Controlador de servo rápido PID moglabs
Especificações
- Modelo: MOGLabs FSC
- Tipo: Servocontrolador
- Intended Use: Laser frequency stabilisation and linewidth narrowing
- Primary Application: High-bandwidth low-latency servo control
Instruções de uso do produto
Introdução
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.
Conexões e controles
Controles do painel frontal
The front panel controls are used for immediate adjustments and monitoring. These controls are essential for real-time adjustments during operation.
Controles e conexões do painel traseiro
The rear panel controls and connections provide interfaces for external devices and peripherals. Properly connecting these ensures smooth operation and compatibility with external systems.
Chaves DIP internas
The internal DIP switches offer additional configuration options. Understanding and correctly setting these switches are crucial for customizing the controller’s behavior.
Perguntas frequentes
uma empresa santec
Controlador servo rápido
Versão 1.0.9, Rev 2 hardware
Limitação de responsabilidade
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Introdução
O MOGLabs FSC fornece os elementos críticos de um servocontrolador de alta largura de banda e baixa latência, destinado principalmente à estabilização de frequência de laser e estreitamento de largura de linha. O FSC também pode ser usado para ampcontrole de luminosidade, por exemploamppara criar um “eliminador de ruído” que estabiliza a potência óptica de um laser, mas neste manual assumimos a aplicação mais comum de estabilização de frequência.
1.1 Teoria básica do controle de feedback
A estabilização da frequência de feedback dos lasers pode ser complicada. Incentivamos os leitores aview livros didáticos de teoria de controle [1, 2] e literatura sobre estabilização de frequência de laser [3].
O conceito de controle por feedback é mostrado esquematicamente na figura 1.1. A frequência do laser é medida com um discriminador de frequência que gera um sinal de erro proporcional à diferença entre a frequência instantânea do laser e a frequência desejada ou de ajuste. Os discriminadores comuns incluem cavidades ópticas e detecção por Pound-Drever-Hall (PDH) [4] ou Haßnsch-Couillaud [5]; bloqueio de offset [6]; ou muitas variações de espectroscopia de absorção atômica [7].
0
+
Sinal de erro
Servo
Sinal de controle
Laser
Discriminador de frequência dV/df
Figura 1.1: Diagrama de blocos simplificado de um circuito de controle de feedback.
1
2
Capítulo 1. Introdução
1.1.1 Sinais de erro
A principal característica comum do controle por feedback é que o sinal de erro utilizado para o controle deve inverter o sinal conforme a frequência do laser se desloca acima ou abaixo do ponto de ajuste, como na figura 1.2. A partir do sinal de erro, um servo ou compensador de feedback gera um sinal de controle para um transdutor no laser, de modo que a frequência do laser seja direcionada para o ponto de ajuste desejado. Fundamentalmente, esse sinal de controle mudará de sinal conforme o sinal de erro muda, garantindo que a frequência do laser seja sempre direcionada para o ponto de ajuste, em vez de se afastar dele.
Erro
Erro
f
0
Frequência f
f Frequência f
DESLOCAMENTO DE ERRO
Figura 1.2: Um sinal de erro dispersivo teórico, proporcional à diferença entre a frequência do laser e a frequência de referência. Um deslocamento no sinal de erro desloca o ponto de bloqueio (direita).
Observe a distinção entre um sinal de erro e um sinal de controle. Um sinal de erro é uma medida da diferença entre a frequência do laser real e a desejada, que, em princípio, é instantânea e isenta de ruído. Um sinal de controle é gerado a partir do sinal de erro por um servocompensador ou servocompensador de feedback. O sinal de controle aciona um atuador, como um transdutor piezoelétrico, a corrente de injeção de um diodo laser ou um modulador acústico-óptico ou eletro-óptico, de modo que a frequência do laser retorne ao ponto de ajuste. Atuadores têm funções de resposta complexas, com atrasos de fase finitos, ganho dependente da frequência e ressonâncias. Um compensador deve otimizar a resposta de controle para reduzir o erro ao mínimo possível.
1.1 Teoria básica do controle de feedback
3
1.1.2 Resposta de frequência de um servo de feedback
A operação de servos de feedback é geralmente descrita em termos da resposta de frequência de Fourier; ou seja, o ganho do feedback em função da frequência de uma perturbação. Por exemploampPor exemplo, uma perturbação comum é a frequência da rede elétrica, = 50 Hz ou 60 Hz. Essa perturbação alterará a frequência do laser em alguma quantidade, a uma taxa de 50 ou 60 Hz. O efeito da perturbação no laser pode ser pequeno (por exemplo, = 0 ± 1 kHz, onde 0 é a frequência do laser não perturbada) ou grande (= 0 ± 1 MHz). Independentemente do tamanho dessa perturbação, a frequência de Fourier da perturbação está em 50 ou 60 Hz. Para suprimir essa perturbação, um servo de feedback deve ter alto ganho em 50 e 60 Hz para poder compensar.
O ganho de um servocontrolador normalmente tem um limite de baixa frequência, geralmente definido pelo limite de ganho-largura de banda do opamps usados no servocontrolador. O ganho também deve cair abaixo do ganho unitário (0 dB) em frequências mais altas para evitar a indução de oscilações na saída de controle, como o conhecido ruído agudo dos sistemas de áudio (comumente chamado de "feedback de áudio"). Essas oscilações ocorrem para frequências acima do recíproco do atraso mínimo de propagação do sistema combinado de laser, discriminador de frequência, servo e atuador. Normalmente, esse limite é dominado pelo tempo de resposta do atuador. Para os piezos usados em lasers de diodo de cavidade externa, o limite é tipicamente de alguns kHz, e para a resposta de modulação de corrente do diodo laser, o limite é em torno de 100 a 300 kHz.
A Figura 1.3 apresenta um gráfico conceitual do ganho em função da frequência de Fourier para o FSC. Para minimizar o erro de frequência do laser, a área sob o gráfico de ganho deve ser maximizada. Os servocontroladores PID (proporcional, integral e diferencial) são uma abordagem comum, em que o sinal de controle é a soma de três componentes derivados do sinal de erro de entrada. A realimentação proporcional (P) busca compensar prontamente as perturbações, enquanto a realimentação integradora (I) fornece alto ganho para desvios e desvios lentos, e a realimentação diferencial (D) adiciona ganho extra para mudanças repentinas.
4
Capítulo 1. Introdução
Ganho (dB)
Corte de alta frequência Integrador duplo
60
INT RÁPIDO GANHO RÁPIDO
GANHO DE DIFERENCIAL RÁPIDO (limite)
40
20
Integrador
0
GANHO RÁPIDO DE LF (limite)
Integrador
Proporcional
Diferenciador
Filtro
INT LENTO
20101
102
103
104
105
106
107
108
Frequência de Fourier [Hz]
Figura 1.3: Diagrama de Bode conceitual mostrando a ação dos controladores rápido (vermelho) e lento (azul). O controlador lento é um integrador simples ou duplo com frequência de canto ajustável. O controlador rápido é um PID com frequências de canto ajustáveis e limites de ganho nas frequências baixas e altas. Opcionalmente, o diferenciador pode ser desabilitado e substituído por um filtro passa-baixa.
Conexões e controles
2.1 Controles do painel frontal
O painel frontal do FSC tem um grande número de opções de configuração que permitem que o comportamento do servo seja ajustado e otimizado.
Observe que os interruptores e opções podem variar entre as revisões de hardware. Consulte o manual do seu dispositivo específico, conforme indicado pelo número de série.
Controlador de servo rápido
Corrente alternada corrente contínua
ENTRADA
PD 0
REFERÊNCIA
CHB
+
SINAL RÁPIDO
+
SINAL LENTO
INT
75 100 250
50k 100k 200k
10M 5M 2.5M
50
500
20 mil
500k DE DESCONTO
1M
25
750 10k
1M 200k
750 mil
DESLIGADO
1k DE DESCONTO
2M 100k
500 mil
EXT
50 mil
250 mil
25 mil
100 mil
ESPAÇO
AVALIAR
INT LENTO
INT RÁPIDO
DIFERENÇA/FILTRO RÁPIDO
12
6
18
0
24
BIAS
DESLOCAMENTO DE FREQUÊNCIA
GANHO LENTO
GANHO RÁPIDO
GANHO DIFERENCIAL
30 20 10
0
40
50
ANINHADO
60
ESCANEAMENTO
TRAVA MÁXIMA
LENTO
LIMITE DE GANHO
ESCANEAR ESCANEAR+P
TRANCAR
RÁPIDO
DESLOCAMENTO DE ERRO
STATUS
ERROR LENTO
RAMP
ERRO RÁPIDO
BIAS
CHB
RÁPIDO
CHA
LENTO
MON1
ERROR LENTO
RAMP
ERRO RÁPIDO
BIAS
CHB
RÁPIDO
CHA
LENTO
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.
SINAL RÁPIDO Sinal de feedback rápido. SINAL LENTO Sinal de feedback lento.
5
6
Conexões e controles
2.1.2 Ramp controlar
O r internoamp O gerador fornece uma função de varredura para escanear a frequência do laser, normalmente por meio de um atuador piezoelétrico, corrente de injeção de diodo ou ambos. Uma saída de disparo sincronizada com o ramp é fornecido no painel traseiro (TRIG, 1M).
INT/EXT R interno ou externoamp para varredura de frequência.
Trimpot RATE para ajustar a taxa de varredura interna.
BIAS: Quando o DIP3 está habilitado, a saída lenta, escalonada por este trimpot, é adicionada à saída rápida. Essa polarização de avanço é normalmente necessária ao ajustar o atuador piezoelétrico de um ECDL para evitar o salto de modo. No entanto, essa funcionalidade já é fornecida por alguns controladores de laser (como o DLC MOGLabs) e deve ser usada somente quando não for fornecida em outro lugar.
SPAN Ajusta o ramp altura e, portanto, a extensão da varredura de frequência.
DESLOCAMENTO DE FREQUÊNCIA Ajusta o deslocamento CC na saída lenta, proporcionando efetivamente um deslocamento estático da frequência do laser.
2.1.3 Variáveis de loop
As variáveis de loop permitem o ganho dos sinais proporcionais, integradores e diferenciadorestages a serem ajustados. Para o integrador e o diferenciador stagou seja, o ganho é apresentado em termos da frequência de ganho unitária, às vezes chamada de frequência de canto.
SLOW INT Frequência de canto do servo integrador lento; pode ser desabilitada ou ajustada de 25 Hz a 1 kHz.
GANHO LENTO Ganho de servo lento de volta única; de -20 dB a +20 dB.
FAST INT Frequência de canto do servo integrador rápido; desligado ou ajustável de 10 kHz a 2 MHz.
2.1 Controles do painel frontal
7
GANHO RÁPIDO Ganho proporcional servo rápido de dez voltas; de -10 dB a +50 dB.
FAST DIFF/FILTER Controla a resposta do servo em alta frequência. Quando definido como "OFF", a resposta do servo permanece proporcional. Ao girar no sentido horário, o diferenciador é habilitado com a frequência de canto associada. Observe que a redução da frequência de canto aumenta a ação do diferenciador. Quando definido com um valor sublinhado, o diferenciador é desabilitado e, em vez disso, um filtro passa-baixa é aplicado à saída do servo. Isso faz com que a resposta apresente uma redução acima da frequência especificada.
GANHO DIFERENCIAL Limite de ganho de alta frequência no servo rápido; cada incremento altera o ganho máximo em 6 dB. Não tem efeito a menos que o diferenciador esteja habilitado; ou seja, a menos que FAST DIFF esteja definido com um valor não sublinhado.
2.1.4 Controles de bloqueio
LIMITE DE GANHO Limite de ganho de baixa frequência no servo rápido, em dB. MAX representa o ganho máximo disponível.
DESLOCAMENTO DE ERRO: Deslocamento CC aplicado aos sinais de erro quando o modo ENTRADA está definido como . Útil para ajuste preciso do ponto de travamento ou compensação de desvios no sinal de erro. O trimpot adjacente serve para ajustar o deslocamento de erro do servo lento em relação ao servo rápido e pode ser ajustado para garantir que os servos rápido e lento sejam acionados na mesma frequência exata.
SLOW Engata o servo lento alterando SCAN para LOCK. Quando definido como NESTED, o controle lento de volumetage é alimentado no sinal de erro rápido para ganho muito alto em baixas frequências na ausência de um atuador conectado à saída lenta.
FAST: controla o servo rápido. Quando configurado para SCAN+P, o feedback proporcional é alimentado na saída rápida enquanto o laser realiza a varredura, permitindo a calibração do feedback. Mudar para LOCK interrompe a varredura e ativa o controle PID total.
8
Capítulo 2. Conexões e controles
STATUS Indicador multicolorido que exibe o status da fechadura.
Verde Ligado, trava desabilitada. Laranja Trava acionada, mas sinal de erro fora do alcance, indicando que a trava está
falhou. Trava Azul ativada e o sinal de erro está dentro dos limites.
2.1.5 Monitoramento de sinal
Dois codificadores rotativos selecionam qual dos sinais especificados será direcionado para as saídas MONITOR 1 e MONITOR 2 do painel traseiro. A saída TRIG é uma saída compatível com TTL (1M) que alterna de baixo para alto no centro da varredura. A tabela abaixo define os sinais.
CHA CHB RÁPIDO ERR LENTO ERR RAMP VIÉS RÁPIDO LENTO
Entrada do canal A Entrada do canal B Sinal de erro usado pelo servo rápido Sinal de erro usado pelo servo lento Ramp conforme aplicado ao SLOW OUT Ramp conforme aplicado a FAST OUT quando DIP3 habilitado sinal de controle FAST OUT sinal de controle SLOW OUT
2.2 Controles e conexões do painel traseiro
9
2.2 Controles e conexões do painel traseiro
MONITOR 2 BLOQUEIO
MONITOR 1
ARRASAR PARA DENTRO
GANHO EM
B EM
A ENTRADA
Serial:
TRIG
SAIA RÁPIDO, SAIA DEVAGAR
MODO EM
POTÊNCIA B
POTÊNCIA A
Todos os conectores são SMA, exceto quando indicado. Todas as entradas são de sobretensão.tage protegido para ±15 V.
A potência IEC na unidade deve ser predefinida para o volume apropriadotage para o seu país. Consulte o apêndice D para obter instruções sobre como alterar o volume da fonte de alimentaçãotage se necessário.
Entradas de sinal de erro A IN, B IN para os canais A e B, normalmente fotodetectores. Alta impedância, faixa nominal de ±2 V. O canal B não é utilizado, a menos que a chave CHB no painel frontal esteja na posição PD.
POTÊNCIA A, B: Alimentação CC de baixo ruído para fotodetectores; ±12 V, 125 mA, fornecida através de um conector M8 (número de peça TE Connectivity 2-2172067-2, Digikey A121939-ND, macho de 3 vias). Compatível com PDAs MOGLabs e fotodetectores Thorlabs. Para uso com cabos M8 padrão, por exemplo.ample Digikey 277-4264-ND. Certifique-se de que os fotodetectores estejam desligados ao serem conectados às fontes de alimentação para evitar falhas em suas saídas.
GANHO EM VoltagGanho proporcional controlado eletronicamente do servo rápido, ±1 V, correspondendo à faixa completa do botão do painel frontal. Substitui o controle FAST GAIN do painel frontal quando o DIP1 está habilitado.
VARRER Externo ramp a entrada permite varredura de frequência arbitrária, de 0 a 2.5 V. O sinal deve cruzar 1.25 V, que define o centro da varredura e o ponto de bloqueio aproximado.
10
Capítulo 2. Conexões e controles
3 4
1 +12V
1
3 -12 V
4 0V
Figura 2.1: Pinagem do conector M8 para POWER A, B.
MOD IN Entrada de modulação de alta largura de banda, adicionada diretamente à saída rápida, ±1 V se DIP4 estiver ligado. Observe que, se DIP4 estiver ligado, MOD IN deve ser conectado a uma fonte de alimentação ou terminado corretamente.
SLOW OUT Saída de sinal de controle lento, 0 V a 2.5 V. Normalmente conectado a um driver piezo ou outro atuador lento.
FAST OUT Saída de sinal de controle rápido, ±2 V. Normalmente conectado à corrente de injeção de diodo, modulador acústico ou eletro-óptico ou outro atuador rápido.
MONITOR 1, 2 Saída de sinal selecionada para monitoramento.
TRIG Saída TTL baixa a alta no centro de varredura, 1M.
Controle de varredura/travamento TTL LOCK IN; conector estéreo de 3.5 mm, esquerdo/direito (pinos 2, 3) para trava lenta/rápida; nível baixo (terra) está ativo (ativa trava). A chave de varredura/travamento do painel frontal deve estar na posição SCAN para que o LOCK IN tenha efeito. O cabo Digikey CP-2207-ND possui um plugue de 3.5 mm com pontas de fio: vermelho para trava lenta, preto fino para trava rápida e preto grosso para terra.
321
1 Terra 2 Trava rápida 3 Trava lenta
Figura 2.2: Pinagem do conector estéreo de 3.5 mm para controle de varredura/bloqueio TTL.
2.3 Interruptores DIP internos
11
2.3 Interruptores DIP internos
Há vários interruptores DIP internos que fornecem opções adicionais, todos configurados como OFF por padrão.
AVISO Existe potencial para exposição a altas vol.tages dentro do FSC, especialmente em torno do fornecimento de energia.
DESLIGADO
1 Ganho rápido
Botão do painel frontal
2 Feedback lento Integrador único
3 Viés
Ramp apenas para desacelerar
4 MOD externo desabilitado
5 compensações
Normal
6 Varredura
Positivo
7 Acoplamento rápido DC
8 Deslocamento rápido
0
LIGADO Sinal externo Integrador duplo Ramp muito rápido e lento Habilitado Fixo no ponto médio Negativo CA -1 V
DIP 1 Se estiver LIGADO, o ganho rápido do servo será determinado pelo potencial aplicado ao conector GAIN IN do painel traseiro em vez do botão FAST GAIN do painel frontal.
O DIP 2 servo lento é um integrador simples (OFF) ou duplo (ON). Deve estar em OFF se estiver usando o modo de operação servo lento e rápido "aninhados".
DIP 3: Se LIGADO, gera uma corrente de polarização proporcional à saída lenta do servo para evitar saltos de modo. Habilite somente se ainda não estiver habilitado pelo controlador do laser. Deve estar DESLIGADO quando o FSC for usado em combinação com um DLC MOGLabs.
DIP 4: Se ativado, habilita a modulação externa através do conector MOD IN no painel traseiro. A modulação é adicionada diretamente à saída FAST OUT. Quando ativado, mas não em uso, a entrada MOD IN deve ser encerrada para evitar comportamentos indesejados.
DIP 5: Se ativado, desabilita o botão de deslocamento do painel frontal e fixa o deslocamento no ponto médio. Útil no modo de varredura externa, para evitar acionamentos acidentais.
12
Capítulo 2. Conexões e controles
alterando a frequência do laser pressionando o botão de deslocamento.
DIP 6 Inverte a direção da varredura.
DIP 7 CA rápido. Normalmente deve estar ligado, para que o sinal de erro rápido seja acoplado em CA aos servos de feedback, com constante de tempo de 40 ms (25 Hz).
DIP 8: Se estiver LIGADO, um deslocamento de -1 V será adicionado à saída rápida. O DIP8 deve estar desligado quando o FSC for usado com lasers MOGLabs.
Feedback control loops
O FSC possui dois canais de feedback paralelos que podem acionar dois atuadores simultaneamente: um atuador "lento", normalmente usado para alterar a frequência do laser em grandes quantidades em escalas de tempo lentas, e um segundo atuador "rápido". O FSC fornece controle preciso de cada um.tage do loop do servo, bem como uma varredura (ramp) gerador e monitoramento de sinal conveniente.
ENTRADA
ENTRADA
+
AC
DESLOCAMENTO DE ERRO
DC
A ENTRADA
A
0v
+
B
B EM
0v +
VREF
0v
CHB
SINAL RÁPIDO CA rápido [7] Bloco CC
SINAL LENTO
MODULAÇÃO E VARREDURA
AVALIAR
Ramp
EM TEXTO
Declive [6] VARRER PARA DENTRO
ESPAÇO
0v
+
DESVIO
MODO EM
0v
Mod [4]
0v
Deslocamento fixo [5]
0v
TRIG
0v 0v
+
BIAS
0v 0v
Viés [3]
TRAVAR (RÁPIDO) TRAVAR (LENTO) RÁPIDO = TRAVAR LENTO = TRAVAR
Varredura LF
SAÍDA RÁPIDA +
SERVO RÁPIDO
GANHO EM GANHO RÁPIDO
Ganho externo [1] P
+
I
+
0v
ANINHADO
RÁPIDO = TRAVAR TRAVAR (RÁPIDO)
D
0v
SERVO LENTO
Erro lento Ganho GANHO LENTO
INT LENTO
#1
Varredura LF
INT LENTO
+
#2
0v
Integrador duplo [2]
DESACELERE
Figura 3.1: Esquema do MOGLabs FSC. Os rótulos verdes referem-se aos controles no painel frontal e às entradas no painel traseiro, os marrons às chaves DIP internas e os roxos às saídas no painel traseiro.
13
14
Capítulo 3. Loops de controle de feedback
3.1 Entradastage
A entrada stage do FSC (figura 3.2) gera um sinal de erro como VERR = VA – VB – VOFFSET. VA é obtido do conector SMA “A IN” e VB é definido usando a chave seletora CHB, que escolhe entre o conector SMA “B IN”, VB = 0 ou VB = VREF conforme definido pelo trimpot adjacente.
O controlador atua para direcionar o sinal de erro em direção a zero, o que define o ponto de bloqueio. Algumas aplicações podem se beneficiar de pequenos ajustes no nível CC para ajustar esse ponto de bloqueio, o que pode ser obtido com o botão ERR OFFSET de 10 voltas para um deslocamento de até ±0 V, desde que o seletor INPUT esteja no modo "offset" (). Deslocamentos maiores podem ser obtidos com o trimpot REF.
ENTRADA
ENTRADA
+ CA
DESLOCAMENTO DE ERRO
DC
A ENTRADA
A
0v
+
B
B EM
SINAL RÁPIDO CA rápido [7] FE ERRO RÁPIDO
Bloco CC
Erro rápido
0v +
VREF
0v
CHB
SINAL LENTO
Erro lento SE SLOW ERR
Figura 3.2: Esquema das entradas do FSCtage mostrando controles de acoplamento, offset e polaridade. Hexágonos são sinais monitorados disponíveis através dos interruptores seletores do monitor no painel frontal.
3.2 Loop de servo lento
A Figura 3.3 mostra a configuração de feedback lento do FSC. Um ganho variável stage é controlado com o botão SLOW GAIN do painel frontal. A ação do controlador é um integrador simples ou duplo
3.2 Loop de servo lento
15
dependendo se o DIP2 está habilitado. A constante de tempo do integrador lento é controlada pelo botão SLOW INT do painel frontal, que é rotulado em termos da frequência de canto associada.
SERVO LENTO
Erro lento Ganho GANHO LENTO
Integradores
INT LENTO
#1
Varredura LF
INT LENTO
+
#2
0v
Integrador duplo [2]
DESACELERE
LF LENTO
Figura 3.3: Esquema do servo I/I2 de feedback lento. Hexágonos são sinais monitorados disponíveis através dos interruptores seletores do painel frontal.
Com um único integrador, o ganho aumenta com frequências de Fourier mais baixas, com inclinação de 20 dB por década. Adicionar um segundo integrador aumenta a inclinação para 40 dB por década, reduzindo o offset de longo prazo entre as frequências real e de ajuste. Aumentar demais o ganho resulta em oscilação, pois o controlador "reage exageradamente" às mudanças no sinal de erro. Por esse motivo, às vezes é benéfico restringir o ganho da malha de controle em baixas frequências, onde uma resposta alta pode causar um salto de modo do laser.
O servo lento oferece amplo alcance para compensar desvios de longo prazo e perturbações acústicas, enquanto o atuador rápido possui curto alcance, mas alta largura de banda para compensar perturbações rápidas. O uso de um integrador duplo garante que o servo lento tenha a resposta dominante em baixas frequências.
Para aplicações que não incluem um atuador lento separado, o sinal de controle lento (erro de integração simples ou dupla) pode ser adicionado ao rápido ajustando a chave SLOW para "NESTED". Neste modo, recomenda-se desabilitar o integrador duplo no canal lento com DIP2 para evitar a integração tripla.
16
Capítulo 3. Loops de controle de feedback
3.2.1 Medindo a resposta lenta do servo
O circuito servo lento foi projetado para compensação de desvio lento. Para observar a resposta do circuito lento:
1. Defina MONITOR 1 como SLOW ERR e conecte a saída a um osciloscópio.
2. Defina o MONITOR 2 como LENTO e conecte a saída a um osciloscópio.
3. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
4. Ajuste o botão ERR OFFSET até que o nível DC mostrado no monitor SLOW ERR esteja próximo de zero.
5. Ajuste o botão FREQ OFFSET até que o nível DC mostrado no monitor SLOW esteja próximo de zero.
6. Defina os volts por divisão no osciloscópio para 10 mV por divisão para ambos os canais.
7. Ative o loop do servo lento configurando o modo SLOW como LOCK.
8. Ajuste lentamente o botão ERR OFFSET de modo que o nível CC mostrado no monitor SLOW ERR se mova acima e abaixo de zero em 10 mV.
9. À medida que o sinal de erro integrado muda de sinal, você observará uma lenta mudança na saída em 250 mV.
Observe que o tempo de resposta para o servo lento atingir seu limite depende de uma série de fatores, incluindo o ganho lento, a constante de tempo do integrador lento, integração simples ou dupla e o tamanho do sinal de erro.
3.2 Loop de servo lento
17
3.2.2 Volume de saída lentotage swing (apenas para séries FSC A04… e abaixo)
A saída do circuito de controle do servo lento é configurada para uma faixa de 0 a 2.5 V para compatibilidade com um DLC MOGLabs. A entrada de controle piezoelétrico DLC SWEEP possui um volumetagO ganho é de 48, de modo que a entrada máxima de 2.5 V resulta em 120 V no piezo. Quando o loop do servo lento é acionado, a saída lenta oscila apenas ±25 mV em relação ao seu valor anterior ao acionamento. Essa limitação é intencional, para evitar saltos no modo laser. Quando a saída lenta do FSC é usada com um DLC MOGLabs, uma oscilação de 50 mV na saída do canal lento do FSC corresponde a uma oscilação de 2.4 V no volume do piezo.tage que corresponde a uma mudança na frequência do laser de cerca de 0.5 a 1 GHz, comparável à faixa espectral livre de uma cavidade de referência típica.
Para uso com diferentes controladores de laser, uma alteração maior na saída lenta bloqueada do FSC pode ser possibilitada por meio de uma simples troca de resistor. O ganho na saída do loop de feedback lento é definido por R82/R87, a razão entre os resistores R82 (500 kΩ) e R87 (100 kΩ). Para aumentar a saída lenta, aumente R82/R87, o que é mais facilmente alcançado reduzindo R87, conectando outro resistor em paralelo (encapsulamento SMD, tamanho 0402). Por exemplo:ampPor exemplo, adicionar um resistor de 30 kV em paralelo com o resistor de 100 kV existente resultaria em uma resistência efetiva de 23 kV, proporcionando um aumento na oscilação lenta da saída de ±25 mV para ±125 mV. A Figura 3.4 mostra o layout da placa de circuito impresso do FSC em torno deamp U16.
R329
U16
C36
C362 R85 R331 C44 R87
C71
C35
R81 R82
Figura 3.4: Layout do PCB FSC em torno da operação de ganho lento finalamp U16, com resistores de ajuste de ganho R82 e R87 (circulados); tamanho 0402.
18
Capítulo 3. Loops de controle de feedback
3.3 Loop de servo rápido
O servo de feedback rápido (figura 3.5) é um circuito PID que fornece controle preciso sobre cada um dos componentes de feedback proporcional (P), integral (I) e diferencial (D), bem como sobre o ganho geral de todo o sistema. A saída rápida do FSC pode oscilar de -2.5 V a 2.5 V, o que, quando configurado com um laser de diodo de cavidade externa MOGLabs, pode fornecer uma oscilação de corrente de ±2.5 mA.
SERVO RÁPIDO
GANHO EM
Ganho externo [1]
GANHO RÁPIDO
Erro rápido
Controle lento
0v
+ ANINHADO
RÁPIDO = TRAVAR TRAVAR (RÁPIDO)
PI
D
0v
+
Controle rápido
Figura 3.5: Esquema do controlador PID servo de feedback rápido.
A Figura 3.6 mostra um diagrama conceitual da ação dos loops de servo rápido e lento. Em baixas frequências, o loop integrador rápido (I) domina. Para evitar que o loop de servo rápido reaja exageradamente a perturbações externas (acústicas) de baixa frequência, um limite de ganho de baixa frequência é aplicado, controlado pelo botão GAIN LIMIT.
Em frequências médias (10 kHz1 MHz), o feedback proporcional (P) predomina. A frequência de canto do ganho unitário, na qual o feedback proporcional excede a resposta integrada, é controlada pelo botão FAST INT. O ganho geral do loop P é definido pelo trimpot FAST GAIN ou por meio de um sinal de controle externo através do conector GAIN IN no painel traseiro.
3.3 Loop de servo rápido
19
60
Ganho (dB)
Corte de alta frequência Integrador duplo
INT RÁPIDO GANHO RÁPIDO
GANHO DE DIFERENCIAL RÁPIDO (limite)
40
20
Integrador
0
GANHO RÁPIDO DE LF (limite)
Integrador
Proporcional
Diferenciador
Filtro
INT LENTO
20101
102
103
104
105
106
107
108
Frequência de Fourier [Hz]
Figura 3.6: Diagrama de Bode conceitual mostrando a ação dos controladores rápido (vermelho) e lento (azul). O controlador lento é um integrador simples ou duplo com frequência de canto ajustável. O controlador rápido é um compensador PID com frequências de canto ajustáveis e limites de ganho nas frequências baixas e altas. Opcionalmente, o diferenciador pode ser desabilitado e substituído por um filtro passa-baixa.
Altas frequências (1 MHz) normalmente exigem que o loop diferenciador domine para melhor travamento. O diferenciador fornece compensação de fase para o tempo de resposta finito do sistema e possui um ganho que aumenta a 20 dB por década. A frequência de canto do loop diferencial pode ser ajustada através do botão FAST DIFF/FILTER para controlar a frequência na qual a realimentação diferencial predomina. Se o FAST DIFF/FILTER estiver definido como OFF, o loop diferencial será desativado e a realimentação permanecerá proporcional em frequências mais altas. Para evitar oscilação e limitar a influência do ruído de alta frequência quando o loop de realimentação diferencial estiver ativado, há um limite de ganho ajustável, DIFF GAIN, que restringe o diferenciador em altas frequências.
Um diferenciador geralmente não é necessário, e o compensador pode se beneficiar da filtragem passa-baixa da resposta rápida do servo para reduzir ainda mais a influência do ruído. Gire o FAST DIFF/FILTER
20
Capítulo 3. Loops de controle de feedback
botão no sentido anti-horário a partir da posição OFF para definir a frequência de redução para o modo de filtragem.
O servo rápido possui três modos de operação: SCAN, SCAN+P e LOCK. Quando configurado para SCAN, a realimentação é desabilitada e apenas a polarização é aplicada à saída rápida. Quando configurado para SCAN+P, a realimentação proporcional é aplicada, o que permite a determinação do sinal e do ganho do servo rápido enquanto a frequência do laser ainda está em varredura, simplificando o procedimento de travamento e sintonia (consulte §4.2). No modo LOCK, a varredura é interrompida e a realimentação PID completa é ativada.
3.3.1 Medindo a resposta rápida do servo
As duas seções a seguir descrevem a medição do feedback proporcional e diferencial para mudanças no sinal de erro. Use um gerador de funções para simular um sinal de erro e um osciloscópio para medir a resposta.
1. Conecte o MONITOR 1, 2 a um osciloscópio e ajuste os seletores para FAST ERR e FAST .
2. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
3. Conecte o gerador de funções à entrada CHA.
4. Configure o gerador de funções para produzir uma onda senoidal de 100 Hz de 20 mV pico a pico.
5. Ajuste o botão ERR OFFSET de modo que o sinal de erro senoidal, como visto no monitor FAST ERR, fique centrado em torno de zero.
3.3.2 Medição da resposta proporcional · Reduza o span para zero girando o botão SPAN totalmente no sentido anti-horário.
· Defina FAST como SCAN+P para ativar o loop de feedback proporcional.
3.3 Loop de servo rápido
21
· No osciloscópio, a saída FAST do FSC deve mostrar uma onda senoidal de 100 Hz.
· Ajuste o botão FAST GAIN para variar o ganho proporcional do servo rápido até que a saída seja a mesma ampiitude como entrada.
· Para medir a resposta de frequência de feedback proporcional, ajuste a frequência do gerador de funções e monitore a ampamplitude da resposta de saída FAST. Por exemploampisto é, aumente a frequência até que ampa amplitude é reduzida pela metade para encontrar a frequência de ganho de -3 dB.
3.3.3 Medição da resposta diferencial
1. Defina FAST INT como OFF para desligar o loop do integrador.
2. Defina o FAST GAIN como unidade usando as etapas descritas na seção acima.
3. Defina o DIFF GAIN como 0 dB.
4. Defina FAST DIFF/FILTER para 100 kHz.
5. Varie a frequência do gerador de funções de 100 kHz para 3 MHz e monitore a saída FAST.
6. Ao varrer a frequência do sinal de erro, você deverá ver ganho unitário em todas as frequências.
7. Defina o DIFF GAIN como 24 dB.
8. Agora, ao varrer a frequência do sinal de erro, você deve notar um aumento de inclinação de 20 dB por década após 100 kHz, que começará a diminuir em 1 MHz, mostrando a operação.amp limitações de largura de banda.
O ganho da saída rápida pode ser alterado alterando os valores dos resistores, mas o circuito é mais complexo do que para o feedback lento (§3.2.2). Entre em contato com a MOGLabs para obter mais informações, se necessário.
22
Capítulo 3. Loops de controle de feedback
3.4 Modulação e varredura
A varredura a laser é controlada por um gerador de varredura interno ou por um sinal de varredura externo. A varredura interna é um dente de serra com período variável, definido por uma chave seletora interna de quatro posições (Apêndice C) e um trimpot de rotação única RATE no painel frontal.
Os loops de servo rápido e lento podem ser acionados individualmente por meio de sinais TTL para os interruptores do painel frontal associados no painel traseiro. Definir qualquer loop como LOCK interrompe a varredura e ativa a estabilização.
MODULAÇÃO E VARREDURA
EM TEXTO
TRIG
AVALIAR
Ramp
Declive [6] VARRER PARA DENTRO
ESPAÇO
0v
+
DESVIO
0v
0v
Deslocamento fixo [5]
Controle rápido MOD IN
Mod [4]
0v
0v 0v
+
BIAS
0v 0v
Viés [3]
TRAVE (RÁPIDO)
TRAVE (DEVAGAR)
RÁPIDO = TRAVAR LENTO = TRAVAR
RAMP RA
Varredura LF
PRECONCEITO BS
SAÍDA RÁPIDA +
HF RÁPIDO
Figura 3.7: Varredura, modulação externa e polarização de corrente de alimentação direta.
O ramp também pode ser adicionado à saída rápida habilitando o DIP3 e ajustando o trimpot BIAS, mas muitos controladores de laser (como o MOGLabs DLC) gerarão a corrente de polarização necessária com base no sinal do servo lento, caso em que não é necessário gerá-la também dentro do FSC.
4. Aplicação example: Bloqueio de Pound-Drever Hall
Uma aplicação típica do FSC é o bloqueio de frequência de um laser em uma cavidade óptica usando a técnica PDH (fig. 4.1). A cavidade atua como um discriminador de frequência, e o FSC mantém o laser em ressonância com a cavidade, controlando o piezoelétrico e a corrente do laser através de suas saídas SLOW e FAST, respectivamente, reduzindo a largura de linha do laser. Uma nota de aplicação separada (AN002) está disponível, fornecendo orientações práticas detalhadas sobre a implementação de um dispositivo PDH.
Osciloscópio
TRIG
CH1
CH2
Laser
Mod atual Piezo SMA
MOE
PBS
PD
Controlador DLC
MOD PZT
AC
Cavidade LPF
MONITOR 2 MONITOR 1 TRAVAMENTO
GANHE MAIS
B EM
A ENTRADA
Serial:
TRIG
SAÍDA RÁPIDA SAÍDA DEVAGAR MOD IN
PODER B PODER A
Figura 4.1: Esquema simplificado para o bloqueio da cavidade PDH usando o FSC. Um modulador eletro-óptico (MOE) gera bandas laterais, que interagem com a cavidade, gerando reflexões que são medidas no fotodetector (PD). A demodulação do sinal do fotodetector produz um sinal de erro PDH.
Vários outros métodos podem ser usados para gerar sinais de erro, que não serão discutidos aqui. O restante deste capítulo descreve como obter um bloqueio após a geração de um sinal de erro.
23
24
Capítulo 4. Aplicação example: Bloqueio de Pound-Drever Hall
4.1 Configuração do laser e do controlador
O FSC é compatível com uma variedade de lasers e controladores, desde que configurados corretamente para o modo de operação desejado. Ao operar um ECDL (como os lasers MOGLabs CEL ou LDL), os requisitos para o laser e o controlador são os seguintes:
· Modulação de alta largura de banda diretamente na cabeceira do laser ou no modulador de fase intracavitário.
· Alto volumetage controle piezoelétrico a partir de um sinal de controle externo.
· Geração de feed-forward (“corrente de polarização”) para lasers que requerem uma polarização de 1 mA em toda a sua faixa de varredura. O FSC é capaz de gerar uma corrente de polarização internamente, mas a faixa pode ser limitada pela eletrônica da placa de cabeça ou pela saturação do modulador de fase, portanto, pode ser necessário usar a polarização fornecida pelo controlador do laser.
Os controladores de laser e cabeceiras MOGLabs podem ser facilmente configurados para atingir o comportamento necessário, conforme explicado abaixo.
4.1.1 Configuração da cabeceira
Os lasers MOGLabs incluem uma placa de cabeça interna que conecta os componentes ao controlador. Uma placa de cabeça que inclua modulação rápida de corrente por meio de um conector SMA é necessária para a operação com o FSC. A placa de cabeça deve ser conectada diretamente à saída rápida do FSC.
A placa de cabeça B1240 é altamente recomendada para máxima largura de banda de modulação, embora o B1040 e o B1047 sejam substitutos aceitáveis para lasers incompatíveis com o B1240. A placa de cabeça possui diversos jumpers que devem ser configurados para entrada DC acoplada e bufferizada (BUF), quando aplicável.
4.2 Obtendo um bloqueio inicial
25
4.1.2 Configuração do DLC
Embora o FSC possa ser configurado para varredura interna ou externa, é significativamente mais simples usar o modo de varredura interna e definir o DLC como um dispositivo escravo da seguinte maneira:
1. Conecte SLOW OUT ao SWEEP / PZT MOD no DLC.
2. Habilite o DIP9 (varredura externa) no DLC. Certifique-se de que os DIP13 e DIP14 estejam desativados.
3. Desabilite o DIP3 (geração de polarização) do FSC. O DLC gera automaticamente a polarização de alimentação direta de corrente a partir da entrada de varredura, portanto, não é necessário gerar uma polarização dentro do FSC.
4. Ajuste o SPAN no DLC para o máximo (sentido horário total).
5. Defina FREQUÊNCIA no DLC como zero usando o visor LCD para mostrar Frequência.
6. Certifique-se de que SWEEP no FSC seja INT.
7. Ajuste FREQ OFFSET para médio e SPAN para máximo no FSC e observe a varredura a laser.
8. Se a varredura estiver na direção errada, inverta o DIP4 do FSC ou o DIP11 do DLC.
É importante que o botão SPAN do DLC não seja ajustado após a configuração acima, pois isso afetará o loop de feedback e poderá impedir o bloqueio do FSC. Os controles do FSC devem ser usados para ajustar a varredura.
4.2 Obtendo um bloqueio inicial
Os controles SPAN e OFFSET do FSC podem ser usados para ajustar o laser para varrer o ponto de bloqueio desejado (por exemplo, ressonância de cavidade) e ampliar uma varredura menor ao redor da ressonância. O seguinte
26
Capítulo 4. Aplicação example: Bloqueio de Pound-Drever Hall
As etapas são ilustrativas do processo necessário para obter uma trava estável. Os valores listados são indicativos e precisarão ser ajustados para aplicações específicas. Mais orientações sobre como otimizar a trava são fornecidas na §4.3.
4.2.1 Bloqueio com feedback rápido
1. Conecte o sinal de erro à entrada A IN no painel traseiro.
2. Certifique-se de que o sinal de erro seja da ordem de 10 mVpp.
3. Set INPUT to (offset mode) and CHB to 0.
4. Ajuste o MONITOR 1 para FAST ERR e observe em um osciloscópio. Ajuste o botão ERR OFFSET até que o nível CC exibido seja zero. Se não for necessário usar o botão ERROR OFFSET para ajustar o nível CC do sinal de erro, a chave INPUT pode ser ajustada para CC e o botão ERROR OFFSET não terá efeito, evitando ajustes acidentais.
5. Reduza o GANHO RÁPIDO para zero.
6. Defina FAST como SCAN+P, defina SLOW como SCAN e localize a ressonância usando os controles de varredura.
7. Aumente o FAST GAIN até que o sinal de erro pareça "esticar", como mostrado na figura 4.2. Caso isso não seja observado, inverta a chave FAST SIGN e tente novamente.
8. Defina FAST DIFF como OFF e GAIN LIMIT como 40. Reduza FAST INT para 100 kHz.
9. Defina o modo FAST como LOCK e o controlador será bloqueado no cruzamento por zero do sinal de erro. Pode ser necessário fazer pequenos ajustes no FREQ OFFSET para bloquear o laser.
10. Otimize o bloqueio ajustando o FAST GAIN e o FAST INT enquanto observa o sinal de erro. Pode ser necessário bloquear novamente o servo após ajustar o integrador.
4.2 Obtendo um bloqueio inicial
27
Figura 4.2: A varredura do laser com feedback somente P na saída rápida, enquanto a varredura na saída lenta, faz com que o sinal de erro (laranja) se estenda quando o sinal e o ganho estão corretos (direita). Em uma aplicação PDH, a transmissão da cavidade (azul) também se estenderá.
11. Alguns aplicativos podem se beneficiar aumentando o FAST DIFF para melhorar a resposta do loop, mas isso normalmente não é necessário para obter um bloqueio inicial.
4.2.2 Bloqueio com feedback lento
Uma vez que o bloqueio é alcançado com o feedback rápido proporcional e integrador, o feedback lento deve então ser acionado para levar em conta desvios lentos e sensibilidade a perturbações acústicas de baixa frequência.
1. Ajuste SLOW GAIN para médio alcance e SLOW INT para 100 Hz.
2. Defina o modo FAST como SCAN+P para desbloquear o laser e ajuste SPAN e OFFSET para que você possa ver o cruzamento por zero.
3. Configure o MONITOR 2 para SLOW ERR e observe em um osciloscópio. Ajuste o trimpot ao lado de ERR OFFSET para zerar o sinal de erro lento. O ajuste deste trimpot afetará apenas o nível CC do sinal de erro lento, não o sinal de erro rápido.
4. Bloqueie novamente o laser configurando o modo FAST como LOCK e faça os pequenos ajustes necessários em FREQ OFFSET para bloquear o laser.
28
Capítulo 4. Aplicação example: Bloqueio de Pound-Drever Hall
5. Ajuste o modo SLOW para LOCK e observe o sinal de erro de slow. Se o servo slow travar, o nível CC do erro de slow pode mudar. Se isso ocorrer, anote o novo valor do sinal de erro, ajuste SLOW novamente para SCAN e use o trimpot de compensação de erro para aproximar o sinal de erro de slow unlock do valor travado e tente travar novamente o slow lock.
6. Repita a etapa anterior de bloqueio lento do laser, observando a alteração de CC no erro lento e ajustando o trimpot de deslocamento de erro até que o acionamento do bloqueio lento não produza uma alteração mensurável no valor do sinal de erro de bloqueio lento versus bloqueio rápido.
O trimpot de compensação de erro ajusta pequenas diferenças (mV) nos deslocamentos rápidos e lentos do sinal de erro. O ajuste do trimpot garante que os circuitos compensadores de erro rápido e lento travem o laser na mesma frequência.
7. Se o servo destravar imediatamente ao engatar o bloqueio lento, tente inverter o SINAL LENTO.
8. Se o servo lento ainda desbloquear imediatamente, reduza o ganho lento e tente novamente.
9. Depois que um bloqueio lento estável for alcançado com o trimpot ERR OFFSET definido corretamente, ajuste SLOW GAIN e SLOW INT para melhorar a estabilidade do bloqueio.
4.3 Otimização
A finalidade do servo é travar o laser no cruzamento por zero do sinal de erro, que idealmente seria identicamente zero quando travado. O ruído no sinal de erro é, portanto, uma medida da qualidade do travamento. A análise espectral do sinal de erro é uma ferramenta poderosa para compreender e otimizar o feedback. Analisadores de espectro de RF podem ser usados, mas são comparativamente caros e têm alcance dinâmico limitado. Uma boa placa de som (24 bits, 192 kHz, por exemplo, Lynx L22)
4.3 Otimização
29
fornece análise de ruído de até uma frequência de Fourier de 96 kHz com faixa dinâmica de 140 dB.
Idealmente, o analisador de espectro seria utilizado com um discriminador de frequência independente, insensível às flutuações de potência do laser [11]. Bons resultados podem ser obtidos monitorando o sinal de erro dentro do circuito, mas uma medição fora do circuito é preferível, como a medição da transmissão da cavidade em uma aplicação PDH. Para analisar o sinal de erro, conecte o analisador de espectro a uma das saídas MONITOR configuradas como FAST ERR.
O bloqueio de alta largura de banda normalmente envolve primeiro obter um bloqueio estável usando apenas o servo rápido e, em seguida, usar o servo lento para melhorar a estabilidade do bloqueio a longo prazo. O servo lento é necessário para compensar a deriva térmica e as perturbações acústicas, que resultariam em um salto de modo se compensado apenas com a corrente. Em contraste, técnicas simples de bloqueio, como a espectroscopia de absorção saturada, são normalmente obtidas primeiro obtendo-se um bloqueio estável com o servo lento e, em seguida, usando o servo rápido para compensar apenas as flutuações de frequência mais alta. Pode ser útil consultar o diagrama de Bode (figura 4.3) ao interpretar o espectro do sinal de erro.
Ao otimizar o FSC, recomenda-se otimizar primeiro o servo rápido por meio da análise do sinal de erro (ou transmissão através da cavidade) e, em seguida, o servo lento para reduzir a sensibilidade a perturbações externas. Em particular, o modo SCAN+P oferece uma maneira conveniente de obter o sinal de feedback e o ganho aproximadamente corretos.
Observe que alcançar o bloqueio de frequência mais estável requer uma otimização cuidadosa de muitos aspectos do aparelho, não apenas dos parâmetros do FSC. Por exemploample, residual ampA modulação de amplitude (RAM) em um aparelho PDH resulta em desvio no sinal de erro, que o servo não consegue compensar. Da mesma forma, uma relação sinal-ruído (SNR) ruim alimenta o ruído diretamente no laser.
Em particular, o alto ganho dos integradores significa que o bloqueio pode ser sensível aos loops de aterramento na cadeia de processamento de sinal e
30
Capítulo 4. Aplicação example: Bloqueio de Pound-Drever Hall
Deve-se tomar cuidado para eliminá-los ou mitigá-los. O aterramento do FSC deve estar o mais próximo possível do controlador do laser e de qualquer componente eletrônico envolvido na geração do sinal de erro.
Um procedimento para otimizar o servo rápido é definir FAST DIFF como OFF e ajustar FAST GAIN, FAST INT e GAIN LIMIT para reduzir o nível de ruído o máximo possível. Em seguida, otimize FAST DIFF e DIFF GAIN para reduzir os componentes de ruído de alta frequência observados em um analisador de espectro. Observe que alterações em FAST GAIN e FAST INT podem ser necessárias para otimizar o bloqueio após a introdução do diferenciador.
Em algumas aplicações, o sinal de erro é limitado pela largura de banda e contém apenas ruído não correlacionado em altas frequências. Nesses cenários, é desejável limitar a ação do servo em altas frequências para evitar o acoplamento desse ruído de volta ao sinal de controle. Uma opção de filtro é fornecida para reduzir a resposta rápida do servo acima de uma frequência específica. Essa opção é mutuamente exclusiva para o diferenciador e deve ser testada se a ativação do diferenciador aumentar a resposta.
60
Ganho (dB)
Corte de alta frequência Integrador duplo
INT RÁPIDO GANHO RÁPIDO
GANHO DE DIFERENCIAL RÁPIDO (limite)
40
20
Integrador
0
GANHO RÁPIDO DE LF (limite)
Integrador
Proporcional
Diferenciador
Filtro
INT LENTO
20101
102
103
104
105
106
107
108
Frequência de Fourier [Hz]
Figura 4.3: Diagrama de Bode conceitual mostrando a ação dos controladores rápido (vermelho) e lento (azul). As frequências de canto e os limites de ganho são ajustados com os botões do painel frontal, conforme indicado.
4.3 Otimização
31
o ruído medido.
O servo lento pode então ser otimizado para minimizar a reação exagerada a perturbações externas. Sem o laço do servo lento, o limite de ganho alto significa que o servo rápido responderá a perturbações externas (por exemplo, acoplamento acústico) e a mudança resultante na corrente pode induzir saltos de modo no laser. Portanto, é preferível que essas flutuações (de baixa frequência) sejam compensadas no piezo.
Ajustar o SLOW GAIN e o SLOW INT não produzirá necessariamente uma melhoria no espectro do sinal de erro, mas quando otimizado, reduzirá a sensibilidade a perturbações acústicas e prolongará a vida útil da fechadura.
Da mesma forma, a ativação do integrador duplo (DIP2) pode melhorar a estabilidade, garantindo que o ganho geral do sistema servo lento seja maior do que o do servo rápido nessas frequências mais baixas. No entanto, isso pode fazer com que o servo lento reaja exageradamente a perturbações de baixa frequência, e o integrador duplo só é recomendado se desvios de corrente de longo prazo estiverem desestabilizando a trava.
32
Capítulo 4. Aplicação example: Bloqueio de Pound-Drever Hall
A. Especificações
Parâmetro
Especificação
Largura de banda de ganho de tempo (-3 dB) Atraso de propagação Largura de banda de modulação externa (-3 dB)
> 35 MHz < 40 ns
> 35 MHz
Entrada A IN, B IN SWEEP IN GAIN IN MOD IN LOCK IN
SMA, 1 M, ±2 V SMA, 5 M, 1 a +0 V SMA, 2 M, ±5 V SMA, 1 M, ±2 V Conector de áudio fêmea de 5 mm, TTL
As entradas analógicas estão sobrecarregadastage protegido até ±10 V. As entradas TTL recebem < 1 V como baixo, > 0 V como alto. As entradas LOCK IN são de -2 V a 0 V, ativas baixas, consumindo ±0 µA.
33
34
Apêndice A. Especificações
Parâmetro
Saída SLOW OUT FAST OUT MONITOR 1, 2 TRIG POWER A, B
Especificação
SMA, 50 , 0 a +2 5 V, BW 20 kHz SMA, 50 , ±2 5 V, BW > 20 MHz SMA, 50 , BW > 20 MHz SMA, 1M , 0 a +5 V Conector fêmea M8, ±12 V, 125 mA
All outputs are limited to ±5 V. 50 outputs 50 mA max (125 mW, +21 dBm).
Poder mecânico
Entrada IEC
110 a 130 V a 60 Hz ou 220 a 260 V a 50 Hz
Fusível
5x20mm cerâmica anti-surto 230 V/0.25 A ou 115 V/0.63 A
Dimensões
L×A×P = 250 × 79 × 292 mm
Peso
2 kg
Uso de energia
< 10 W
Solução de problemas
B.1 Frequência do laser não escaneada
Um DLC MOGLabs com sinal de controle piezo externo requer que o sinal externo ultrapasse 1.25 V. Se você tiver certeza de que seu sinal de controle externo ultrapassa 1.25 V, confirme o seguinte:
· O intervalo do DLC é totalmente no sentido horário. · A FREQUÊNCIA no DLC é zero (usando o visor LCD para definir
Frequência). · DIP9 (varredura externa) do DLC está ligado. · DIP13 e DIP14 do DLC estão desligados. · A chave seletora de bloqueio no DLC está definida para SCAN. · SLOW OUT do FSC está conectado ao MODO SWEEP / PZT
entrada do DLC. · SWEEP no FSC é INT. · O span do FSC é totalmente no sentido horário. · Conecte o FSC MONITOR 1 a um osciloscópio, defina o MONI-
Botão TOR 1 para RAMP e ajuste FREQ OFFSET até que ramp é centrado em cerca de 1.25 V.
Se as verificações acima não resolverem o problema, desconecte o FSC do DLC e verifique se o laser faz a varredura quando controlado pelo DLC. Entre em contato com a MOGLabs para obter assistência caso não consiga.
35
36
Apêndice B. Solução de problemas
B.2 Ao usar a entrada de modulação, a saída rápida flutua para um grande volumetage
Ao usar a funcionalidade MOD IN do FSC (DIP 4 habilitado), a saída rápida normalmente flutuará para o volume positivotage trilho, cerca de 4 V. Certifique-se de que o MOD IN esteja em curto quando não estiver em uso.
B.3 Grandes sinais de erro positivos
Em algumas aplicações, o sinal de erro gerado pela aplicação pode ser estritamente positivo (ou negativo) e grande. Nesse caso, o trimpot REF e o ERR OFFSET podem não fornecer deslocamento CC suficiente para garantir que o ponto de bloqueio desejado coincida com 0 V. Nesse caso, tanto o canal A quanto o canal B podem ser usados com a chave seletora INPUT configurada para , o canal B configurado para PD e com um valor de volume CC.tage aplicado ao CH B para gerar o deslocamento necessário para centralizar o ponto de bloqueio. Como um exemploampou seja, se o sinal de erro estiver entre 0 V e 5 V e o ponto de bloqueio for 2.5 V, conecte o sinal de erro ao CH A e aplique 2.5 V ao CH B. Com a configuração apropriada, o sinal de erro estará entre -2 V e +5 V.
B.4 Trilhos de saída rápida a ±0.625 V
Para a maioria dos ECDLs do MOGLabs, um voltagA oscilação de ±0.625 V na saída rápida (correspondente a ±0.625 mA injetado no diodo laser) é maior do que o necessário para o travamento em uma cavidade óptica. Em algumas aplicações, é necessária uma faixa maior na saída rápida. Esse limite pode ser aumentado com uma simples troca de resistor. Entre em contato com a MOGLabs para obter mais informações, se necessário.
B.5 O feedback precisa mudar o sinal
Se a polaridade do feedback rápido mudar, normalmente é porque o laser entrou em um estado multimodo (dois modos de cavidade externa oscilando simultaneamente). Ajuste a corrente do laser para obter operação monomodo, em vez de inverter a polaridade do feedback.
B.6 O monitor emite sinal errado
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B.6 O monitor emite sinal errado
Durante os testes de fábrica, a saída de cada um dos botões MONITOR é verificada. No entanto, com o tempo, os parafusos de fixação que prendem o botão podem afrouxar e o botão pode escorregar, fazendo com que indique o sinal errado. Para verificar:
· Conecte a saída do MONITOR a um osciloscópio.
· Gire o botão SPAN totalmente no sentido horário.
· Gire o MONITOR para RAMP. Agora você deve observar arampsinal na ordem de 1 volt; caso contrário, a posição do botão está incorreta.
· Mesmo que você observe arampsinal, a posição do botão ainda pode estar errada, gire o botão mais uma posição no sentido horário.
· Agora você deve ter um pequeno sinal próximo a 0 V e talvez possa ver um pequeno ramp no osciloscópio na ordem de dezenas de mV. Ajuste o trimpot BIAS e você deverá ver o ampluminosidade deste ramp mudar.
· Se o sinal no osciloscópio mudar conforme você ajusta o trimpot BIAS, a posição do botão MONITOR estará correta; caso contrário, a posição do botão MONITOR precisará ser ajustada.
Para corrigir a posição do botão MONITOR, os sinais de saída devem primeiro ser identificados usando um procedimento semelhante ao acima, e a posição do botão pode então ser girada afrouxando os dois parafusos de fixação que prendem o botão no lugar, com uma chave Allen de 1.5 mm ou uma chave de fenda de esfera.
B.7 O laser passa por saltos de modo lento
Os saltos de modo lento podem ser causados pelo feedback óptico dos elementos ópticos entre o laser e a cavidade, por exemploampacopladores de fibra óptica ou da própria cavidade óptica. Os sintomas incluem frequência
38
Apêndice B. Solução de problemas
Saltos do laser em movimento livre em escalas de tempo lentas, da ordem de 30 s, onde a frequência do laser salta de 10 a 100 MHz. Certifique-se de que o laser tenha isolamento óptico suficiente, instalando outro isolador se necessário, e bloqueie quaisquer caminhos do feixe que não estejam sendo utilizados.
C. Layout do PCB
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
R103U28
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
R169U43
C132
C182 R157 C197
C189 R155 C201
C181 R156
C173
U56
C198 R193
C206
R189
C174
C196
U52
R196 R154 R151 R152 R153
R204 C187 C176 C179
U53
C180 C188 C190
C178
C200
C207
U54
C209
U55 C191
C192
C208 R205
U62 C210
R217 C177
C227 C241 C243 C242 R221
R223 C263
C232
C231
C225
U59
C226
C259
C237
C238
C240 C239
R206
U60
C261
R207 C260 R215
R218
R216
U61 C262
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
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
Sub-21 C77 Sub-23 C82
Sub-24 C64 Sub-22 C81
U19 C61
R68 R67 U20 C32
P7
C97 R116
C80 R94
U36 C143
C151
R179
R150 C156
R183
R136 C154
C175
C252
C220
C228 C229 C230
U63
C248
C247
C211
C212 C213 C214
U64
C251
C250
C215
C219
R208 R209 C224
C218 C253
U65
C256
C255 C254
C249 C233
C246 C245
C274
C244
C264
C268 R230
C276
C271
C267
C275
R238 R237 R236 R235 R240 R239
R328
REF1 R257
C285 R246
C286 C284
R242
U73
R247
C281 R243
C280
U74
C287
R248
C289 R251 R252
R233 R227 R232
C282 R244 R245
U75
R269
C288 R250 R249
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
Apêndice C. Layout do PCB
D. Conversão 115/230 V
D.1 Fusível
O fusível é um anti-surto cerâmico, 0.25A (230V) ou 0.63A (115V), 5x20mm, por exemploampLittlefuse 0215.250MXP ou 0215.630MXP. O porta-fusível é um cartucho vermelho logo acima da entrada de energia IEC e do interruptor principal na parte traseira da unidade (Fig. D.1).
Figura D.1: Cartucho de fusíveis, mostrando o posicionamento do fusível para operação em 230 V.
D.2 Conversão 120/240 V
O controlador pode ser alimentado por CA de 50 a 60 Hz, 110 a 120 V (100 V no Japão) ou 220 a 240 V. Para converter entre 115 V e 230 V, o cartucho do fusível deve ser removido e reinserido de forma que o volume corretotage aparece através da janela de cobertura e o fusível correto (como acima) está instalado.
41
42
Apêndice D. Conversão 115/230 V
Figura D.2: Para trocar o fusível ou o vol.tage, abra a tampa do cartucho do fusível com uma chave de fenda inserida em uma pequena ranhura na borda esquerda da tampa, logo à esquerda do vol vermelhotage indicador.
Ao remover o cartucho do fusível, insira uma chave de fenda no recesso à esquerda do cartucho; não tente extrair usando uma chave de fenda nas laterais do porta-fusível (veja as figuras).
ERRADO!
CORRETO
Figura D.3: Para extrair o cartucho do fusível, insira uma chave de fenda em um recesso à esquerda do cartucho.
Ao mudar o voltage, o fusível e um clipe de ponte devem ser trocados de um lado para o outro, de modo que o clipe de ponte fique sempre na parte inferior e o fusível sempre na parte superior; veja as figuras abaixo.
D.2 Conversão 120/240 V
43
Figura D.4: Ponte de 230 V (esquerda) e fusível (direita). Troque a ponte e o fusível ao mudar o volume.tage, de modo que o fusível permaneça na posição mais alta quando inserido.
Figura D.5: Ponte de 115 V (esquerda) e fusível (direita).
44
Apêndice D. Conversão 115/230 V
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