moglabs PID snabb servoregulator
Specifikationer
- Modell: MOGLabs FSC
- Typ: Servoregulator
- Avsedd användning: Laserfrekvensstabilisering och linjebreddsförminskning
- Primär tillämpning: Servostyrning med hög bandbredd och låg latens
Produktanvändningsinstruktioner
Introduktion
MOGLabs FSC är utformad för att ge servostyrning med hög bandbredd och låg latens för laserfrekvensstabilisering och linjebreddsminskning.
Grundläggande teori för återkopplingskontroll
Återkopplingsfrekvensstabilisering av lasrar kan vara komplex. Det rekommenderas attview Läroböcker i reglerteknik och litteratur om laserfrekvensstabilisering för en bättre förståelse.
Anslutningar och kontroller
Kontroller på frontpanelen
Frontpanelens kontroller används för omedelbara justeringar och övervakning. Dessa kontroller är viktiga för justeringar i realtid under drift.
Bakpanelens kontroller och anslutningar
Kontrollerna och anslutningarna på bakpanelen tillhandahåller gränssnitt för externa enheter och kringutrustning. Korrekt anslutning av dessa säkerställer smidig drift och kompatibilitet med externa system.
Interna DIP-omkopplare
De interna DIP-switcharna erbjuder ytterligare konfigurationsalternativ. Att förstå och korrekt ställa in dessa switchar är avgörande för att anpassa regulatorns beteende.
FAQ
ett Santec-företag
Snabb servoregulator
Version 1.0.9, Rev 2 hårdvara
Ansvarsbegränsning
MOG Laboratories Pty Ltd (MOGLabs) tar inte på sig något ansvar som uppstår till följd av användningen av informationen i denna manual. Det här dokumentet kan innehålla eller referera till information och produkter som skyddas av upphovsrätt eller patent och förmedlar ingen licens under MOGLabs patenträttigheter eller andras rättigheter. MOGLabs kommer inte att hållas ansvarigt för några defekter i hårdvara eller mjukvara eller förlust eller otillräcklighet av data av något slag, eller för några direkta, indirekta, tillfälliga skador eller följdskador i samband med eller som uppstår ur prestanda eller användning av någon av dess produkter. . Ovanstående ansvarsbegränsning ska vara lika tillämplig på alla tjänster som tillhandahålls av MOGLabs.
Upphovsrätt
Copyright © MOG Laboratories Pty Ltd (MOGLabs) 2017 2025. Ingen del av denna publikation får reproduceras, lagras i ett hämtningssystem eller överföras, i någon form eller på något sätt, elektroniskt, mekaniskt, fotokopiering eller på annat sätt, utan föregående skriftlig tillstånd från MOGLabs.
Kontakta
För ytterligare information, vänligen kontakta:
MOG Laboratories P/L 49 University St Carlton VIC 3053 AUSTRALIEN +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
Introduktion
MOGLabs FSC tillhandahåller de kritiska elementen i en servokontroller med hög bandbredd och låg latens, främst avsedd för laserfrekvensstabilisering och linjebreddsförminskning. FSC kan också användas för ampljuskontroll, till exempelample för att skapa en "brusätare" som stabiliserar laserns optiska effekt, men i den här manualen antar vi den vanligaste tillämpningen av frekvensstabilisering.
1.1 Grundläggande teori för återkopplingskontroll
Återkopplingsfrekvensstabilisering av lasrar kan vara komplicerat. Vi uppmuntrar läsarna att läsa omview läroböcker i reglerteknik [1, 2] och litteratur om laserfrekvensstabilisering [3].
Konceptet med återkopplingskontroll visas schematiskt i figur 1.1. Laserns frekvens mäts med en frekvensdiskriminator som genererar en felsignal som är proportionell mot skillnaden mellan den momentana laserfrekvensen och den önskade eller inställda frekvensen. Vanliga diskriminatorer inkluderar optiska kaviteter och Pound-Drever-Hall (PDH) [4] eller Hänsch-Couillaud [5] detektion; offsetlåsning [6]; eller många varianter av atomabsorptionsspektroskopi [7].
0
+
Felsignal
Servo
Styrsignal
Laser
dV/df-frekvensdiskriminator
Figur 1.1: Förenklat blockschema över en återkopplingsstyrslinga.
1
2
Kapitel 1. Inledning
1.1.1 Felsignaler
Den viktigaste gemensamma egenskapen för återkopplingsstyrning är att felsignalen som används för styrning ska ha omvänd tecken när laserfrekvensen skiftar över eller under börvärdet, som i figur 1.2. Från felsignalen genererar ett återkopplingsservo eller en kompensator en styrsignal för en givare i lasern, så att laserfrekvensen drivs mot önskat börvärde. Avgörande är att denna styrsignal kommer att ändra tecken när felsignalen ändrar tecken, vilket säkerställer att laserfrekvensen alltid trycks mot börvärdet, snarare än bort från det.
Fel
Fel
f
0
Frekvens f
f Frekvens f
FELOFFSET
Figur 1.2: En teoretisk dispersiv felsignal, proportionell mot skillnaden mellan en laserfrekvens och en börvärdesfrekvens. En förskjutning på felsignalen förskjuter låspunkten (höger).
Observera skillnaden mellan en felsignal och en styrsignal. En felsignal är ett mått på skillnaden mellan den faktiska och önskade laserfrekvensen, vilken i princip är momentan och brusfri. En styrsignal genereras från felsignalen av ett återkopplingsservo eller en kompensator. Styrsignalen driver ett ställdon, såsom en piezoelektrisk givare, injektionsströmmen från en laserdiod eller en akustooptisk eller elektrooptisk modulator, så att laserfrekvensen återgår till börvärdet. Ställdon har komplicerade svarsfunktioner, med ändliga fasfördröjningar, frekvensberoende förstärkning och resonanser. En kompensator bör optimera styrsvaret för att minska felet till ett minimum.
1.1 Grundläggande teori för återkopplingskontroll
3
1.1.2 Frekvensrespons hos ett återkopplingsservo
Funktionen hos återkopplingsservon beskrivs vanligtvis i termer av Fourierfrekvenssvaret; det vill säga återkopplingens förstärkning som en funktion av störningens frekvens. Till exempelampEn vanlig störning är t.ex. nätfrekvensen = 50 Hz eller 60 Hz. Den störningen kommer att förändra laserfrekvensen med en viss mängd, med en hastighet av 50 eller 60 Hz. Störningens effekt på lasern kan vara liten (t.ex. = 0 ± 1 kHz där 0 är den ostörda laserfrekvensen) eller stor (= 0 ± 1 MHz). Oavsett störningens storlek är störningens Fourierfrekvens antingen vid 50 eller 60 Hz. För att undertrycka störningen bör ett återkopplingsservo ha hög förstärkning vid 50 och 60 Hz för att kunna kompensera.
Förstärkningen hos en servoregulator har vanligtvis en lågfrekvensgräns, vanligtvis definierad av förstärknings-bandbreddsgränsen för operatören.amps som används i servoregulatorn. Förstärkningen måste också falla under enhetsförstärkningen (0 dB) vid högre frekvenser för att undvika att orsaka oscillationer i styrutgången, såsom det välbekanta högfrekventa skriket från ljudsystem (vanligtvis kallat "ljudåterkoppling"). Dessa oscillationer uppstår för frekvenser över det reciproka värdet av den minsta utbredningsfördröjningen för det kombinerade laser-, frekvensdiskriminator-, servo- och ställdonsystemet. Vanligtvis domineras denna gräns av ställdonets svarstid. För de piezoelement som används i externa kavitetsdiodlasrar är gränsen vanligtvis några kHz, och för laserdiodens strömmodulationssvar ligger gränsen runt 100 till 300 kHz.
Figur 1.3 är ett konceptuellt diagram över förstärkning mot Fourierfrekvens för FSC. För att minimera laserfrekvensfelet bör arean under förstärkningsdiagrammet maximeras. PID-servoregulatorer (proportionella integral- och differentialregulatorer) är en vanlig metod, där styrsignalen är summan av tre komponenter som härleds från den enda ingångsfelsignalen. Den proportionella återkopplingen (P) försöker snabbt kompensera för störningar, medan integratoråterkopplingen (I) ger hög förstärkning för offsets och långsamma drifter, och differentialåterkopplingen (D) ger extra förstärkning för plötsliga förändringar.
4
Kapitel 1. Inledning
Vinst (dB)
Högfrekvensgräns Dubbelintegrator
60
SNABB INT SNABB FÖRSTÄRKNING
SNABB DIFF DIFF-FÖRSTÄRKNING (gräns)
40
20
integrator
0
SNABB LF-FÖRSTÄRKNING (gräns)
integrator
Proportionell
Differentierare
Filtrera
LÅNGSAM INT
20101
102
103
104
105
106
107
108
Fourierfrekvens [Hz]
Figur 1.3: Konceptuellt Bode-diagram som visar funktionen hos de snabba (röda) och långsamma (blå) regulatorerna. Den långsamma regulatorn är antingen en enkel- eller dubbelintegrator med justerbar hörnfrekvens. Den snabba regulatorn är PID med justerbara hörnfrekvenser och förstärkningsgränser vid låga och höga frekvenser. Alternativt kan differentiatorn inaktiveras och ersättas med ett lågpassfilter.
Anslutningar och kontroller
2.1 Kontroller på frontpanelen
Frontpanelen på FSC har ett stort antal konfigurationsalternativ som gör det möjligt att finjustera och optimera servobeteendet.
Observera att brytare och alternativ kan variera mellan hårdvaruversioner. Se manualen för din specifika enhet enligt serienumret.
Snabb servokontroller
AC DC
INPUT
PD 0
REF
CHB
+
SNABB TECKNING
+
LÅNGSAMT SKYLT
INT
75 100 250
50k 100k 200k
10M 5M 2.5M
50
500
20k
500k AV
1M
25
750 10k
1 miljon 200 XNUMX
750k
AV
1k AV
2 miljon 100 XNUMX
500k
EXT
50k
250k
25k
100k
SPÄNNA
HASTIGHET
LÅNGSAM INT
FAST INT
SNABB DIFF/FILTER
12
6
18
0
24
FÖRDOM
FREKVENSOFFSET
LÅNGSAM FÖRSTÄRKNING
SNABB FÖRSTÄRKNING
DIFF-FÖRSTÄRKNING
30 20 10
0
40
50
NESTAD
60
AVSÖKA
MAX LÅS
LÅNGSAM
FÖRSTÄRKNINGSGRÄNS
SKANNA SKANNA+P
LÅSA
SNABB
FELOFFSET
STATUS
LÅNGSAMT FEL
RAMP
SNABB FEL
FÖRDOM
CHB
SNABB
CHA
LÅNGSAM
MON1
LÅNGSAMT FEL
RAMP
SNABB FEL
FÖRDOM
CHB
SNABB
CHA
LÅNGSAM
MON2
2.1.1 Konfiguration INGÅNG Väljer kopplingsläge för felsignal; se figur 3.2. AC Snabb felsignal är AC-kopplad, långsam felsignal är DC-kopplad. DC Både snabba och långsamma felsignaler är DC-kopplade. Signalerna är DC-kopplade, och frontpanelens ERROR OFFSET tillämpas för styrning av låspunkten. CHB Väljer ingång för kanal B: fotodetektor, jord eller en variabel referens på 0 till 2.5 V inställd med intilliggande trimpot.
SNABBTECKEN Tecken på snabb återkoppling. LÅNGSAMT TECKEN Tecken på långsam återkoppling.
5
6
Anslutningar och kontroller
2.1.2 Ramp kontrollera
Den interna ramp Generatorn tillhandahåller en svepfunktion för att skanna laserfrekvensen, vanligtvis via en piezoaktuator, diodinjektionsström eller båda. En triggerutgång synkroniserad med ramp finns på bakpanelen (TRIG, 1M).
INT/EXT Intern eller extern ramp för frekvensskanning.
RATE Trimpot för att justera den interna svephastigheten.
BIAS När DIP3 är aktiverat läggs den långsamma utgången, skalad av denna trimpot, till den snabba utgången. Denna bias-framkoppling krävs vanligtvis vid justering av piezoaktuatorn på en ECDL för att förhindra modhoppning. Denna funktion finns dock redan i vissa laserstyrenheter (som MOGLabs DLC) och bör endast användas när den inte finns någon annanstans.
SPAN Justerar ramp höjden, och därmed frekvenssvepets omfattning.
FREKVENSOFFSET Justerar DC-offseten på den långsamma utgången, vilket effektivt ger en statisk förskjutning av laserfrekvensen.
2.1.3 Loopvariabler
Loopvariablerna tillåter förstärkning av proportional-, integrator- och differentiatorvariablernatagsom ska justeras. För integratorn och differentiatorntagJa, förstärkningen presenteras i termer av enhetsförstärkningsfrekvensen, ibland kallad hörnfrekvensen.
SLOW INT Hörnfrekvensen för den långsamma servointegratorn; kan avaktiveras eller justeras från 25 Hz till 1 kHz.
LÅNGSOM FÖRSTÄRKNING Långsam servoförstärkning med ett varv; från -20 dB till +20 dB.
FAST INT Hörnfrekvens för den snabba servointegratorn; av eller justerbar från 10 kHz till 2 MHz.
2.1 Kontroller på frontpanelen
7
SNABB FÖRSTÄRKNING Tiovarvs snabb servoproportionell förstärkning; från -10 dB till +50 dB
SNABB DIFF/FILTER Styr servosvaret för högfrekventa signaler. När den är inställd på "AV" förblir servosvaret proportionellt. När den vrids medurs aktiveras differentiatorn med tillhörande hörnfrekvens. Observera att en minskning av hörnfrekvensen ökar differentiatorns funktion. När den är inställd på ett understruket värde inaktiveras differentiatorn och istället appliceras ett lågpassfilter på servoutgången. Detta gör att svaret avtar över den angivna frekvensen.
DIFF GAIN Högfrekvent förstärkningsgräns på det snabba servot; varje steg ändrar den maximala förstärkningen med 6 dB. Har ingen effekt om inte differentiatorn är aktiverad; det vill säga om inte FAST DIFF är inställt på ett värde som inte är understruket.
2.1.4 Låskontroller
FÖRSTÄRKNINGSGRÄNS Lågfrekvensförstärkningsgräns på det snabba servot, i dB. MAX representerar maximalt tillgänglig förstärkning.
FELOFFSET DC-offset tillämpas på felsignalerna när INPUT-läget är inställt på . Användbart för exakt inställning av låspunkten eller för att kompensera för drift i felsignalen. Den intilliggande trimpoten är till för att justera feloffsetet för det långsamma servot i förhållande till det snabba servot, och kan justeras för att säkerställa att de snabba och långsamma servona kör mot exakt samma frekvens.
LÅNGSAM Aktiverar det långsamma servot genom att ändra SCAN till LOCK. När den är inställd på NESTED, aktiveras det långsamma styrvolymen.tage matas in i den snabba felsignalen för mycket hög förstärkning vid låga frekvenser i frånvaro av ett ställdon anslutet till den långsamma utgången.
FAST Styr det snabba servot. När den är inställd på SCAN+P matas den proportionella återkopplingen in i den snabba utgången medan lasern skannar, vilket gör att återkopplingen kan kalibreras. Om ändring till LOCK stoppas skanningen och full PID-reglering aktiveras.
8
Kapitel 2. Anslutningar och kontroller
STATUS Flerfärgad indikator som visar låsets status.
Grön Ström påslagen, lås inaktiverat. Orange Låset aktiverat men felsignalen är utanför räckhåll, vilket indikerar att låset är
har misslyckats. Blå lås aktiverat och felsignalen är inom gränserna.
2.1.5 Signalövervakning
Två roterande kodare väljer vilken av de angivna signalerna som ska dirigeras till utgångarna MONITOR 1 och MONITOR 2 på bakpanelen. TRIG-utgången är en TTL-kompatibel utgång (1M) som växlar från låg till hög i mitten av svepsignalen. Tabellen nedan definierar signalerna.
CHA CHB SNABB FEL LÅNGSAM FEL RAMP BIAS SNABB LÅNGSAM
Kanal A-ingång Kanal B-ingång Felsignal som används av det snabba servot Felsignal som används av det långsamma servot Ramp som tillämpas på SLOW OUT Ramp som tillämpas på FAST OUT när DIP3 är aktiverad FAST OUT-styrsignal SLOW OUT-styrsignal
2.2 Kontroller och anslutningar på bakpanelen
9
2.2 Kontroller och anslutningar på bakpanelen
LÅS AV MONITOR 2
MONITOR 1
SOPA IN
VINST
B IN
A IN
Serie:
TRIG
SNABB UT LÅNGSAMT UT
MOD IN
KRAFT B
KRAFT A
Alla kontakter är SMA, förutom vad som anges. Alla ingångar är övervolymsförsedda.tage skyddad till ±15 V.
IEC-strömförsörjningen Enheten bör vara förinställd på lämplig volymtage för ditt land. Se bilaga D för instruktioner om hur du ändrar strömförsörjningens volymtage om det behövs.
A IN, B IN Felsignalingångar för kanalerna A och B, vanligtvis fotodetektorer. Hög impedans, nominellt område ±2 V. Kanal B används inte om inte CHB-omkopplaren på frontpanelen är inställd på PD.
EFFEKT A, B Lågbrusig likström för fotodetektorer; ±12 V, 125 mA, matad via en M8-kontakt (TE Connectivity artikelnummer 2-2172067-2, Digikey A121939-ND, 3-vägs hane). Kompatibel med MOGLabs PDA- och Thorlabs-fotodetektorer. Ska användas med standard M8-kablar, till exempelample Digikey 277-4264-ND. Se till att fotodetektorerna är avstängda när de ansluts till strömförsörjningen för att förhindra att deras utgångar slingrar sig.
VINST I VoltagE-styrd proportionell förstärkning av snabbservo, ±1 V, motsvarande hela intervallet för frontpanelens ratt. Ersätter frontpanelens FAST GAIN-kontroll när DIP1 är aktiverad.
SVEP IN Extern ramp Ingången möjliggör godtycklig frekvensskanning, 0 till 2.5 V. Signalen måste korsa 1.25 V, vilket definierar svepets centrum och den ungefärliga låspunkten.
10
Kapitel 2. Anslutningar och kontroller
3 4 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX
1 +12 V
1
3-12 V.
4 0V
Figur 2.1: M8-kontaktens stiftuttag för POWER A, B.
MOD IN Högbandbreddsmoduleringsingång, läggs direkt till snabb utgång, ±1 V om DIP4 är på. Observera att om DIP4 är på ska MOD IN vara ansluten till en strömförsörjning eller korrekt terminerad.
LÅNGSAMT GÅNG Långsam styrsignalutgång, 0 V till 2.5 V. Normalt ansluten till en piezodrivare eller annan långsam ställdon.
SNABB UT Snabb styrsignalutgång, ±2 5 V. Normalt ansluten till diodinjektionsström, akusto- eller elektrooptisk modulator eller annan snabb ställdon.
MONITOR 1, 2 Vald signalutgång för övervakning.
TRIG Låg till hög TTL-utgång vid svepcentrum, 1M.
LOCK IN TTL-skannings-/låskontroll; 3.5 mm stereokontakt, vänster/höger (stift 2, 3) för långsam/snabb låsning; låg (jord) är aktiv (aktivera låsning). Skannings-/låsbrytaren på frontpanelen måste vara på SCAN för att LOCK IN ska fungera. Digikey-kabeln CP-2207-ND har en 3.5 mm-kontakt med trådändar; röd för långsam låsning, tunn svart för snabb låsning och tjock svart för jord.
321
1 Jord 2 Snabb låsning 3 Långsam låsning
Figur 2.2: 3.5 mm stereokontaktens stiftuttag för TTL-skanning/låsningskontroll.
2.3 Interna DIP-omkopplare
11
2.3 Interna DIP-omkopplare
Det finns flera interna DIP-switchar som ger ytterligare alternativ, alla inställda på AV som standard.
VARNING Det finns risk för exponering för höga volymertaginuti FSC, särskilt runt strömförsörjningen.
AV
1 Snabb förstärkning
Frontpanelens vred
2 Långsam återkoppling Enkel integrator
3 Bias
Ramp att bara sakta ner
4 Extern MOD inaktiverad
5 förskjutningar
Normal
6 Sopa
Positiv
7 Snabbkopplande DC
8 Snabb förskjutning
0
PÅ Extern signal Dubbelintegrator Ramp för snabbt och långsamt Aktiverad Fast vid mittpunkten Negativ AC -1 V
DIP 1 Om den är PÅ, bestäms snabb servoförstärkning av potentialen som appliceras på GAIN IN-anslutningen på bakpanelen istället för FAST GAIN-ratten på frontpanelen.
DIP 2 Långsamt servo är en enkel (AV) eller dubbel (PÅ) integrator. Bör vara AV om "kapslade" långsamma och snabba servodriftslägen används.
DIP 3 Om PÅ, generera en biasström i proportion till den långsamma servoutgången för att förhindra lägeshopp. Aktivera endast om det inte redan tillhandahålls av laserstyrenheten. Bör vara AV när FSC används i kombination med en MOGLabs DLC.
DIP 4 Om PÅ aktiveras extern modulering via MOD IN-kontakten på bakpanelen. Moduleringen läggs till direkt i FAST OUT. När MOD IN-ingången är aktiverad men inte används måste den avslutas för att förhindra oönskat beteende.
DIP 5 Om PÅ, inaktiverar offset-ratten på frontpanelen och fixerar offseten till mittpunkten. Användbart i externt svepläge för att undvika oavsiktlig
12
Kapitel 2. Anslutningar och kontroller
ändra laserfrekvensen genom att trycka på offset-ratten.
DIP 6 Vänder svepriktningen.
DIP 7 Snabb AC. Ska normalt vara PÅ, så att den snabba felsignalen AC-kopplas till återkopplingsservon, med en tidskonstant på 40 ms (25 Hz).
DIP 8 Om PÅ läggs en -1 V offset till den snabba utgången. DIP8 ska vara avstängd när FSC används med MOGLabs lasrar.
Återkopplingskontrollslingor
FSC har två parallella återkopplingskanaler som kan driva två ställdon samtidigt: ett "långsamt" ställdon, som vanligtvis används för att ändra laserfrekvensen med en stor mängd på långsamma tidsskalor, och ett andra "snabbt" ställdon. FSC ger exakt styrning av varje stage av servoslingan, såväl som ett svep (ramp) generator och bekväm signalövervakning.
INPUT
INPUT
+
AC
FELOFFSET
DC
A IN
A
0v
+
B
B IN
0v +
VREF
0v
CHB
SNABB SIGN Snabb AC [7] DC-block
LÅNGSAMT SKYLT
MODULERING OCH SVEEP
HASTIGHET
Ramp
I SKRIVEN FORM
Lutning [6] SVEP IN
SPÄNNA
0v
+
OFFSET
MOD IN
0v
Mod [4]
0v
Fast förskjutning [5]
0v
TRIG
0v 0v
+
FÖRDOM
0v 0v
Partiskhet [3]
LÅS IN (SNABB) LÅS IN (LÅNGSAM) SNABB = LÅS LÅNGSAM = LÅS
LF-svep
SNABBUT +
SNABB SERVO
VINST I SNABB VINST
Extern förstärkning [1] P
+
I
+
0v
NESTAD
SNABB = LÅS LÅS IN (SNABB)
D
0v
LÅNGSAM SERVO
Långsam felförstärkning LÅNGSAMT FÖRSTÄRKNING
LÅNGSAM INT
#1
LF-svep
LÅNGSAM INT
+
#2
0v
Dubbelintegrator [2]
LÅT NER
Figur 3.1: Schematisk bild av MOGLabs FSC. Gröna etiketter hänvisar till kontroller på frontpanelen och ingångar på bakpanelen, bruna är interna DIP-switchar och lila är utgångar på bakpanelen.
13
14
Kapitel 3. Återkopplingsstyrningsslingor
3.1 Ingångartage
Ingången stage för FSC (figur 3.2) genererar en felsignal då VERR = VA – VB – VOFFSET. VA tas från SMA-kontakten “A IN”, och VB ställs in med CHB-väljaren, som väljer mellan SMA-kontakten “B IN”, VB = 0 eller VB = VREF enligt inställningen av den intilliggande trimpoten.
Styrenheten styr felsignalen mot noll, vilket definierar låspunkten. Vissa applikationer kan dra nytta av små justeringar av DC-nivån för att justera denna låspunkt, vilket kan uppnås med 10-varvsratten ERR OFFSET för upp till ±0 V förskjutning, förutsatt att INPUT-väljaren är inställd på "offset"-läge (). Större offset kan uppnås med REF-trimpoten.
INPUT
INPUT
+ AC
FELOFFSET
DC
A IN
A
0v
+
B
B IN
SNABB TECKNING Snabb AC [7] FE SNABB FEL
DC-block
Snabbt fel
0v +
VREF
0v
CHB
LÅNGSAMT SKYLT
Långsamt fel SE LÅNGSAMT FEL
Figur 3.2: Schematisk bild av FSC-ingångarnatage visar kopplings-, offset- och polaritetskontroller. Hexagoner är övervakade signaler som är tillgängliga via monitorväljarbrytarna på frontpanelen.
3.2 Långsam servoloop
Figur 3.3 visar konfigurationen för långsam återkoppling av FSC. En variabel förstärkning stage styrs med SLOW GAIN-ratten på frontpanelen. Kontrollerns funktion är antingen en enkel- eller dubbelintegrator
3.2 Långsam servoloop
15
beroende på om DIP2 är aktiverad. Den långsamma integratorns tidskonstant styrs från SLOW INT-ratten på frontpanelen, vilken är märkt med avseende på den tillhörande hörnfrekvensen.
LÅNGSAM SERVO
Långsam felförstärkning LÅNGSAMT FÖRSTÄRKNING
Integratörer
LÅNGSAM INT
#1
LF-svep
LÅNGSAM INT
+
#2
0v
Dubbelintegrator [2]
LÅT NER
LV LÅNGSAMT
Figur 3.3: Schematisk bild av I/I2-servo med långsam återkoppling. Hexagoner är övervakade signaler som är tillgängliga via väljarbrytarna på frontpanelen.
Med en enda integrator ökar förstärkningen med lägre Fourierfrekvens, med en lutning på 20 dB per dekad. Att lägga till en andra integrator ökar lutningen till 40 dB per dekad, vilket minskar den långsiktiga offseten mellan faktiska och inställda frekvenser. Att öka förstärkningen för mycket resulterar i oscillation eftersom regulatorn "överreagerar" på förändringar i felsignalen. Av denna anledning är det ibland fördelaktigt att begränsa förstärkningen i styrslingan vid låga frekvenser, där ett stort svar kan orsaka ett lasermodhopp.
Det långsamma servot ger ett stort räckvidd för att kompensera för långvariga avvikelser och akustiska störningar, och det snabba ställdonet har ett litet räckvidd men hög bandbredd för att kompensera för snabba störningar. Användning av en dubbelintegrator säkerställer att det långsamma servot har det dominerande svaret vid låg frekvens.
För applikationer som inte inkluderar ett separat långsamt ställdon kan den långsamma styrsignalen (enkelt eller dubbelt integrerat fel) läggas till den snabba genom att ställa SLOW-omkopplaren till "NESTED". I detta läge rekommenderas att dubbelintegratorn i den långsamma kanalen inaktiveras med DIP2 för att förhindra trippelintegration.
16
Kapitel 3. Återkopplingsstyrningsslingor
3.2.1 Mätning av det långsamma servosvaret
Den långsamma servoloopen är utformad för kompensation för långsam drift. För att observera den långsamma loopens respons:
1. Ställ in MONITOR 1 på SLOW ERR och anslut utgången till ett oscilloskop.
2. Ställ in MONITOR 2 på SLOW och anslut utgången till ett oscilloskop.
3. Ställ in INPUT till (offset-läge) och CHB till 0.
4. Justera ERR OFFSET-ratten tills DC-nivån som visas på SLOW ERR-monitorn är nära noll.
5. Justera FREQ OFFSET-ratten tills DC-nivån som visas på SLOW-monitorn är nära noll.
6. Ställ in volt per division på oscilloskopet till 10 mV per division för båda kanalerna.
7. Aktivera den långsamma servoloopen genom att ställa in SLOW-läget på LOCK.
8. Justera långsamt ERR OFFSET-ratten så att DC-nivån som visas på SLOW ERR-monitorn rör sig över och under noll med 10 mV.
9. När den integrerade felsignalen ändrar tecken kommer du att observera den långsamma utgångsförändringen med 250 mV.
Observera att svarstiden för det långsamma servot att drifta till sin gräns beror på ett antal faktorer, inklusive den långsamma förstärkningen, den långsamma integratorns tidskonstant, enkel- eller dubbelintegration och storleken på felsignalen.
3.2 Långsam servoloop
17
3.2.2 Långsam utgångsvolymtage swing (endast för FSC-serien A04… och lägre)
Utgången från den långsamma servostyrslingan är konfigurerad för ett intervall på 0 till 2.5 V för kompatibilitet med en MOGLabs DLC. DLC SWEEP piezostyrningsingången har en volymtagen förstärkning på 48 så att den maximala ingången på 2.5 V resulterar i 120 V på piezokretsen. När den långsamma servokretsen är aktiverad kommer den långsamma utgången endast att svänga med ±25 mV i förhållande till dess värde före aktivering. Denna begränsning är avsiktlig för att undvika hopp i laserläge. När den långsamma utgången från FSC används med en MOGLabs DLC, motsvarar en svängning på 50 mV i utgången från den långsamma kanalen på FSC en svängning på 2.4 V i piezokretsens volym.tage vilket motsvarar en förändring i laserfrekvensen på cirka 0.5 till 1 GHz, jämförbart med det fria spektralområdet för en typisk referenskavitet.
För användning med olika laserstyrenheter kan en större förändring av den låsta långsamma utgången från FSC möjliggöras via en enkel motståndsändring. Förstärkningen på utgången från den långsamma återkopplingsslingan definieras av R82/R87, förhållandet mellan motstånden R82 (500 ) och R87 (100 k). För att öka den långsamma utgången, öka R82/R87, vilket enklast åstadkoms genom att minska R87 genom att parallellkoppla ett annat motstånd (SMD-kapsel, storlek 0402). Till exempelampOm man lägger till ett 30 k motstånd parallellt med det befintliga 100 k motståndet skulle det ge ett effektivt motstånd på 23 k, vilket skulle öka den långsamma utgående svängningen från ±25 mV till ±125 mV. Figur 3.4 visar layouten för FSC-kretskortet runt opamp U16.
R329
U16
C36
C362 R85 R331 C44 R87
C71
C35
R81 R82
Figur 3.4: FSC-kretskortslayouten runt den slutliga långsamma förstärkningsoperationenamp U16, med förstärkningsinställningsmotstånd R82 och R87 (inringade); storlek 0402.
18
Kapitel 3. Återkopplingsstyrningsslingor
3.3 Snabb servoloop
Snabbåterkopplingsservon (figur 3.5) är en PID-slinga som ger exakt kontroll över var och en av de proportionella (P), integrerade (I) och differentiella (D) återkopplingskomponenterna, såväl som den totala förstärkningen för hela systemet. Den snabba utgången från snabbåterkopplingsservon kan svänga från -2.5 V till 2.5 V, vilket, när det konfigureras med en MOGLabs extern kavitetsdiodlaser, kan ge en svängström på ±2.5 mA.
SNABB SERVO
VINST
Extern förstärkning [1]
SNABB FÖRSTÄRKNING
Snabbt fel
Långsam kontroll
0v
+ NESTAD
SNABB = LÅS LÅS IN (SNABB)
PI
D
0v
+
Snabb kontroll
Figur 3.5: Schematisk bild av PID-regulator för snabb återkopplingsservo.
Figur 3.6 visar ett konceptuellt diagram över funktionen hos både den snabba och den långsamma servoloopen. Vid låga frekvenser dominerar den snabba integratorloopen (I). För att förhindra att den snabba servoloopen överreagerar på lågfrekventa (akustiska) externa störningar tillämpas en lågfrekvent förstärkningsgräns som styrs av GAIN LIMIT-ratten.
Vid mellanregisterfrekvenser (10 kHz1 MHz) dominerar den proportionella (P) återkopplingen. Hörnfrekvensen med enhetsförstärkning där den proportionella återkopplingen överstiger det integrerade svaret styrs av FAST INT-ratten. Den totala förstärkningen för P-slingan ställs in med FAST GAIN-trimpoten eller via en extern styrsignal genom GAIN IN-anslutningen på baksidan.
3.3 Snabb servoloop
19
60
Vinst (dB)
Högfrekvensgräns Dubbelintegrator
SNABB INT SNABB FÖRSTÄRKNING
SNABB DIFF DIFF-FÖRSTÄRKNING (gräns)
40
20
integrator
0
SNABB LF-FÖRSTÄRKNING (gräns)
integrator
Proportionell
Differentierare
Filtrera
LÅNGSAM INT
20101
102
103
104
105
106
107
108
Fourierfrekvens [Hz]
Figur 3.6: Konceptuellt Bode-diagram som visar funktionen hos de snabba (röda) och långsamma (blå) regulatorerna. Den långsamma regulatorn är antingen en enkel- eller dubbelintegrator med justerbar hörnfrekvens. Den snabba regulatorn är en PID-kompensator med justerbara hörnfrekvenser och förstärkningsgränser vid låga och höga frekvenser. Alternativt kan differentiatorn inaktiveras och ersättas med ett lågpassfilter.
Höga frekvenser (1 MHz) kräver vanligtvis att differentiatorslingan dominerar för förbättrad låsning. Differentiatorn ger fasavledningskompensation för systemets ändliga svarstid och har en förstärkning som ökar med 20 dB per dekad. Differentiatorslingans hörnfrekvens kan justeras via FAST DIFF/FILTER-ratten för att styra frekvensen vid vilken differentialåterkoppling dominerar. Om FAST DIFF/FILTER är inställd på AV, inaktiveras differentialslingan och återkopplingen förblir proportionell vid högre frekvenser. För att förhindra oscillation och begränsa påverkan av högfrekvent brus när differentialåterkopplingsslingan är aktiverad finns det en justerbar förstärkningsgräns, DIFF GAIN, som begränsar differentiatorn vid höga frekvenser.
En differentiator behövs ofta inte, och kompensatorn kan istället dra nytta av lågpassfiltrering av det snabba servosvaret för att ytterligare minska bruspåverkan. Vrid på FAST DIFF/FILTER-knappen.
20
Kapitel 3. Återkopplingsstyrningsslingor
Vrid vredet moturs från OFF-läget för att ställa in roll-off-frekvensen för filtreringsläge.
Snabbservot har tre driftlägen: SCAN, SCAN+P och LOCK. När det är inställt på SCAN är återkopplingen inaktiverad och endast bias appliceras på den snabba utgången. När det är inställt på SCAN+P appliceras proportionell återkoppling, vilket möjliggör bestämning av snabbservotecknet och förstärkningen medan laserfrekvensen fortfarande skannar, vilket förenklar låsnings- och finjusteringsproceduren (se §4.2). I LOCK-läge stoppas skanningen och full PID-återkoppling aktiveras.
3.3.1 Mätning av det snabba servosvaret
Följande två avsnitt beskriver mätning av proportionell och differentiell återkoppling till förändringar i felsignalen. Använd en funktionsgenerator för att simulera en felsignal och ett oscilloskop för att mäta responsen.
1. Anslut MONITOR 1, 2 till ett oscilloskop och ställ in väljarna på FAST ERR och FAST.
2. Ställ in INPUT till (offset-läge) och CHB till 0.
3. Anslut funktionsgeneratorn till CHA-ingången.
4. Konfigurera funktionsgeneratorn för att producera en 100 Hz sinusvåg med 20 mV topp-till-topp-förhållande.
5. Justera ERR OFFSET-ratten så att den sinusformade felsignalen, som ses på FAST ERR-monitorn, är centrerad runt noll.
3.3.2 Mätning av proportionalsvar · Minska spannet till noll genom att vrida SPAN-ratten helt moturs.
· Ställ in FAST på SCAN+P för att aktivera den proportionella återkopplingsslingan.
3.3 Snabb servoloop
21
· På oscilloskopet ska FAST-utgången från FSC visa en sinusvåg på 100 Hz.
· Justera FAST GAIN-ratten för att variera den proportionella förstärkningen för det snabba servot tills utgången är densamma amplitude som ingång.
· För att mäta det proportionella återkopplingsfrekvenssvaret, justera funktionsgeneratorns frekvens och övervaka ampLiten på FAST-utgångsresponsen. Till exempelample, öka frekvensen tills ampLituden halveras för att hitta förstärkningsfrekvensen på -3 dB.
3.3.3 Mätning av differentialresponsen
1. Ställ in FAST INT på OFF för att stänga av integratorslingan.
2. Ställ in FAST GAIN till ett med hjälp av stegen som beskrivs i avsnittet ovan.
3. Ställ in DIFF-FÖRSTÄRKNINGEN till 0 dB.
4. Ställ in SNABB DIFF/FILTER till 100 kHz.
5. Svep funktionsgeneratorns frekvens från 100 kHz till 3 MHz och övervaka FAST-utgången.
6. När du sveper över felsignalens frekvens bör du se enhetsförstärkning vid alla frekvenser.
7. Ställ in DIFF-FÖRSTÄRKNINGEN till 24 dB.
8. När du nu sveper över felsignalens frekvens bör du märka en ökning av lutningen på 20 dB per dekad efter 100 kHz, vilken börjar avta vid 1 MHz, vilket visar op.amp bandbreddsbegränsningar.
Förstärkningen för den snabba utgången kan ändras genom att ändra motståndsvärdena, men kretsen är mer komplicerad än för långsam återkoppling (§3.2.2). Kontakta MOGLabs för ytterligare information om det behövs.
22
Kapitel 3. Återkopplingsstyrningsslingor
3.4 Modulering och skanning
Laserskanning styrs antingen av en intern svepgenerator eller en extern svepsignal. Den interna svepsignalen är en sågtand med variabel period som ställs in av en intern fyrlägesbrytare (bilaga C), och en envarvs trimpot RATE på frontpanelen.
De snabba och långsamma servolooparna kan aktiveras individuellt via TTL-signaler till de tillhörande omkopplarna på bakpanelen. Om endera loopen ställs in på LOCK stoppas svepningen och stabiliseringen aktiveras.
MODULERING OCH SVEEP
I SKRIVEN FORM
TRIG
HASTIGHET
Ramp
Lutning [6] SVEP IN
SPÄNNA
0v
+
OFFSET
0v
0v
Fast förskjutning [5]
Snabb kontroll MOD IN
Mod [4]
0v
0v 0v
+
FÖRDOM
0v 0v
Partiskhet [3]
LÅS IN (SNABBT)
LÅS IN (LÅNGSAM)
SNABB = LÅS LÅNGSAMT = LÅS
RAMP RA
LF-svep
BIAS BS
SNABBUT +
HF SNABB
Figur 3.7: Svep, extern modulering och framåtkopplad strömförspänning.
Den ramp kan också läggas till den snabba utgången genom att aktivera DIP3 och justera BIAS-trimpot, men många laserstyrenheter (som MOGLabs DLC) genererar den nödvändiga biasströmmen baserat på den långsamma servosignalen, i vilket fall det är onödigt att även generera den inom FSC.
4. Ansökan example: Pound-Drever Hall-låsning
En typisk tillämpning av FSC är att frekvenslåsa en laser till en optisk kavitet med hjälp av PDH-tekniken (fig. 4.1). Kaviteten fungerar som en frekvensdiskriminator, och FSC håller lasern i resonans med kaviteten genom att styra laserns piezo och strömmen genom dess SLOW respektive FAST-utgångar, vilket minskar laserns linjebredden. En separat tillämpningsnot (AN002) finns tillgänglig som ger detaljerade praktiska råd om implementering av en PDH-apparat.
Oscilloskop
TRIG
CH1
CH2
Laser
Nuvarande modifiering Piezo SMA
EOM
PBS
PD
DLC-kontroller
PZT MOD
AC
Kavitets-LPF
MONITOR 2 MONITOR 1 LÅS IN
SVEPP IN, VINST IN
B IN
A IN
Serie:
TRIG
SNABB UT LÅNGSAMT UT MOD IN
EFFEKT B EFFEKT A
Figur 4.1: Förenklat schema för PDH-kavitetslåsning med hjälp av FSC. En elektrooptisk modulator (EOM) genererar sidband, som interagerar med kaviteten och genererar reflektioner som mäts på fotodetektorn (PD). Demodulering av fotodetektorsignalen producerar en PDH-felsignal.
En mängd andra metoder kan användas för att generera felsignaler, vilka inte kommer att diskuteras här. Resten av detta kapitel beskriver hur man uppnår en låsning när en felsignal har genererats.
23
24
Kapitel 4. Tillämpning example: Pound-Drever Hall-låsning
4.1 Laser- och styrenhetskonfiguration
FSC är kompatibel med en mängd olika lasrar och styrenheter, förutsatt att de är korrekt konfigurerade för önskat driftläge. Vid drift av en ECDL (t.ex. MOGLabs CEL- eller LDL-lasrar) är kraven för lasern och styrenheten följande:
· Högbandbreddsmodulering direkt i laserhuvudet eller fasmodulatorn inom kaviteten.
· Högvolymtage piezostyrning från en extern styrsignal.
· Generering av framåtkoppling ("biasström") för lasrar som kräver en bias på 1 mA över sitt skanningsområde. FSC:n kan generera en biasström internt men området kan begränsas av elektroniken på huvudkortet eller fasmodulatorns mättnad, så det kan vara nödvändigt att använda bias som tillhandahålls av laserstyrenheten.
MOGLabs laserkontroller och huvudbrädor kan enkelt konfigureras för att uppnå önskat beteende, vilket förklaras nedan.
4.1.1 Konfiguration av huvudgavel
MOGLabs lasrar har ett internt huvudkort som kopplar komponenterna till styrenheten. Ett huvudkort med snabb strömmodulering via en SMA-kontakt krävs för drift med FSC. Huvudkortet ska anslutas direkt till FSC FAST OUT.
B1240-huvudkortet rekommenderas starkt för maximal moduleringsbandbredd, även om B1040 och B1047 är acceptabla ersättare för lasrar som är inkompatibla med B1240. Huvudkortet har ett antal jumperbrytare som måste konfigureras för DC-kopplad och buffrad (BUF) ingång, där så är tillämpligt.
4.2 Uppnå ett initialt lås
25
4.1.2 DLC-konfiguration
Även om FSC kan konfigureras för antingen intern eller extern svepning, är det betydligt enklare att använda det interna svepläget och ställa in DLC:n som en slavenhet enligt följande:
1. Anslut SLOW OUT till SWEEP / PZT MOD på DLC:n.
2. Aktivera DIP9 (Extern svepning) på DLC:n. Se till att DIP13 och DIP14 är avstängda.
3. Inaktivera DIP3 (Biasgenerering) för FSC. DLC:n genererar automatiskt den aktuella framåtkopplingsbiasen från svepningsingången, så det är inte nödvändigt att generera en bias inom FSC.
4. Ställ in SPAN på DLC:n till max (helt medsols).
5. Ställ in FREKVENS på DLC:n till noll med hjälp av LCD-displayen för att visa frekvens.
6. Se till att SWEEP på FSC är INT.
7. Ställ in FREQ OFFSET till mellanregistret och SPAN till fullt läge på FSC och observera laserskanningen.
8. Om skanningen är i fel riktning, invertera DIP4 på FSC eller DIP11 på DLC:n.
Det är viktigt att SPAN-ratten på DLC:n inte justeras när den är inställd enligt ovan, eftersom det kommer att påverka återkopplingsslingan och kan förhindra att FSC:n låses. FSC-kontrollerna bör användas för att justera svepningen.
4.2 Uppnå ett initialt lås
SPAN- och OFFSET-kontrollerna på FSC kan användas för att ställa in lasern så att den sveper över önskad låspunkt (t.ex. kavitetsresonans) och för att zooma in i en mindre skanning runt resonansen. Följande
26
Kapitel 4. Tillämpning example: Pound-Drever Hall-låsning
Stegen illustrerar den process som krävs för att uppnå ett stabilt lås. Värdena som anges är vägledande och måste justeras för specifika tillämpningar. Ytterligare råd om hur man optimerar låset finns i §4.3.
4.2.1 Låsning med snabb återkoppling
1. Anslut felsignalen till A IN-ingången på bakpanelen.
2. Säkerställ att felsignalen är av storleksordningen 10 mVpp.
3. Ställ in INPUT till (offset-läge) och CHB till 0.
4. Ställ in MONITOR 1 på FAST ERR och observera på ett oscilloskop. Justera ERR OFFSET-ratten tills den visade DC-nivån är noll. Om det inte finns något behov av att använda ERR OFFSET-ratten för att justera DC-nivån för felsignalen, kan INPUT-omkopplaren ställas in på DC och ERROR OFFSET-ratten kommer inte att ha någon effekt, vilket förhindrar oavsiktlig justering.
5. Minska FAST GAIN till noll.
6. Ställ in FAST på SCAN+P, ställ in SLOW på SCAN och lokalisera resonansen med hjälp av svepkontrollerna.
7. Öka FAST GAIN tills felsignalen syns "töjas ut" som visas i figur 4.2. Om detta inte observeras, invertera FAST SIGN-omkopplaren och försök igen.
8. Ställ in FAST DIFF till AV och GAIN LIMIT till 40. Minska FAST INT till 100 kHz.
9. Ställ in FAST-läget på LOCK så låser regulatorn till felsignalens nollgenomgång. Det kan vara nödvändigt att göra små justeringar av FREKVENSOFFSET för att låsa lasern.
10. Optimera låsningen genom att justera FAST GAIN och FAST INT medan du observerar felsignalen. Det kan vara nödvändigt att låsa servot igen efter att integratorn har justerats.
4.2 Uppnå ett initialt lås
27
Figur 4.2: Skanning av lasern med endast P-återkoppling på den snabba utgången medan den långsamma utgången skannas gör att felsignalen (orange) förlängs när tecknet och förstärkningen är korrekta (höger). I en PDH-applikation kommer även kavitetstransmissionen (blå) att förlängas.
11. Vissa applikationer kan dra nytta av att öka FAST DIFF för att förbättra loopresponsen, men detta behövs vanligtvis inte för att uppnå en initial låsning.
4.2.2 Låsning med långsam återkoppling
När låsning uppnåtts med den snabba proportionella återkopplingen och integratoråterkopplingen, bör den långsamma återkopplingen aktiveras för att ta hänsyn till långsamma drifter och känslighet för lågfrekventa akustiska störningar.
1. Ställ in SLOW GAIN till mellanregistret och SLOW INT till 100 Hz.
2. Ställ in FAST-läget på SCAN+P för att låsa upp lasern och justera SPAN och OFFSET så att du kan se nollgenomgången.
3. Ställ in MONITOR 2 på SLOW ERR och observera på ett oscilloskop. Justera trimpot bredvid ERR OFFSET för att nollställa den långsamma felsignalen. Justering av denna trimpot påverkar endast DC-nivån för den långsamma felsignalen, inte den snabba felsignalen.
4. Lås lasern igen genom att ställa in FAST-läget på LOCK och gör eventuella små justeringar av FREKVENSOFFSET för att låsa lasern.
28
Kapitel 4. Tillämpning example: Pound-Drever Hall-låsning
5. Ställ in SLOW-läget på LOCK och observera den långsamma felsignalen. Om det långsamma servot låser sig kan DC-nivån för det långsamma felet ändras. Om detta inträffar, notera det nya värdet på felsignalen, ställ tillbaka SLOW till SCAN och använd feloffset-trimpoten för att föra den långsamma upplåsta felsignalen närmare det låsta värdet och försök att låsa det långsamma låset igen.
6. Upprepa föregående steg med att långsamt låsa lasern, observera DC-förändringen i det långsamma felet och justera feloffset-trimpot tills aktivering av det långsamma låset inte producerar en mätbar förändring i felsignalvärdet för långsamt låst kontra snabbt låst.
Felkompensatorn justerar för små (mV) skillnader i de snabba och långsamma felsignalernas offset. Justering av trimpoten säkerställer att både de snabba och långsamma felkompensatorkretsarna låser lasern till samma frekvens.
7. Om servot låses upp omedelbart när långsamma låset aktiveras, försök att invertera SLOW-TECKNET.
8. Om det långsamma servot fortfarande låses upp omedelbart, minska den långsamma förstärkningen och försök igen.
9. När en stabil långsam låsning uppnåtts med ERR OFFSET-trimpot korrekt inställd, justera SLOW GAIN och SLOW INT för förbättrad låsstabilitet.
4.3 Optimering
Servots syfte är att låsa lasern till felsignalens nollgenomgång, vilken helst skulle vara identiskt noll när den är låst. Brus i felsignalen är därför ett mått på låskvaliteten. Spektrumanalys av felsignalen är ett kraftfullt verktyg för att förstå och optimera återkopplingen. RF-spektrumanalysatorer kan användas men är jämförelsevis dyra och har begränsat dynamiskt omfång. Ett bra ljudkort (24-bitars 192 kHz, t.ex. Lynx L22)
4.3 Optimering
29
ger brusanalys upp till en Fourierfrekvens på 96 kHz med ett dynamiskt omfång på 140 dB.
Idealiskt sett skulle spektrumanalysatorn användas med en oberoende frekvensdiskriminator som är okänslig för fluktuationer i lasereffekten [11]. Goda resultat kan uppnås genom att övervaka felsignalen i loopen, men en mätning utanför loopen är att föredra, såsom att mäta kavitetstransmissionen i en PDH-applikation. För att analysera felsignalen, anslut spektrumanalysatorn till en av MONITOR-utgångarna inställda på FAST ERR.
Låsning med hög bandbredd innebär vanligtvis att man först uppnår en stabil låsning med endast det snabba servot, och sedan använder man det långsamma servot för att förbättra den långsiktiga låsstabiliteten. Det långsamma servot krävs för att kompensera för termisk drift och akustiska störningar, vilket skulle resultera i ett modhopp om det kompenserades enbart med ström. Däremot uppnås enkla låsningstekniker som mättad absorptionsspektroskopi vanligtvis genom att man först uppnår en stabil låsning med det långsamma servot, och sedan använder man det snabba servot för att endast kompensera för fluktuationer vid högre frekvenser. Det kan vara fördelaktigt att konsultera Bode-diagrammet (figur 4.3) när man tolkar felsignalspektrumet.
Vid optimering av FSC rekommenderas det att först optimera det snabba servot genom analys av felsignalen (eller överföring genom kaviteten), och sedan det långsamma servot för att minska känsligheten för externa störningar. SCAN+P-läget är särskilt bekvämt för att få återkopplingstecknet och förstärkningen ungefär korrekta.
Observera att för att uppnå det mest stabila frekvenslåset krävs noggrann optimering av många aspekter av apparaten, inte bara parametrarna för FSC. Till exempelample, rest ampLitudemodulering (RAM) i en PDH-apparat resulterar i drift i felsignalen, vilket servot inte kan kompensera för. På liknande sätt kommer dåligt signal-brusförhållande (SNR) att mata brus direkt in i lasern.
I synnerhet innebär integratorernas höga förstärkning att låset kan vara känsligt för jordslingor i signalbehandlingskedjan, och
30
Kapitel 4. Tillämpning example: Pound-Drever Hall-låsning
Man bör vara noga med att eliminera eller mildra dessa. Jordningen av FSC:en bör vara så nära som möjligt både laserstyrenheten och all elektronik som är involverad i att generera felsignalen.
En metod för att optimera det snabba servot är att ställa in FAST DIFF till OFF och justera FAST GAIN, FAST INT och GAIN LIMIT för att minska brusnivån så mycket som möjligt. Optimera sedan FAST DIFF och DIFF GAIN för att minska de högfrekventa bruskomponenterna som observeras på en spektrumanalysator. Observera att ändringar av FAST GAIN och FAST INT kan krävas för att optimera låsningen när differentiatorn har introducerats.
I vissa tillämpningar är felsignalen bandbreddsbegränsad och innehåller endast okorrelerat brus vid höga frekvenser. I sådana scenarier är det önskvärt att begränsa servots funktion vid höga frekvenser för att förhindra att detta brus kopplas tillbaka till styrsignalen. Ett filteralternativ finns för att minska det snabba servots svar över en specifik frekvens. Detta alternativ är ömsesidigt uteslutande för differentiatorn och bör provas om aktivering av differentiatorn ses öka.
60
Vinst (dB)
Högfrekvensgräns Dubbelintegrator
SNABB INT SNABB FÖRSTÄRKNING
SNABB DIFF DIFF-FÖRSTÄRKNING (gräns)
40
20
integrator
0
SNABB LF-FÖRSTÄRKNING (gräns)
integrator
Proportionell
Differentierare
Filtrera
LÅNGSAM INT
20101
102
103
104
105
106
107
108
Fourierfrekvens [Hz]
Figur 4.3: Konceptuellt Bode-diagram som visar funktionen hos de snabba (röda) och långsamma (blå) regulatorerna. Hörnfrekvenserna och förstärkningsgränserna justeras med rattarna på frontpanelen enligt etiketten.
4.3 Optimering
31
det uppmätta bruset.
Det långsamma servot kan sedan optimeras för att minimera överreaktionen på externa störningar. Utan den långsamma servoslingan innebär den höga förstärkningsgränsen att det snabba servot kommer att reagera på externa störningar (t.ex. akustisk koppling) och den resulterande strömförändringen kan orsaka modhopp i lasern. Det är därför att föredra att dessa (lågfrekventa) fluktuationer kompenseras i piezomodulen istället.
Att justera SLOW GAIN och SLOW INT kommer inte nödvändigtvis att ge en förbättring av felsignalspektrumet, men när det optimeras minskas känsligheten för akustiska störningar och låsets livslängd förlängs.
På liknande sätt kan aktivering av dubbelintegratorn (DIP2) förbättra stabiliteten genom att säkerställa att den totala förstärkningen för det långsamma servosystemet är högre än det snabba servot vid dessa lägre frekvenser. Detta kan dock orsaka att det långsamma servot överreagerar på lågfrekventa störningar och dubbelintegratorn rekommenderas endast om långvariga strömavvikelser destabiliserar låset.
32
Kapitel 4. Tillämpning example: Pound-Drever Hall-låsning
A. Specifikationer
Parameter
Specifikation
Timing Förstärkningsbandbredd (-3 dB) Utbredningsfördröjning Extern moduleringsbandbredd (-3 dB)
> 35 MHz < 40 ns
> 35 MHz
Ingång A IN, B IN SWEEP IN GAIN IN MOD IN LOCK IN
SMA, 1 M, ±2 V SMA, 5 M, 1 till +0 V SMA, 2 M, ±5 V SMA, 1 M, ±2 V 5 mm honkontakt för ljud, TTL
Analoga ingångar har övervolymtagSkyddad upp till ±10 V. TTL-ingångar tar < 1 V som låg, > 0 V som hög. LOCK IN-ingångar är -2 V till 0 V, aktiv låg, och förbrukar ±0 µA.
33
34
Bilaga A. Specifikationer
Parameter
Utgång LÅNGSAMT UT SNABB UT MONITOR 1, 2 TRIG POWER A, B
Specifikation
SMA, 50, 0 till +2 V, BW 5 kHz SMA, 20, ±50 V, BW > 2 MHz SMA, 5, BW > 20 MHz SMA, 50M, 20 till +1 V M0-honkontakt, ±5 V, 8 mA
Alla utgångar är begränsade till ±5 V. 50 utgångar 50 mA max (125 mW, +21 dBm).
Mekanisk & kraft
IEC-ingång
110 till 130 V vid 60 Hz eller 220 till 260 V vid 50 Hz
Säkring
5x20 mm överspänningsskyddad keramik 230 V/0.25 A eller 115 V/0.63 A
Mått
B×H×D = 250 × 79 × 292 mm
Vikt
2 kg
Strömanvändning
< 10 W
Felsökning
B.1 Laserfrekvensen skannar inte
Ett MOGLabs DLC med extern piezo-styrsignal kräver att den externa signalen måste överstiga 1.25 V. Om du är säker på att din externa styrsignal överstiger 1.25 V, bekräfta följande:
· DLC-omfånget är helt medurs. · FREKVENSEN på DLC:n är noll (använd LCD-displayen för att ställa in
Frekvens). · DIP9 (Extern svepning) på DLC:n är på. · DIP13 och DIP14 på DLC:n är av. · Låsbrytaren på DLC:n är inställd på SCAN. · SLOW OUT på FSC är ansluten till SWEEP / PZT MOD
ingången på DLC:n. · SWEEP på FSC är INT. · FSC-spannet är helt medurs. · Anslut FSC MONITOR 1 till ett oscilloskop, ställ in MONI-
TOR 1-ratt till RAMP och justera FREKVENSOFFSET tills ramp är centrerad runt 1.25 V.
Om ovanstående kontroller inte har löst problemet, koppla bort FSC:n från DLC:n och se till att lasern skannar när den styrs med DLC:n. Kontakta MOGLabs för hjälp om det inte lyckas.
35
36
Bilaga B. Felsökning
B.2 När moduleringsingång används flyter den snabba utgången till en hög volymtage
När MOD IN-funktionen i FSC används (DIP 4 aktiverad) kommer den snabba utgången vanligtvis att flyta till den positiva volymen.tage-skena, cirka 4 V. Se till att MOD IN är kortsluten när den inte används.
B.3 Stora positiva felsignaler
I vissa applikationer kan felsignalen som genereras av applikationen vara strikt positiv (eller negativ) och stor. I detta fall kanske REF-trimpot och ERR OFFSET inte ger tillräckligt med DC-skift för att säkerställa att önskad låspunkt sammanfaller med 0 V. I detta fall kan både CH A och CH B användas med INPUT-växlingen inställd på , CH B inställd på PD och med en DC-volym.tage appliceras på CH B för att generera den offset som behövs för att centrera låspunkten. Som ett exempelampDvs. om felsignalen är mellan 0 V och 5 V och låspunkten var 2.5 V, anslut då felsignalen till kanal A och applicera 2.5 V på kanal B. Med rätt inställning kommer felsignalen då att vara mellan -2 V och +5 V.
B.4 Snabba utgångsskenor vid ±0.625 V
För de flesta MOGLabs ECDL:er, en volymtagEn svängning på ±0.625 V på den snabba utgången (motsvarande ±0.625 mA injicerat i laserdioden) är mer än vad som krävs för att låsa till en optisk kavitet. I vissa tillämpningar krävs ett större område på den snabba utgången. Denna gräns kan ökas genom ett enkelt motståndsbyte. Kontakta MOGLabs för mer information om det behövs.
B.5 Återkoppling behöver ändra tecken
Om den snabba återkopplingspolariteten ändras beror det vanligtvis på att lasern har drivit in i ett multimodtillstånd (två externa kavitetslägen som oscillerar samtidigt). Justera laserströmmen för att erhålla enlägesdrift, snarare än att reversera återkopplingspolariteten.
B.6 Monitorn matar ut fel signal
37
B.6 Monitorn matar ut fel signal
Under fabrikstestning verifieras utsignalen från var och en av MONITOR-rattarna. Med tiden kan dock skruvarna som håller ratten på plats lossna och ratten kan glida, vilket gör att ratten indikerar fel signal. För att kontrollera:
· Anslut MONITORNS utgång till ett oscilloskop.
· Vrid SPAN-ratten helt medurs.
· Vrid MONITORN till RAMPDu bör nu observera arampen signal i storleksordningen 1 volt; om du inte gör det är vredet felaktigt positionerat.
· Även om du observerar årampsignalen, kan vredet fortfarande vara felaktigt, vrid vredet ett läge mer medurs.
· Du borde nu ha en liten signal nära 0 V, och kanske kan se ett litet ramp på oscilloskopet i storleksordningen tiotals mV. Justera BIAS-trimpoten så bör du se ampLiten av denna ramp ändra.
· Om signalen på oscilloskopet ändras när du justerar BIAS-trimpot är din MONITOR-ratts position korrekt; om inte, måste MONITOR-rattens position justeras.
För att korrigera MONITOR-rattens position måste utsignalerna först identifieras med en liknande procedur som ovan, och rattens position kan sedan roteras genom att lossa de två ställskruvarna som håller ratten på plats, med en 1.5 mm insexnyckel eller kulspetsnyckel.
B.7 Lasern genomgår långsamma hopp
Hopp i långsamt läge kan orsakas av optisk återkoppling från optiska element mellan lasern och kaviteten, till exempelampfiberkopplare, eller från själva den optiska kaviteten. Symtom inkluderar frekvens
38
Bilaga B. Felsökning
hopp av den fritt löpande lasern på långsamma tidsskalor, i storleksordningen 30 s, där laserfrekvensen hoppar med 10 till 100 MHz. Säkerställ att lasern har tillräcklig optisk isolering, installera en annan isolator om det behövs och blockera eventuella strålbanor som inte används.
C. Kretskortslayout
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
100 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
90 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
55 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
261 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
Bilaga C. Kretskortslayout
D. 115/230 V-omvandling
D.1 Säkring
Säkringen är en keramisk överspänningsskyddssäkring, 0.25 A (230 V) eller 0.63 A (115 V), 5 x 20 mm, till exempelample Littlefuse 0215.250MXP eller 0215.630MXP. Säkringshållaren är en röd patron precis ovanför IEC-strömintaget och huvudströmbrytaren på enhetens baksida (bild D.1).
Figur D.1: Säkringspatron, som visar säkringsplacering för drift vid 230 V.
D.2 120/240 V-omvandling
Styrenheten kan drivas från växelström vid 50 till 60 Hz, 110 till 120 V (100 V i Japan) eller 220 till 240 V. För att konvertera mellan 115 V och 230 V bör säkringspatronen tas bort och sättas tillbaka så att rätt volym uppnås.tage syns genom lockfönstret och rätt säkring (som ovan) är installerad.
41
42
Bilaga D. 115/230 V-omvandling
Figur D.2: Byta säkring eller volymtage, öppna säkringspatronens lock med en skruvmejsel som sätts in i ett litet springa i lockets vänstra kant, precis till vänster om den röda volymen.tage indikator.
När du tar bort säkringspatronen, stick in en skruvmejsel i fördjupningen till vänster om patronen; försök inte att dra ut den med en skruvmejsel på sidorna av säkringshållaren (se bilder).
FEL!
RÄTTA
Figur D.3: För att ta ut säkringspatronen, stick in en skruvmejsel i ett urtag till vänster om säkringspatronen.
Vid byte av voltage, säkringen och en bryggklämma måste bytas från ena sidan till den andra, så att bryggklämman alltid är nedtill och säkringen alltid upptill; se bilderna nedan.
D.2 120/240 V-omvandling
43
Figur D.4: 230 V-brygga (vänster) och säkring (höger). Byt brygga och säkring vid volymbytetage, så att säkringen förblir överst när den sätts i.
Figur D.5: 115 V-brygga (vänster) och säkring (höger).
44
Bilaga D. 115/230 V-omvandling
Bibliografi
[1] Alex Abramovici och Jake Chapsky. Återkopplingskontrollsystem: En snabbguide för forskare och ingenjörer. Springer Science & Business Media, 2012. 1
[2] Boris Lurie och Paul Enright. Klassisk återkopplingskontroll: Med MATLAB® och Simulink®. CRC Press, 2011. 1
[3] Richard W. Fox, Chris W. Oates och Leo W. Hollberg. Stabilisering av diodlasrar till högfina kaviteter. Experimentella metoder inom fysik, 40:1, 46. 2003
[4] RWP Drever, JL Hall, FV Kowalski, J. Hough, GM Ford, AJ Munley och H. Ward. Laserfas- och frekvensstabilisering med hjälp av en optisk resonator. Appl. Phys. B, 31:97 105, 1983. 1
[5] TW Ha¨nsch och B. Couillaud. Laserfrekvensstabilisering genom polarisationsspektroskopi av en reflekterande referenskavitet. Optics communications, 35(3):441-444, 1980. 1
[6] M. Zhu och JL Hall. Stabilisering av optisk fas/frekvens hos ett lasersystem: tillämpning på en kommersiell färglaser med en extern stabilisator. J. Opt. Soc. Am. B, 10:802, 1993. 1
[7] GC Björklund. Frekvensmodulationsspektroskopi: en ny metod för att mäta svaga absorptioner och dispersioner. Opt. Lett., 5:15, 1980. 1
[8] Joshua S Torrance, Ben M Sparkes, Lincoln D Turner och Robert E Scholten. Laserlinjebreddsförträngning på subkilohertznivå med polarisationsspektroskopi. Optics express, 24(11):11396 11406, 2016. 1
45
[10] W. Demtröder. Laserspektroskopi, grundläggande koncept och instrumentering. Springer, Berlin, 2:a upplagan, 1996. 1
[11] LD Turner, KP Weber, CJ Hawthorn och RE Scholten. Frekvensbruskarakterisering av smala linjer med diodlasrar. Opt. Communic., 201:391, 2002. 29
46
MOG Laboratories Pty Ltd 49 University St, Carlton VIC 3053, Australien Tel: +61 3 9939 0677 info@moglabs.com
© 2017 2025 Produktspecifikationer och beskrivningar i detta dokument kan komma att ändras utan föregående meddelande.
Dokument/resurser
 |
moglabs PID snabb servoregulator [pdf] Bruksanvisning PID snabb servoregulator, PID, snabb servoregulator, servoregulator |