GAIN
Ekstern forsterkning [1] P
+
I
+
0v
NESTET
RASK = LÅS LÅS INN (RASK)
D
0v
LANGSOM SERVO
Langsom feilforsterkning LANGSOM FORSTERKNING
LANGSOMT INT
#1
LF-sveip
LANGSOMT INT
+
#2
0v
Dobbelintegrator [2]
SAK AV
Figur 3.1: Skjematisk fremstilling av MOGLabs FSC. Grønne etiketter refererer til kontroller på frontpanelet og innganger på bakpanelet, brune er interne DIP-brytere, og lilla er utganger på bakpanelet.
13
14
Kapittel 3. Tilbakekoblingskontrollsløyfer
3.1 Inngangertage
Inngangen stage av FSC (figur 3.2) genererer et feilsignal når VERR = VA – VB – VOFFSET. VA tas fra SMA-kontakten «A IN», og VB settes med CHB-velgerbryteren, som velger mellom SMA-kontakten «B IN», VB = 0 eller VB = VREF, som angitt av den tilstøtende trimpoten.
Kontrolleren fungerer ved å styre feilsignalet mot null, som definerer låsepunktet. Noen applikasjoner kan ha nytte av små justeringer av DC-nivået for å justere dette låsepunktet, noe som kan oppnås med 10-dreieknappen ERR OFFSET for opptil ±0 V forskyvning, forutsatt at INPUT-velgeren er satt til "offset"-modus (). Større offset kan oppnås med REF-trimpoten.
INNGANG
INNGANG
+ Klimaanlegg
FEILFORSKYVNING
DC
A IN
A
0v
+
B
B INN
HURTIG FORKLARING Hurtig AC [7] FE HURTIG FEIL
DC-blokk
Rask feil
0v +
VREF
0v
CHB
SAKTE SKILT
Treg feil SE TREG FEIL
Figur 3.2: Skjematisk fremstilling av FSC-inngangenetage viser koblings-, offset- og polaritetskontroller. Sekskanter er overvåkede signaler som er tilgjengelige via skjermvelgerbryterne på frontpanelet.
3.2 Langsom servoløkke
Figur 3.3 viser konfigurasjonen for langsom tilbakekobling til FSC. En variabel forsterkningsfaktor stage styres med SLOW GAIN-knappen på frontpanelet. Kontrolleren fungerer enten som en enkelt- eller dobbelintegrator.
3.2 Langsom servoløkke
15
avhengig av om DIP2 er aktivert. Tidskonstanten for den langsomme integratoren styres fra SLOW INT-knappen på frontpanelet, som er merket med den tilhørende hjørnefrekvensen.
LANGSOM SERVO
Langsom feilforsterkning LANGSOM FORSTERKNING
Integratorer
LANGSOMT INT
#1
LF-sveip
LANGSOMT INT
+
#2
0v
Dobbelintegrator [2]
SAK AV
LF LANGSOM
Figur 3.3: Skjematisk fremstilling av I/I2-servo med langsom tilbakekobling. Sekskanter er overvåkede signaler som er tilgjengelige via valgbryterne på frontpanelet.
Med én enkelt integrator øker forsterkningen med lavere Fourierfrekvens, med en helning på 20 dB per dekad. Ved å legge til en andre integrator økes helningen til 40 dB per dekad, noe som reduserer den langsiktige forskyvningen mellom faktiske og settpunktfrekvenser. Å øke forsterkningen for mye resulterer i oscillasjon ettersom kontrolleren «overreagerer» på endringer i feilsignalet. Av denne grunn er det noen ganger fordelaktig å begrense forsterkningen til kontrollsløyfen ved lave frekvenser, der en stor respons kan forårsake et lasermodushopp.
Den langsomme servoen gir stor rekkevidde for å kompensere for langvarige avvik og akustiske forstyrrelser, og den raske aktuatoren har liten rekkevidde, men høy båndbredde for å kompensere for raske forstyrrelser. Bruk av en dobbelintegrator sikrer at den langsomme servoen har den dominerende responsen ved lav frekvens.
For applikasjoner som ikke inkluderer en separat treg aktuator, kan det trege kontrollsignalet (enkelt- eller dobbelintegrert feil) legges til det raske ved å sette SLOW-bryteren til «NESTED». I denne modusen anbefales det at dobbeltintegratoren i den trege kanalen deaktiveres med DIP2 for å forhindre trippelintegrasjon.
16
Kapittel 3. Tilbakekoblingskontrollsløyfer
3.2.1 Måling av den langsomme servoresponsen
Den langsomme servoløkken er utformet for kompensasjon for langsom drift. Slik observerer du responsen på den langsomme løkken:
1. Sett MONITOR 1 til SLOW ERR og koble utgangen til et oscilloskop.
2. Sett MONITOR 2 til SLOW og koble utgangen til et oscilloskop.
3. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
4. Juster ERR OFFSET-knappen til DC-nivået som vises på SLOW ERR-skjermen er nær null.
5. Juster FREQ OFFSET-knappen til DC-nivået som vises på SLOW-skjermen er nær null.
6. Still inn spenningen per divisjon på oscilloskopet til 10 mV per divisjon for begge kanalene.
7. Aktiver den langsomme servoløkken ved å sette SLOW-modus til LOCK.
8. Juster ERR OFFSET-knappen sakte slik at DC-nivået som vises på SLOW ERR-skjermen beveger seg over og under null med 10 mV.
9. Når det integrerte feilsignalet endrer fortegn, vil du observere den langsomme endringen i utgangen på 250 mV.
Merk at responstiden for at den trege servoen skal drifte til grensen avhenger av en rekke faktorer, inkludert den langsomme forsterkningen, den langsomme integratorens tidskonstant, enkel eller dobbel integrasjon og størrelsen på feilsignalet.
3.2 Langsom servoløkke
17
3.2.2 Langsom utgangsvolumtage swing (kun for FSC-serien A04… og eldre)
Utgangen fra den langsomme servokontrollsløyfen er konfigurert for et område på 0 til 2.5 V for kompatibilitet med en MOGLabs DLC. DLC SWEEP piezokontrollinngangen har et volum.tagen forsterkning på 48, slik at den maksimale inngangen på 2.5 V resulterer i 120 V på piezoen. Når den langsomme servo-sløyfen er aktivert, vil den langsomme utgangen bare svinge med ±25 mV i forhold til verdien før den ble aktivert. Denne begrensningen er bevisst for å unngå hopp i lasermodus. Når den langsomme utgangen til FSC brukes med en MOGLabs DLC, tilsvarer en sving på 50 mV i utgangen til den langsomme kanalen til FSC en sving på 2.4 V i piezovolumet.tage som tilsvarer en endring i laserfrekvens på rundt 0.5 til 1 GHz, sammenlignbar med det frie spektralområdet til et typisk referansehulrom.
For bruk med forskjellige laserkontrollere kan en større endring i den låste, langsomme utgangen til FSC aktiveres via en enkel motstandsendring. Forsterkningen på utgangen til den langsomme tilbakekoblingssløyfen er definert av R82/R87, forholdet mellom motstandene R82 (500) og R87 (100 k). For å øke den langsomme utgangen, øk R82/R87, noe som enklest oppnås ved å redusere R87 ved å koble en annen motstand parallelt (SMD-pakke, størrelse 0402). For eksempelampDvs. å legge til en 30 k motstand parallelt med den eksisterende 100 k motstanden ville gi en effektiv motstand på 23 k, noe som gir en økning i den langsomme utgangssvingning fra ±25 mV til ±125 mV. Figur 3.4 viser utformingen av FSC PCB rundt opamp U16.
R329
U16
C36
C362 R85 R331 C44 R87
C71
C35
R81 R82
Figur 3.4: FSC PCB-oppsettet rundt den endelige langsomme forsterkningsoperasjonenamp U16, med forsterkningsinnstillingsmotstandene R82 og R87 (innsirklet); størrelse 0402.
18
Kapittel 3. Tilbakekoblingskontrollsløyfer
3.3 Rask servoløkke
Den raske tilbakekoblingsservoen (figur 3.5) er en PID-sløyfe som gir presis kontroll over hver av de proporsjonale (P), integrale (I) og differensielle (D) tilbakekoblingskomponentene, samt den totale forsterkningen til hele systemet. Den raske utgangen til FSC kan svinge fra -2.5 V til 2.5 V, som, når den konfigureres med en MOGLabs ekstern kavitetsdiodelaser, kan gi en svingstrøm på ±2.5 mA.
RASK SERVO
VINN INN
Ekstern gevinst [1]
RASK FORSTERKNING
Rask feil
Langsom kontroll
0v
+ NESTET
RASK = LÅS LÅS INN (RASK)
PI
D
0v
+
Rask kontroll
Figur 3.5: Skjematisk fremstilling av PID-kontroller med rask tilbakekoblingsservo.
Figur 3.6 viser et konseptuelt plott av virkningen av både den raske og den langsomme servoløkken. Ved lave frekvenser dominerer den raske integratorløkken (I). For å forhindre at den raske servoløkken overreagerer på lavfrekvente (akustiske) eksterne forstyrrelser, brukes en lavfrekvent forsterkningsgrense kontrollert av GAIN LIMIT-knappen.
Ved mellomfrekvenser (10 kHz1 MHz) dominerer den proporsjonale (P) tilbakekoblingen. Hjørnefrekvensen med enhetsforsterkning der den proporsjonale tilbakekoblingen overstiger den integrerte responsen styres av FAST INT-knappen. Den totale forsterkningen til P-sløyfen stilles inn av FAST GAIN-trimmepoten, eller via et eksternt kontrollsignal gjennom GAIN IN-kontakten på bakpanelet.
3.3 Rask servoløkke
19
60
Forsterkning (dB)
Høyfrekvensavskjæring Dobbel integrator
RASK INT RASK FORSTERKNING
RASK DIFF DIFF FORSTERKNING (grense)
40
20
Integrator
0
RASK LF-FORSTERKNING (grense)
Integrator
Proporsjonal
Differentiator
Filter
LANGSOMT INT
20101
102
103
104
105
106
107
108
Fourierfrekvens [Hz]
Figur 3.6: Konseptuelt Bode-plott som viser virkningen av de raske (røde) og langsomme (blå) kontrollerene. Den langsomme kontrolleren er enten en enkel eller dobbel integrator med justerbar hjørnefrekvens. Den raske kontrolleren er en PID-kompensator med justerbare hjørnefrekvenser og forsterkningsgrenser ved lave og høye frekvenser. Differensieringsenheten kan eventuelt deaktiveres og erstattes med et lavpassfilter.
Høye frekvenser (1 MHz) krever vanligvis at differensieringssløyfen dominerer for forbedret låsing. Differensieringssløyfen gir faseavledningskompensasjon for systemets endelige responstid og har en forsterkning som øker med 20 dB per dekad. Hjørnefrekvensen til differensieringssløyfen kan justeres via FAST DIFF/FILTER-knappen for å kontrollere frekvensen der differensiell tilbakekobling dominerer. Hvis FAST DIFF/FILTER er satt til AV, deaktiveres differensieringssløyfen og tilbakekoblingen forblir proporsjonal ved høyere frekvenser. For å forhindre oscillasjon og begrense påvirkningen av høyfrekvent støy når differensiell tilbakekoblingssløyfen er aktivert, finnes det en justerbar forsterkningsgrense, DIFF GAIN, som begrenser differensieringssløyfen ved høye frekvenser.
En differensierer er ofte ikke nødvendig, og kompensatoren kan i stedet dra nytte av lavpassfiltrering av den raske servoresponsen for å redusere støypåvirkningen ytterligere. Drei på FAST DIFF/FILTER-knappen.
20
Kapittel 3. Tilbakekoblingskontrollsløyfer
Drei knappen mot klokken fra AV-posisjonen for å stille inn roll-off-frekvensen for filtreringsmodus.
Den raske servoen har tre driftsmoduser: SCAN, SCAN+P og LOCK. Når den er satt til SCAN, er tilbakemelding deaktivert, og bare bias brukes på den raske utgangen. Når den er satt til SCAN+P, brukes proporsjonal tilbakemelding, som tillater bestemmelse av fortegnet og forsterkningen for den raske servoen mens laserfrekvensen fortsatt skanner, noe som forenkler låse- og justeringsprosedyren (se §4.2). I LOCK-modus stoppes skanningen, og full PID-tilbakemelding er aktivert.
3.3.1 Måling av den raske servoresponsen
De følgende to avsnittene beskriver måling av proporsjonal og differensiell tilbakekobling til endringer i feilsignalet. Bruk en funksjonsgenerator til å simulere et feilsignal og et oscilloskop til å måle responsen.
1. Koble MONITOR 1 og 2 til et oscilloskop, og sett velgerne til FAST ERR og FAST.
2. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
3. Koble funksjonsgeneratoren til CHA-inngangen.
4. Konfigurer funksjonsgeneratoren til å produsere en 100 Hz sinusbølge med 20 mV topp-til-topp-forhold.
5. Juster ERR OFFSET-knappen slik at det sinusformede feilsignalet, slik det vises på FAST ERR-skjermen, er sentrert rundt null.
3.3.2 Måling av proporsjonalrespons · Reduser spannet til null ved å vri SPAN-knappen helt mot klokken.
· Sett FAST til SCAN+P for å aktivere den proporsjonale tilbakekoblingssløyfen.
3.3 Rask servoløkke
21
· På oscilloskopet skal FAST-utgangen til FSC vise en sinusbølge på 100 Hz.
· Juster FAST GAIN-knappen for å variere den proporsjonale forsterkningen til den raske servoen til utgangen er den samme amplitude som input.
· For å måle den proporsjonale tilbakekoblingsfrekvensresponsen, juster frekvensen til funksjonsgeneratoren og overvåk ampstørrelsen på den RASK utgangsresponsen. For eksempelample, øk frekvensen til ampLituden halveres for å finne forsterkningsfrekvensen på -3 dB.
3.3.3 Måling av differensialresponsen
1. Sett FAST INT til AV for å slå av integratorsløyfen.
2. Sett FAST GAIN til én ved å følge trinnene beskrevet i avsnittet ovenfor.
3. Sett DIFF GAIN til 0 dB.
4. Sett HURTIG DIFF/FILTER til 100 kHz.
5. Sveip frekvensen til funksjonsgeneratoren fra 100 kHz til 3 MHz og overvåk FAST-utgangen.
6. Når du sveiper over feilsignalfrekvensen, bør du se enhetsforsterkning ved alle frekvenser.
7. Sett DIFF GAIN til 24 dB.
8. Når du nå sveiper over feilsignalfrekvensen, bør du legge merke til en økning i hellingen på 20 dB per dekad etter 100 kHz, som vil begynne å avta ved 1 MHz, noe som viser opamp båndbreddebegrensninger.
Forsterkningen til den raske utgangen kan endres ved å endre motstandsverdiene, men kretsen er mer komplisert enn for langsom tilbakekobling (§3.2.2). Kontakt MOGLabs for ytterligere informasjon om nødvendig.
22
Kapittel 3. Tilbakekoblingskontrollsløyfer
3.4 Modulering og skanning
Laserskanning styres enten av en intern sveipegenerator eller et eksternt sveipesignal. Det interne sveipet er en sagtann med variabel periode som angis av en intern fireposisjonsbryter (Tillegg C), og en en-svings trimpot RATE på frontpanelet.
De raske og langsomme servoløkkene kan aktiveres individuelt via TTL-signaler til de tilhørende bryterne på bakpanelet. Hvis en av løkkene settes til LOCK, stoppes sveipet og stabiliseringen aktiveres.
MODULERING OG SWEEP
INT/EXT
Trig
SATS
Ramp
Skråning [6] FEIE INN
SPAN
0v
+
OFFSET
0v
0v
Fast forskyvning [5]
Rask kontroll MOD IN
Mod [4]
0v
0v 0v
+
BIAS
0v 0v
Skjevhet [3]
LÅS INN (RASK)
LÅS INN (LANGSOM)
RASK = LÅS LANGSOMT = LÅS
RAMP RA
LF-sveip
BIAS BS
RASK UT +
HF RASK
Figur 3.7: Sweep, ekstern modulering og strømforspenning fra foroverkobling.
Den ramp kan også legges til den raske utgangen ved å aktivere DIP3 og justere BIAS-trimpoten, men mange laserkontrollere (som MOGLabs DLC) vil generere den nødvendige biasstrømmen basert på det langsomme servosignalet, i så fall er det unødvendig å også generere den i FSC.
4. Søknad eksample: Pound-Drever Hall-låsen
En typisk anvendelse av FSC er å frekvenslåse en laser til et optisk hulrom ved hjelp av PDH-teknikken (fig. 4.1). Hulrommet fungerer som en frekvensdiskriminator, og FSC holder laseren i resonans med hulrommet ved å kontrollere laserens piezo og strøm gjennom henholdsvis dens SLOW- og FAST-utganger, noe som reduserer laserens linjebredde. Et separat applikasjonsnotat (AN002) er tilgjengelig som gir detaljerte praktiske råd om implementering av et PDH-apparat.
Oscilloskop
Trig
CH1
CH2
Laser
Nåværende modifikasjon Piezo SMA
EOM
PBS
PD
DLC-kontroller
PZT MOD
AC
Hulrom LPF
SKJERM 2 SKJERM 1 LÅS INN
SVEIP INN FORSTERKNING INN
B INN
A IN
Serie:
Trig
RASK UT LANGSOM UT MOD INN
EFFEKT B EFFEKT A
Figur 4.1: Forenklet skjematisk fremstilling av PDH-hulrommets låsing ved bruk av FSC. En elektrooptisk modulator (EOM) genererer sidebånd som samhandler med hulrommet og genererer refleksjoner som måles på fotodetektoren (PD). Demodulering av fotodetektorsignalet produserer et PDH-feilsignal.
En rekke andre metoder kan brukes til å generere feilsignaler, som ikke vil bli diskutert her. Resten av dette kapittelet beskriver hvordan man oppnår en låsing når et feilsignal er generert.
23
24
Kapittel 4. Søknad f.eks.ample: Pound-Drever Hall-låsen
4.1 Konfigurasjon av laser og kontroller
FSC-en er kompatibel med en rekke lasere og kontrollere, forutsatt at de er riktig konfigurert for ønsket driftsmodus. Når du driver en ECDL (som MOGLabs CEL- eller LDL-lasere), er kravene til laseren og kontrolleren som følger:
· Høybåndbreddemodulasjon direkte inn i laserhodet eller fasemodulatoren i hulrommet.
· Høyvoltage piezo-kontroll fra et eksternt kontrollsignal.
· Foroverkoblingsgenerering («biasstrøm») for lasere som krever en bias på 1 mA over skanneområdet. FSC-en er i stand til å generere en biasstrøm internt, men området kan være begrenset av elektronikk i hovedkortet eller fasemodulatormetning, så det kan være nødvendig å bruke bias levert av laserkontrolleren.
MOGLabs laserkontrollere og hodegjerder kan enkelt konfigureres for å oppnå ønsket oppførsel, som forklart nedenfor.
4.1.1 Konfigurasjon av hodegavl
MOGLabs lasere har et internt hovedkort som kobler komponentene til kontrolleren. For drift med FSC kreves et hovedkort med rask strømmodulasjon via en SMA-kontakt. Hovedkortet bør kobles direkte til FSC FAST OUT.
B1240-hodekortet anbefales på det sterkeste for maksimal modulasjonsbåndbredde, selv om B1040 og B1047 er akseptable erstatninger for lasere som er inkompatible med B1240. Hodekortet har en rekke jumperbrytere som må konfigureres for DC-koblet og bufret (BUF) inngang, der det er aktuelt.
4.2 Oppnå en innledende låsing
25
4.1.2 DLC-konfigurasjon
Selv om FSC kan konfigureres for enten intern eller ekstern sweep, er det betydelig enklere å bruke intern sweep-modus og sette DLC-en som en slaveenhet som følger:
1. Koble SLOW OUT til SWEEP / PZT MOD på DLC-en.
2. Aktiver DIP9 (ekstern søk) på DLC-en. Sørg for at DIP13 og DIP14 er av.
3. Deaktiver DIP3 (Bias-generering) til FSC. DLC genererer automatisk den nåværende feedforward-bias fra sweep-inngangen, så det er ikke nødvendig å generere en bias i FSC.
4. Sett SPAN på DLC-en til maksimum (helt med klokken).
5. Sett FREKVENS på DLC-en til null ved å bruke LCD-skjermen for å vise frekvens.
6. Sørg for at SWEEP på FSC er INT.
7. Sett FREQ OFFSET til mellomregisteret og SPAN til fullt på FSC og observer laserskanningen.
8. Hvis skanningen er i feil retning, inverter DIP4 på FSC eller DIP11 på DLC.
Det er viktig at SPAN-knappen på DLC-en ikke justeres når den er satt som ovenfor, da det vil påvirke tilbakekoblingssløyfen og kan forhindre at FSC-en låses. FSC-kontrollene bør brukes til å justere sveipet.
4.2 Oppnå en innledende låsing
SPAN- og OFFSET-kontrollene på FSC kan brukes til å stille inn laseren til å sveipe over ønsket låsepunkt (f.eks. kavitetsresonans) og til å zoome inn i et mindre skanning rundt resonansen. Følgende
26
Kapittel 4. Søknad f.eks.ample: Pound-Drever Hall-låsen
Trinnene er illustrerende for prosessen som kreves for å oppnå en stabil lås. Verdiene som er oppført er veiledende og må justeres for spesifikke bruksområder. Ytterligere råd om optimalisering av låsen finnes i §4.3.
4.2.1 Låsing med rask tilbakemelding
1. Koble feilsignalet til A IN-inngangen på bakpanelet.
2. Sørg for at feilsignalet er av størrelsesorden 10 mVpp.
3. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
4. Sett MONITOR 1 til FAST ERR og observer på et oscilloskop. Juster ERR OFFSET-knappen til det viste DC-nivået er null. Hvis det ikke er behov for å bruke ERR OFFSET-knappen til å justere DC-nivået til feilsignalet, kan INPUT-bryteren settes til DC, og ERROR OFFSET-knappen vil ikke ha noen effekt, noe som forhindrer utilsiktet justering.
5. Reduser RASK FORSTERKNING til null.
6. Sett FAST til SCAN+P, sett SLOW til SCAN, og finn resonansen ved hjelp av sveipekontrollene.
7. Øk FAST GAIN til feilsignalet ser ut til å "strekke seg ut", som vist i figur 4.2. Hvis dette ikke observeres, inverter FAST SIGN-bryteren og prøv på nytt.
8. Sett FAST DIFF til AV og GAIN LIMIT til 40. Reduser FAST INT til 100 kHz.
9. Sett FAST-modus til LOCK, så låser kontrolleren seg til nullgjennomgangen til feilsignalet. Det kan være nødvendig å gjøre små justeringer av FREKVENSOFFSET for å låse laseren.
10. Optimaliser låsen ved å justere FAST GAIN og FAST INT mens du observerer feilsignalet. Det kan være nødvendig å låse servoen på nytt etter justering av integratoren.
4.2 Oppnå en innledende låsing
27
Figur 4.2: Skanning av laseren med kun P-tilbakemelding på den raske utgangen mens skanning av den langsomme utgangen fører til at feilsignalet (oransje) utvides når fortegnet og forsterkningen er riktige (høyre). I en PDH-applikasjon vil også kavitetsoverføringen (blå) utvides.
11. Noen applikasjoner kan ha nytte av å øke FAST DIFF for å forbedre sløyferesponsen, men dette er vanligvis ikke nødvendig for å oppnå en initial låsing.
4.2.2 Låsing med langsom tilbakekobling
Når låsing er oppnådd med den raske proporsjonale og integratoriske tilbakemeldingen, bør den langsomme tilbakemeldingen aktiveres for å ta hensyn til langsomme drifter og følsomhet for lavfrekvente akustiske forstyrrelser.
1. Sett SLOW GAIN til mellomregisteret og SLOW INT til 100 Hz.
2. Sett FAST-modus til SCAN+P for å låse opp laseren, og juster SPAN og OFFSET slik at du kan se nullgjennomgangen.
3. Sett MONITOR 2 til SLOW ERR og observer på et oscilloskop. Juster trimpoten ved siden av ERR OFFSET for å bringe det langsomme feilsignalet til null. Justering av denne trimpoten vil bare påvirke DC-nivået til det langsomme feilsignalet, ikke det raske feilsignalet.
4. Lås laseren på nytt ved å sette FAST-modus til LOCK og gjør eventuelle nødvendige små justeringer av FREKVENSFORSKIVNINGEN for å låse laseren.
28
Kapittel 4. Søknad f.eks.ample: Pound-Drever Hall-låsen
5. Sett SLOW-modus til LOCK og observer det langsomme feilsignalet. Hvis den langsomme servoen låser seg, kan DC-nivået til den langsomme feilen endre seg. Hvis dette skjer, noter den nye verdien av feilsignalet, sett SLOW tilbake til SCAN og bruk feilforskyvningstrimpotatoren til å bringe det langsomme opplåste feilsignalet nærmere den låste verdien og prøv å låse den langsomme låsen på nytt.
6. Gjenta det forrige trinnet med sakte låsing av laseren, observer DC-endringen i den sakte feilen, og juster feilforskyvningstrimpotatoren til aktivering av den sakte låsen ikke produserer en målbar endring i feilsignalverdien for sakte låst kontra raskt låst.
Feilkompensatoren justerer for små (mV) forskjeller i de raske og langsomme feilsignalforskyvningene. Justering av trimpoten sikrer at både den raske og langsomme feilkompensatorkretsen låser laseren til samme frekvens.
7. Hvis servoen låses opp umiddelbart etter at den langsomme låsen aktiveres, kan du prøve å invertere SLOW-skiltet.
8. Hvis den langsomme servoen fortsatt låses opp umiddelbart, reduser den langsomme forsterkningen og prøv på nytt.
9. Når en stabil, langsom låsing er oppnådd med ERR OFFSET-trimpoten riktig innstilt, juster SLOW GAIN og SLOW INT for forbedret låsestabilitet.
4.3 Optimalisering
Hensikten med servoen er å låse laseren til nullgjennomgangen til feilsignalet, som ideelt sett ville være identisk null når den er låst. Støy i feilsignalet er derfor et mål på låsekvaliteten. Spektrumanalyse av feilsignalet er et kraftig verktøy for å forstå og optimalisere tilbakekoblingen. RF-spektrumanalysatorer kan brukes, men er relativt dyre og har begrenset dynamisk område. Et godt lydkort (24-bit 192 kHz, f.eks. Lynx L22)
4.3 Optimalisering
29
gir støyanalyse opptil en Fourier-frekvens på 96 kHz med et dynamisk område på 140 dB.
Ideelt sett bør spektrumanalysatoren brukes med en uavhengig frekvensdiskriminator som er ufølsom for svingninger i lasereffekten [11]. Gode resultater kan oppnås ved å overvåke feilsignalet i sløyfen, men en måling utenfor sløyfen er å foretrekke, for eksempel å måle kavitetstransmisjonen i en PDH-applikasjon. For å analysere feilsignalet, koble spektrumanalysatoren til en av MONITOR-utgangene satt til FAST ERR.
Høybåndbreddelåsing innebærer vanligvis først å oppnå en stabil låsing ved kun å bruke den raske servoen, og deretter bruke den langsomme servoen for å forbedre den langsiktige låsestabiliteten. Den langsomme servoen er nødvendig for å kompensere for termisk drift og akustiske forstyrrelser, noe som ville resultere i et modushopp hvis det kompenseres med kun strøm. I motsetning til dette oppnås enkle låseteknikker som mettet absorpsjonsspektroskopi vanligvis ved først å oppnå en stabil låsing med den langsomme servoen, og deretter bruke den raske servoen til kun å kompensere for fluktuasjoner med høyere frekvens. Det kan være nyttig å konsultere Bode-plottet (figur 4.3) når man tolker feilsignalspekteret.
Når man optimaliserer FSC, anbefales det å først optimalisere den raske servoen gjennom analyse av feilsignalet (eller overføring gjennom hulrommet), og deretter den langsomme servoen for å redusere følsomheten for eksterne forstyrrelser. Spesielt SCAN+P-modus gir en praktisk måte å få tilbakekoblingstegn og forsterkningsgrad tilnærmet korrekt.
Merk at det å oppnå den mest stabile frekvenslåsen krever nøye optimalisering av mange aspekter ved apparatet, ikke bare parametrene til FSC. For eksempelample, rest ampLitudemodulasjon (RAM) i et PDH-apparat resulterer i drift i feilsignalet, som servoen ikke klarer å kompensere for. På samme måte vil dårlig signal-til-støy-forhold (SNR) mate støy direkte inn i laseren.
Spesielt betyr den høye forsterkningen til integratorene at låsen kan være følsom for jordsløyfer i signalbehandlingskjeden, og
30
Kapittel 4. Søknad f.eks.ample: Pound-Drever Hall-låsen
Det bør utvises forsiktighet for å eliminere eller redusere disse. Jorden til FSC-en bør være så nær som mulig både laserkontrolleren og all elektronikk som er involvert i å generere feilsignalet.
En prosedyre for å optimalisere den raske servoen er å sette FAST DIFF til AV og justere FAST GAIN, FAST INT og GAIN LIMIT for å redusere støynivået så mye som mulig. Optimaliser deretter FAST DIFF og DIFF GAIN for å redusere høyfrekvente støykomponenter slik det observeres på en spektrumanalysator. Merk at endringer i FAST GAIN og FAST INT kan være nødvendige for å optimalisere låsen når differensieringsenheten er introdusert.
I noen applikasjoner er feilsignalet båndbreddebegrenset og inneholder kun ukorrelert støy ved høye frekvenser. I slike scenarier er det ønskelig å begrense servoens handling ved høye frekvenser for å forhindre at denne støyen kobles tilbake til kontrollsignalet. Et filteralternativ er tilgjengelig for å redusere den raske servoresponsen over en bestemt frekvens. Dette alternativet er gjensidig utelukkende for differensieringsenheten, og bør prøves hvis aktivering av differensieringsenheten ser ut til å øke.
60
Forsterkning (dB)
Høyfrekvensavskjæring Dobbel integrator
RASK INT RASK FORSTERKNING
RASK DIFF DIFF FORSTERKNING (grense)
40
20
Integrator
0
RASK LF-FORSTERKNING (grense)
Integrator
Proporsjonal
Differentiator
Filter
LANGSOMT INT
20101
102
103
104
105
106
107
108
Fourierfrekvens [Hz]
Figur 4.3: Konseptuelt Bode-plott som viser virkningen av de raske (røde) og langsomme (blå) kontrollerne. Hjørnefrekvensene og forsterkningsgrensene justeres med knottene på frontpanelet som merket.
4.3 Optimalisering
31
den målte støyen.
Den langsomme servoen kan deretter optimaliseres for å minimere overreaksjonen på eksterne forstyrrelser. Uten den langsomme servoløkken betyr den høye forsterkningsgrensen at den raske servoen vil reagere på eksterne forstyrrelser (f.eks. akustisk kobling), og den resulterende endringen i strøm kan indusere modushopp i laseren. Det er derfor å foretrekke at disse (lavfrekvente) fluktuasjonene kompenseres i piezoen i stedet.
Justering av SLOW GAIN og SLOW INT vil ikke nødvendigvis gi en forbedring i feilsignalspekteret, men når det er optimalisert, vil det redusere følsomheten for akustiske forstyrrelser og forlenge låsens levetid.
På samme måte kan aktivering av dobbeltintegratoren (DIP2) forbedre stabiliteten ved å sikre at den totale forsterkningen til det langsomme servosystemet er høyere enn den raske servoen ved disse lavere frekvensene. Dette kan imidlertid føre til at den langsomme servoen overreagerer på lavfrekvente forstyrrelser, og dobbeltintegratoren anbefales kun hvis langvarige strømsvingninger destabiliserer låsen.
32
Kapittel 4. Søknad f.eks.ample: Pound-Drever Hall-låsen
A. Spesifikasjoner
Parameter
Spesifikasjon
Timing Forsterkning båndbredde (-3 dB) Forplantningsforsinkelse Ekstern modulasjonsbåndbredde (-3 dB)
> 35 MHz < 40 ns
> 35 MHz
Inngang A IN, B IN SWEEP IN GAIN IN MOD IN LOCK IN
SMA, 1 M, ±2 V SMA, 5 M, 1 til +0 V SMA, 2 M, ±5 V SMA, 1 M, ±2 V 5 mm hunnkontakt for lyd, TTL
Analoge innganger har overvolumtagBeskyttet opptil ±10 V. TTL-innganger tar < 1 V som lav, > 0 V som høy. LOCK IN-innganger er -2 V til 0 V, aktiv lav, og bruker ±0 µA.
33
34
Tillegg A. Spesifikasjoner
Parameter
Utgang SLOW UT FAST UT MONITOR 1, 2 TRIG STRØM A, B
Spesifikasjon
SMA, 50, 0 til +2 V, BW 5 kHz SMA, 20, ±50 V, BW > 2 MHz SMA, 5, BW > 20 MHz SMA, 50M, 20 til +1 V M0 hunnkontakt, ±5 V, 8 mA
All outputs are limited to ±5 V. 50 outputs 50 mA max (125 mW, +21 dBm).
Mekanisk og kraft
IEC-inngang
110 til 130 V ved 60 Hz eller 220 til 260 V ved 50 Hz
Sikring
5 x 20 mm anti-overspenning keramikk 230 V/0.25 A eller 115 V/0.63 A
Dimensjoner
B×H×D = 250 × 79 × 292 mm
Vekt
2 kg
Strømforbruk
< 10 W
Feilsøking
B.1 Laserfrekvensen skanner ikke
En MOGLabs DLC med eksternt piezo-kontrollsignal krever at det eksterne signalet må krysse 1.25 V. Hvis du er sikker på at det eksterne kontrollsignalet krysser 1.25 V, bekreft følgende:
· DLC-spennet er helt med klokken. · FREKVENSEN på DLC-en er null (bruk LCD-skjermen til å stille inn
Frekvens). · DIP9 (Ekstern sweep) på DLC-en er på. · DIP13 og DIP14 på DLC-en er av. · Låsebryteren på DLC-en er satt til SCAN. · SLOW OUT på FSC-en er koblet til SWEEP / PZT MOD-en
inngangen til DLC-en. · SWEEP på FSC er INT. · FSC-spennet er helt med klokken. · Koble FSC MONITOR 1 til et oscilloskop, sett MONI-
TOR 1-knott til RAMP og juster FREKVENSOFFSET til ramp er sentrert rundt 1.25 V.
Hvis kontrollene ovenfor ikke har løst problemet, kobler du FSC-en fra DLC-en og sørger for at laseren skanner når den styres med DLC-en. Kontakt MOGLabs for hjelp hvis det ikke lykkes.
35
36
Vedlegg B. Feilsøking
B.2 Når modulasjonsinngang brukes, flyter den raske utgangen til et stort volumtage
Når du bruker MOD IN-funksjonaliteten til FSC (DIP 4 aktivert), vil den raske utgangen vanligvis flyte til det positive volumet.tage-skinne, rundt 4 V. Sørg for at MOD IN er kortsluttet når den ikke er i bruk.
B.3 Store positive feilsignaler
I noen applikasjoner kan feilsignalet som genereres av applikasjonen være strengt positivt (eller negativt) og stort. I dette tilfellet kan det hende at REF-trimpoten og ERR OFFSET ikke gir tilstrekkelig DC-forskyvning til å sikre at ønsket låsepunkt sammenfaller med 0 V. I dette tilfellet kan både CH A og CH B brukes med INPUT-bryteren satt til , CH B satt til PD og med et DC-volum.tage påføres CH B for å generere forskyvningen som trengs for å sentrere låsepunktet. Som et eksempelampDvs. hvis feilsignalet er mellom 0 V og 5 V og låsepunktet var 2.5 V, kobles feilsignalet til kanal A og påføres 2.5 V på kanal B. Med riktig innstilling vil feilsignalet da være mellom -2 V og +5 V.
B.4 Raske utgangsskinner ved ±0.625 V
For de fleste MOGLabs ECDL-er, et volumtagEn svingning på ±0.625 V på den raske utgangen (tilsvarende ±0.625 mA injisert i laserdioden) er mer enn nødvendig for å låse til et optisk hulrom. I noen applikasjoner kreves et større område på den raske utgangen. Denne grensen kan økes ved et enkelt motstandsbytte. Ta kontakt med MOGLabs for mer informasjon om nødvendig.
B.5 Tilbakemelding må endre fortegn
Hvis den raske tilbakekoblingspolariteten endres, skyldes det vanligvis at laseren har gått over i en multimodustilstand (to eksterne hulromsmodi som oscillerer samtidig). Juster laserstrømmen for å oppnå singlemodusdrift, i stedet for å reversere tilbakekoblingspolariteten.
B.6 Skjermen sender ut feil signal
37
B.6 Skjermen sender ut feil signal
Under fabrikktesting verifiseres utgangen til hver av MONITOR-knappene. Over tid kan imidlertid settskruene som holder knappen på plass, løsne, og knappen kan skli, noe som fører til at knappen indikerer feil signal. Slik kontrollerer du:
· Koble utgangen på MONITOREN til et oscilloskop.
· Vri SPAN-knappen helt med klokken.
· Vri SKJERMEN til RAMPDu bør nå observere arampet signal i størrelsesorden 1 volt; hvis du ikke gjør det, er knottposisjonen feil.
· Selv om du observerer årampHvis knotten fortsatt er i feil posisjon, vri knotten én posisjon mer med klokken.
· Du skal nå ha et lite signal nær 0 V, og kanskje kan se en liten ramp på oscilloskopet i størrelsesorden titalls mV. Juster BIAS-trimpoten, så skal du se ampLiten av denne ramp endre.
· Hvis signalet på oscilloskopet endres når du justerer BIAS-trimpoten, er MONITOR-knottens posisjon riktig. Hvis ikke, må MONITOR-knottens posisjon justeres.
For å korrigere MONITOR-knottens posisjon, må utgangssignalene først identifiseres ved hjelp av en lignende prosedyre som ovenfor, og knottens posisjon kan deretter roteres ved å løsne de to settskruene som holder knotten på plass, med en 1.5 mm unbrakonøkkel eller kuletrekker.
B.7 Laser gjennomgår hopp i sakte modus
Hopp i sakte modus kan forårsakes av optisk tilbakekobling fra optiske elementer mellom laseren og hulrommet, for eksempelampfiberkoblere, eller fra selve det optiske hulrommet. Symptomer inkluderer frekvens
38
Vedlegg B. Feilsøking
hopp av den frittløpende laseren på langsomme tidsskalaer, i størrelsesorden 30 sekunder, hvor laserfrekvensen hopper med 10 til 100 MHz. Sørg for at laseren har tilstrekkelig optisk isolasjon, installer en annen isolator om nødvendig, og blokker eventuelle strålebaner som ikke brukes.
C. PCB-oppsett
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
U50 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
U66 R219
U68 R222
U67 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
U12 R25
P6
C377 C376
R64 R56 C51
MH1
C53
C79
C74
C18
C113 R174 R175 R176 R177
C120
R128
R126 C106
R127 R125
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
R139 R165
U44
C107
U45
C142
C144 R135 C145
R182
R178 R167
R181
RT1
C155 R149
C21 C12
U47
U46
U30 C108
U21 C77 U23 C82
U24 C64 U22 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
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
Tillegg C. Kretskortoppsett
D. 115/230 V konvertering
D.1 Sikring
Sikringen er en keramisk overspenningssikring, 0.25 A (230 V) eller 0.63 A (115 V), 5 x 20 mm, for eksempelample Littlefuse 0215.250MXP eller 0215.630MXP. Sikringsholderen er en rød patron rett over IEC-strøminntaket og hovedbryteren på baksiden av enheten (fig. D.1).
Figur D.1: Sikringspatron, som viser sikringsplassering for drift ved 230 V.
D.2 120/240 V konvertering
Kontrolleren kan drives av vekselstrøm på 50 til 60 Hz, 110 til 120 V (100 V i Japan) eller 220 til 240 V. For å konvertere mellom 115 V og 230 V, bør sikringspatronen fjernes og settes inn igjen slik at riktig volum blir riktig.tage synes gjennom dekselvinduet og riktig sikring (som ovenfor) er installert.
41
42
Tillegg D. 115/230 V konvertering
Figur D.2: Slik bytter du sikring eller volumtage. Åpne sikringspatrondekselet med en skrutrekker som settes inn i et lite spor på venstre kant av dekselet, rett til venstre for det røde volumet.tage indikator.
Når du fjerner sikringspatronen, setter du en skrutrekker inn i fordypningen til venstre for patronen; ikke prøv å trekke den ut med en skrutrekker på sidene av sikringsholderen (se bilder).
FEIL!
KORREKT
Figur D.3: For å ta ut sikringspatronen, sett en skrutrekker inn i et fordypning til venstre for patronen.
Ved endring av voltage. sikringen og en brokobling må byttes fra den ene siden til den andre, slik at brokoblingen alltid er nederst og sikringen alltid øverst; se figurene nedenfor.
D.2 120/240 V konvertering
43
Figur D.4: 230 V-bro (venstre) og sikring (høyre). Bytt bro og sikring når du bytter volum.tage, slik at sikringen forblir øverst når den settes inn.
Figur D.5: 115 V-bro (venstre) og sikring (høyre).
44
Tillegg D. 115/230 V konvertering
Bibliografi
[1] Alex Abramovici og Jake Chapsky. Tilbakekoblingskontrollsystemer: En hurtigveiledning for forskere og ingeniører. Springer Science & Business Media, 2012. 1
[2] Boris Lurie og Paul Enright. Klassisk tilbakekoblingskontroll: Med MATLAB® og Simulink®. CRC Press, 2011. 1
[3] Richard W. Fox, Chris W. Oates og Leo W. Hollberg. Stabilisering av diodelasere til svært fine hulrom. Eksperimentelle metoder i fysikk, 40:1, 46. 2003
[4] RWP Drever, JL Hall, FV Kowalski, J. Hough, GM Ford, AJ Munley og H. Ward. Laserfase- og frekvensstabilisering ved bruk av en optisk resonator. Appl. Phys. B, 31:97 105, 1983. 1
[5] TW Ha¨nsch og B. Couillaud. Laserfrekvensstabilisering ved polarisasjonsspektroskopi av et reflekterende referansehulrom. Optics communications, 35(3):441, 444. 1980
[6] M. Zhu og JL Hall. Stabilisering av optisk fase/frekvens i et lasersystem: anvendelse på en kommersiell fargelaser med en ekstern stabilisator. J. Opt. Soc. Am. B, 10:802, 1993. 1
[7] GC Bjorklund. Frekvensmodulasjonsspektroskopi: en ny metode for måling av svake absorpsjoner og dispersjoner. Opt. Lett., 5:15, 1980. 1
[8] Joshua S Torrance, Ben M Sparkes, Lincoln D Turner og Robert E Scholten. Innsnevring av laserlinjebredde på subkilohertz ved bruk av polarisasjonsspektroskopi. Optics express, 24(11):11396 11406, 2016. 1
45
[10] W. Demtröder. Laserspektroskopi, grunnleggende konsepter og instrumentering. Springer, Berlin, 2. utgave, 1996. 1
[11] LD Turner, KP Weber, CJ Hawthorn og RE Scholten. Frekvensstøykarakterisering av smale linjer med diodelasere. 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 Produktspesifikasjoner og beskrivelser i dette dokumentet kan endres uten varsel.
Dokumenter / Ressurser
 |
moglabs PID rask servokontroller [pdf] Bruksanvisning PID rask servokontroller, PID, rask servokontroller, servokontroller |