Laservakautusjärjestelmän rakentaminen tarkoitti ennen isomman ja kalliin analogisen lukituksen varmistamista-vahvistimessa. Vaikka nämä järjestelmät ovat tehokkaita, ne voivat olla rajoitettuja joustavuuden, latenssin ja integroinnin suhteen nykyaikaisiin digitaalisiin lähestymistapoihin verrattuna. Digitaalista signaalinkäsittelyä hyödyntävät digitaaliset laitteet ovat tehokkaampia kuin edeltäjänsä, minkä todelliset tapaustutkimukset ovat osoittaneet. Onko laserstabiloinnin tulevaisuus digitaalista?
Laserstabilointi on välttämätöntä. Monissa laserstabilointiasennuksissa signaali, joka edustaa taajuuspoikkeamaa, on erittäin heikko ja usein peittyy taustakohinaan. Ympäristöhäiriöt ja ilmaisinkohina voivat helposti hallita mittausta, mikä tekee virhesignaalin luotettavasta poimimisesta haastavaa.
Ulkonäöstä huolimatta laserit eivät tuota täysin puhdasta väriä ja jatkuvaa tehoa. Koska ne ovat herkkiä ympäristölleen, pienet lämpötilan, tärinän, paineen tai virtalähteen muutokset voivat aiheuttaa laserin taajuuden ja tehon vaihtelun. Pienilläkin muutoksilla on merkittäviä seurauksia laboratorio- ja koulutusympäristöissä.
Tätä epävakautta ei voida hyväksyä korkean-tarkkuuden sovelluksissa, kuten-korkean resoluution spektroskopiassa. Yksilöiden on käytettävä laserstabilointijärjestelmiä heilahtelujen aktiiviseen korjaamiseen ja laserin ulostulon lukitsemiseen erittäin vakaaseen ulkoiseen referenssiin.
Yleinen menetelmä laserin stabiloimiseksi on takaisinkytkentäsilmukka. Näyte valosta jaetaan ja lähetetään vakaaseen referenssiin, ja ilmaisin mittaa laserin taajuuden verrattuna vakaaseen referenssiin. Nollan virhesignaali osoittaa, että laser on lukittu referenssitilaan, kun taas nollan ylä- tai alapuolella olevat poikkeamat osoittavat taajuuden poikkeamaa.
Virhesignaalit ovat usein uskomattoman himmeitä, koska ne peittyvät taustamelun sisään. Perinteinen tapa purkaa se on analoginen lukitus-vahvistimessa-fyysisessä laatikossa, joka on erityisesti viritetty etsimään signaalia tietyllä taajuudella.
Ongelmia vahvistimien analogisessa lukituksessa-
Aiemmin laservakautusjärjestelmän luominen merkitsi erillisen-analogisen lukituksen-ostoa vahvistimeen, joka oli kytkettävä fyysisesti ilmaisimiin ja muihin elektronisiin moduuleihin. Se oli tehokasta, mutta joustamatonta. Ammattilaisten oli muutettava tai vaihdettava laitteisto modulaatiotaajuuden muuttamiseksi.
Vahvistimien analoginen lukitus- on ollut perusta herkälle mittaukselle vuosikymmeniä, koska ne voivat poimia heikkoja signaaleja erittäin meluisista ympäristöistä, joissa tarkka tiedonhaku on välttämätöntä. Ne palvelivat tehokkaasti tarkoitustaan, mutta ponnistelevat vastatakseen kehittyviin suorituskykyodotuksiin. Käyttäjät eivät voi helposti muuttaa laitteen ydintoimintoja ja asetuksia-mukaan lukien toimintataajuusalue, suodatintyypit ja aikavakiot.
Digitaalinen lukitus-vahvistimissa digitalisoi tulosignaalit digitaalisten signaalinkäsittelyalgoritmien avulla tarkan suodatuksen ja monitaajuisen demoduloinnin-ilman komponenttien ajautumista. Ne on suunniteltu korkean-tehokkuuden, reaaliaikaisten,-rinnakkaisten matemaattisten toimintojen suorittamiseen.
Digitaalinen toteutus toistaa analogisen lukon -boksin koodissa koko toiminnon digitaalisessa laitteessa. Se suodattaa ja käsittelee numeroita erottaakseen virhesignaalin reaaliajassa, ja sitten digitaali--analogiamuunnin luo laserin korjaamiseen tarvittavan jännitteen. Tämä lähestymistapa voi ylittää analogiset toteutukset suorituskyvyltään ja toiminnallisuudeltaan, erityisesti joustavuutta ja integraatiota vaativissa sovelluksissa.
Digitaalisen signaalinkäsittelyn perusteet
Nykyaikainen lähestymistapa on digitoida vahvistimen ydintoimintojen lukitus-. Nopea-analoginen---digitaalimuunnin (ADC) muuntaa ilmaisimesta tulevan kohinaisen analogisen signaalin digitaaliseksi datavirraksi. Digitaalinen signaalinkäsittely suorittaa matemaattisia operaatioita tälle tiedolle. Lähtö suodatetaan ja käsitellään virhesignaalin poimimiseksi reaaliajassa.
Signaalien muuttaminen dataksi.ADC muuntaa jatkuvan analogisen tulosignaalin erilliseksi numerosarjaksi. Tulojännitteen näytteistys korkealla kiinteällä taajuudella tuottaa datavirran, joka vastaa alkuperäistä aaltomuotoa. Tavoitteena on verrata tulosignaalia referenssiin, tyypillisesti siniaaltoon.
Tätä varten järjestelmä jakaa tulosignaalin. Molemmat kerrotaan erikseen viitteellä ja 90-asteen vaihe-siirretyllä kopiolla. Toisin kuin analogiset instrumentit, digitaalitekniikka eliminoi signaalin -/-kohinasuhteen häviöt signaalia jaettaessa. Nämä signaalit kulkevat sitten identtisten digitaalisten alipäästösuodattimien läpi kohinan poistamiseksi ja tietojen keskiarvoistamiseksi.
Demodulointiprosessin ulostulona on kaksi stabiilia tasavirta-arvoa. Niiden puhdistamiseen käytetään digitaalisia suodattimia, kuten kaskadoitua integraattorikampaa (CIC) tai rajallista impulssivastetta (FIR), joiden pitäisi vaimentaa korkeataajuisia signaaleja ja tuottaa tasavirtasignaali (DC) ilman kohinaa.
Puhdistussignaalit.CIC on suosittu, koska se ei vaadi suodatinkertoimien tallennusta tai kertolaskua. Se perustuu yksinkertaisimpiin laskelmiin,-tarvitset vain vähennys- ja yhteenlaskennan näiden suodattimien käyttöönottamiseksi. Voit myös saavuttaa alipäästösuodatuksen huomattavasti pienemmällä laskennallisuudella kuin FIR:llä.
Vaikka FIR:llä on edelleen käyttöä, se vaatii erittäin alhaisen-katkaisutaajuuden, mikä johtaa monimutkaisiin toimiin, huomattavaan resurssien kulutukseen ja korkeampaan latenssiin. Jos pidät FIR:stä, voit optimoida kahdella suodattimella, jotka jakavat yhden kerrointaulukon. Tämä menetelmä tarjoaa erinomaisen suorituskyvyn, alhaisen laskennan monimutkaisuuden ja alhaisen resurssien käytön.
Vähäiset viivästykset.Sekoituksen jälkeen signaali voi edelleen olla kohinaa. Sen puhdistamiseksi lukituksen-on on keskiarvo signaali. Keskiarvon laskeminen on yleinen viiveiden lähde, koska se ei luonnostaan voi muuttua hetkessä ja se on mitattava ajan myötä.
Jos keskimääräinen aikaväli on erittäin lyhyt, lähtö reagoi hyvin nopeasti muutoksiin, mutta et suodata paljon kohinaa. Sitä vastoin pitkän ajanjakson keskiarvon laskeminen poistaa tehokkaasti kohinan ja tuottaa puhtaan ja vakaan tuloksen, mutta kestää kauan reagoida, kun todellinen signaali muuttuu.
Aseta aikavakio-, joka mittaa kuinka nopeasti järjestelmä reagoi syötteeseen-hyvin lyhyeen arvoon. Vaikka lähtösi saattaa olla kohinaa, se reagoi lähes välittömästi kaikkiin muutoksiin. Kun lisäät asteittain aikavakiota, lähtö alkaa viiveellä. Pysäytä, kun signaali on riittävän vakaa luotettavaa mittausta varten, saadaksesi mahdollisimman lyhyen keskiarvon.
Digitaalisen toteutuksen edut
Vahvistimien digitaalisella lukituksella-laboratorion ammattilaiset voivat muuttaa parametreja,-kuten suodatinasetuksia, modulaatiotaajuutta ja vahvistusta-yksinkertaisesti muokkaamalla koodiriviä. Mitään laitteistoa ei tarvitse koskea. Digitaalinen ohjaus mahdollistaa monimutkaisemmat, mukautuvammat stabilointitekniikat, joita on vaikea tai mahdoton toteuttaa analogisilla komponenteilla.
Sen lisäksi, että tämä järjestelmä on intuitiivisempi, se on yleensä edullisempi. Yksi ohjelmoitava laite tulee olemaan huomattavasti halvempi kuin useita erikoistuneita elektroniikkalaatikoita analogisilla komponenteilla. Todellisissa-asetuksissa laservakautusjärjestelmät digitaalisella signaalinkäsittelyllä ovat tehokkaita, tehokkaita ja kustannus-tehokkaita.
Esimerkiksi SPM (Scanning Probe Microscopy) tarjoaa mikro-- ja nanomittakaavan pinnan topologiakarttoja. Yleensä skannauspisteen asettelu määritellään suorakaiteen muotoisten topografisten rasterikuvioiden sisällä. Tämän strategian riskinä on, että arvokasta tietoa saatetaan menettää riittämättömän skannaustiheyden vuoksi. Järjestelmä voi myös hukkua dataan, kun pienempi resoluutio riittäisi.
Mukautuvaa skannausta tukeva ohjain tekee tiedonkeruusta tehokkaampaa. Eräs tapaustutkimus osoitti, että jopa halpa-digitaalinen signaaliprosessori voi saavuttaa vertailukelpoisen suorituskyvyn-uusimpien kaupallisten mikroskooppien kanssa mahdollistaen 16-, 18- ja 20-bittisen toiminnan. Tämä kokeilu osoitti potentiaalin käyttää joustavia, valmiita komponentteja tehokkaiden instrumenttien luomiseen.
Suurempi bittisyvyys tarkoittaa, että säädin voi mitata paljon pienempiä korkeuseroja. Nanomittakaavainen kuvantaminen vaatii äärimmäistä tarkkuutta pienten ominaisuuksien havaitsemiseen, ja mukautettu järjestelmä lisää-kortteja alkuperäisen 14-bittisen resoluution nostamiseksi 18- ja 20-bittiseksi tarkemman ohjauksen ja mittauksen aikaansaamiseksi.
Laserstabilointijärjestelmän prototyypit
Digitaalinen lukitus-vahvistimissa on huomattavasti tarkempi kuin analogiset vastineet taajuussynteesin ja vaihe-herkän tunnistuksen ansiosta (katso kuva. 1). Digitaaliset toteutukset tarjoavat suuremman joustavuuden ja skaalautuvuuden lisääntyneestä toteutuksen monimutkaisuudesta huolimatta. Analogisia laitteita suunniteltaessa joitain virheitä on vaikea vähentää analogisen elektroniikan rajoitusten vuoksi.
Luovatpa kvanttioptiikan tutkijat digitaalista signaalinkäsittelyä monimutkaisten palauteverkkojen luomiseen tai yliopistolaboratoriot opettavatko opiskelijoille laserfysiikan periaatteita, nämä laserstabilointijärjestelmät ovat selvästi parempia kuin analogiset vastineensa.
Tehokkaan järjestelmän rakentamiseksi yksilöiden tulisi siirtyä sotkuisista, vanhentuneista laitteistoista älykkäiden ja joustavien ohjelmistojen suuntaan. Prototyyppiä tehdessään heidän on asetettava suodattimen aikavakio mahdollisimman lyhyeksi reaktioajan ja virhesignaalin vakauden tasapainottamiseksi. Stabiloinnin takaisinkytkentäsilmukan on oltava nopeampi kuin laserin ryömintä.
Hyvä lukitus-mittauksessa perustuu optimaaliseen vertailusignaaliin. Kun käytetään ulkoista referenssiä, niiden on varmistettava, että taajuus on hyvin määritelty ja vailla vaihekohinaa. Kun laadunvarmistustoimenpiteitä on suoritettu etukäteen, heidän järjestelmänsä hoitaa suuren osan jalkatyöstä. Jos säätöjä tarvitaan, se on yhtä helppoa kuin koodirivin vaihtaminen.
Siirry digitaalisiin toteutuksiin
Laserin stabilointi edellyttää erittäin heikon virhesignaalin havaitsemista huomattavan kohinan kautta. Vahvistimen lukitus- on erinomainen sen poistamisessa, mutta kaikkia ei ole luotu tasa-arvoisiksi. Digitaalinen, ohjelmisto{3}}määritelty alusta korvaa kookkaat, kalliit laitteistot ja tekee prototyyppien valmistamisesta ja toteutuksesta nopeampaa, halvempaa ja joustavampaa (katso kuva. 2).
Tarkkuuden vuoksi vahvistimessa kerran -vallitseva analoginen lukitus- on nyt vanhentunut. Vaikka se on edelleen käyttökelpoinen, sen moderni vastine on selvästi ylivoimainen. Käytätpä edelleen analogisia lock{4}}vahvistimissa 1970-luvulta tai työskentelet ensimmäisen digitaalisen signaalinkäsittelyprojektin parissa, voit helposti perustella päivityksen.
