ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ
ELECTRONIC STABILIZATION SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области стандартов частоты и устройствам для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты и может быть использовано при проектировании различных типов систем электронной обратной связи, например, систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) фемтосекундных лазеров, систем электронной привязки к оптическим высокодобротным резонаторам в стандартах частоты и времени на основе стронция, рубидия, цезия, приемниках-компараторах и других приборах для частотно-временных измерений.
Принцип действия электронной системы стабилизации ЭСС заключается в адаптивной подстройке частоты ГУН (генератора радиочастоты, частоты лазера) относительно внешнего опорного генератора или резонансной системы. Одним из главных элементов систем стабилизации частоты лазеров (электронной системы стабилизации с частотной или фазовой подстройкой, т.е. ФАПЧ, которой является частотно-фазовый детектор (ЧФД). Также в состав ФАПЧ входят фильтры низких частот (ФНЧ), генераторы управляемые напряжением (ГУН) или иные управляемые элементы с частотным выходом, эталонный генератор. В случае системы обратной связи типа Паунда-Древера-Холла (ПДХ) используются смеситель и оптический узкополосный фильтр (например, высоко добротный резонатор). ЧФД/смеситель сравнивает фазы эталонного генератора и выходного сигнала управляемой системы (сигнал биений, получаемый с фотоприемника). Далее сигнал подвергается фильтрации ФНЧ для устранения высокочастотных составляющих. Выходной сигнал после ФНЧ преобразуется (усиливается, суммируется) таким образом, что напряжение на выходе становится таково, что ГУН или иной управляемый напряжением элемент подстраивает свою выходную частоту до получения на выходе детектирующего элемента (например, за счет биений оптических сигналов опорного лазера и выходного лазера стабилизируемой системы) частоты или фазы совпадающей с частотой/фазой эталонного генератора, после чего подается на ЧФД/смеситель. При принудительной модуляции сигнала управления ГУН на выходе ЧФД/смесителя имеется сигнал показанный на Фиг. 1. Стабилизация системы происходит вокруг точки пересечения сигнала с осью абсцисс. Наличие паразитного смещения в сигнале ошибки по независящим от разработчиков причинам, например, токов утечки из-за неидеальности технологии изготовления операционных усилителей, различных засветок фотодетектора и т.д., приводит к смещению сигнала ошибки и, соответственно, к ассиметрии регулирования рабочей точки системы обратной связи. На Фиг. 2 продемонстрирована диаграмма смещения сигнала ошибки на выходе смесителя или фазового детектора системы обратной связи. Видно смещение точки регулирования по частоте ΔF при смещении сигнала регулирования, например, напряжения ΔU. Так, например, при возникновении данного эффекта в системе стабилизации частоты повторений фемтосекундного лазера, т.е. расстояния между модами фемтосекундного лазера может смещаться на величину 10-20 кГц, что при учете дрейфа во времени данного смещения делает устройство непригодным для долговременных точных измерений. При добавлении автоматического корректора обратной связи (КОС) эффект заключается в определении и устранении сдвига сигнала ошибки цепей обратной связи ФАПЧ и других систем функционирующих с использованием модулирования несущей частоты, а также в способности поиска точки стабилизации. Расширение возможностей системы стабилизации путем применения одновременно работающего с основной системой обратной связи полностью автоматического КОС, вырабатывающего сигнал коррекции для сдвига сигнала ошибки, позволит увеличить время корректной работы устройства.
Известна ЭСС (Патент №: US 6,714,083 В2, Date of Patent: Mar. 30, 1989), содержащая частотно-фазовый детектор, подключенный к нему источник опорной частоты, схема с зарядовой связью и фильтр низких частот, к фильтру низких частот подключен генератор управляемый напряжением или иной управляемый элемент с частотным выходом, который соединен с делителем частоты, который, в свою очередь, соединен с частотно-фазовым детектором, к выходу которого подключена схема индикации совпадения фаз входного опорного и выходного, пропущенного через делитель, сигналов на дискретных элементах.
Однако в указанной ЭСС используется простая индикация состояния совпадения фаз входного опорного и выходного, пропущенного через делитель, сигналов на дискретных элементах, что не приводит к компенсации смещения сигнала ошибки или автоматическому поиску синхронизма системы стабилизации.
Кроме того, известна ЭСС (Patent No: US 6,654,394 B1, Date of Patent: Nov. 25, 2003), являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее частотно-фазовый детектор/смеситель, подключенный к нему источник опорной частоты и фильтр низких частот, к фильтру низких частот подключен усилитель, а к усилителю подключен генератор управляемый напряжением или иной управляемый элемент с частотным выходом, который соединен с фотодетектором, который, в свою очередь, соединен со смесителем
Однако в указанном устройстве для стабилизации используется только сигнал ошибки на выходе из смесителя с дальнейшей обработкой фильтром низких частот и подачей через преобразователь напряжения на ГУН в виде лазерного излучателя. Автоматической коррекции смещения сигнала ошибки и автоматического поиска точки стабилизации, т.е. синхронизма не производится, что не увеличивает стабильность и долговременную работу.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение стабильности и долговременной работы электронных систем обратной связи лазерных и оптических систем.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве электронной системы стабилизации, содержащей, смеситель, подключенный к нему источник опорной частоты и фильтр низких частот, к фильтру низких частот подключен усилитель, а к усилителю подключен генератор управляемый напряжением или иной управляемый элемент с частотным выходом, который соединен с фотодетектором, который, в свою очередь, соединен со смесителем, заключающееся в том, что в него введены инвертирующий и неинвертирующий усилители, к которым подключены фильтры низких частот, к которым подсоединены однополупериодные выпрямители и ограничители уровней, соединенные со входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП), подключенных ко входу микроконтроллера, который содержит программу логически связывающую АЦП, индикатор стабилизации и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), физически один выход микроконтроллера соединен с индикатором стабилизации, а другой выход с ЦАП, который подключен к усилителю-сумматору обратной связи.
Изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 приведена диаграмма сигнала ошибки на выходе смесителя или фазового детектора системы обратной связи, на Фиг. 2 приведена диаграмма смещения сигнала ошибки на выходе смесителя или фазового детектора системы обратной связи, на Фиг. 3 (помещается в реферат) приведена блок-схема системы обратной связи ФАПЧ с использованием изобретения, на Фиг. 4 приведена блок-схема системы обратной связи ПДХ с использованием изобретения, на Фиг. 5 приведена блок-схема подпрограммы микроконтроллера, на Фиг. 6 приведена блок-схема подпрограммы микроконтроллера, часть 1, на ФИГ.7 приведена блок-схема подпрограммы микроконтроллера, часть 2.
ЭСС (ФИГ. 1) содержит изображение несмещенного сигнала ошибки на выходе перемножителя или ЧФД системы обратной связи.
ЭСС (ФИГ. 2) содержит изображение смещенного сигнала ошибки на выходе перемножителя или ЧФД системы обратной связи.
ЭСС (ФИГ. 3) содержит: 1 - частотно-фазовый детектор/смеситель, 2 - ФНЧ, 3 - усилитель, 4 - ГУН, 5 - фотодетектор, 7 - источник опорной частоты, 8 - неинвертирующий операционный усилитель, 9 - ФНЧ (граничная частота меньше, чем у ФНЧ 2), 10 - однополупериодный выпрямитель, 11 - ограничитель уровня сверху и снизу, 12 - аналого-цифровой преобразователь, 13 - микроконтроллер с программой, указанной на ФИГ. 5, ФИГ. 6, ФИГ. 7, 14 - индикатор стабилизации, 15 - инвертирующий операционный усилитель, 16 - ФНЧ (граничная частота меньше, чем у ФНЧ 2), 17 - однополупериодный выпрямитель, 18 - ограничитель уровня сверху и снизу, 19 - аналого-цифровой преобразователь, 20 - цифроуправляемый драйвер с цифровым или аналоговым выходом.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве электронной системы стабилизации, содержащей, частотно-фазовый детектор/смеситель (1), подключенный к нему источник опорной частоты (7) и фильтр низких частот (2), к фильтру низких частот (2) подключен усилитель (3), а к усилителю (3) подключен генератор управляемый напряжением (4) или иной управляемый элемент с частотным выходом, который соединен с фотодетектором (5), который, в свою очередь, соединен с частотно-фазовым детектором/смесителем (1). В устройство дополнительно введены инвертирующий (15) и неинвертирующий (8) усилители, к которым подключены фильтры низких частот (2), (9), (16), при этом к фильтрам низких частот (9), (16) подсоединены однополупериодные выпрямители (10), (17) и ограничители уровней (11), (18), соединенные со входами аналого-цифровых преобразователей (12), (19), подключенных ко входу микроконтроллера (13). Микроконтроллер (13) содержит программу алгоритмически связывающую аналого-цифровые преобразователи (12), (19), индикатор стабилизации (14) и цифро-аналоговый преобразователь (20), и обеспечивающую автоматические поиск и коррекцию синхронизма, физически один выход микроконтроллера (13) соединен с индикатором стабилизации (14), а другой выход с цифро-аналоговым преобразователем (20), который подключен к усилителю (3).
ЭСС (ФИГ. 4) содержит: 2 - ФНЧ, 3 - усилитель, 4 - ГУН, 5 - фотодетектор, 7 - источник опорной частоты, 8 - неинвертирующий операционный усилитель, 9 - ФНЧ (граничная частота меньше, чем у ФНЧ 2), 10 - однополупериодный выпрямитель, 11 - ограничитель уровня сверху и снизу, 12 - аналого-цифровой преобразователь, 13 - микроконтроллер с программой, указанной на ФИГ. 5, ФИГ. 6, ФИГ. 7, 14 - индикатор стабилизации, 15 - инвертирующий операционный усилитель, 16 - ФНЧ (граничная частота меньше, чем у ФНЧ 2), 17 - однополупериодный выпрямитель, 18 - ограничитель уровня сверху и снизу, 19 - аналого-цифровой преобразователь, 20 - цифроуправляемый драйвер с цифровым или аналоговым выходом, 21 - смеситель, 22 - оптический фильтр боковых полос (например, высокодобротный резонатор), 23 - модулятор оптического излучения (например, электрооптический модулятор).
При этом схема обратной связи, содержащая, ЧФД 1 или смеситель 21, подключенный к нему источник опорной частоты 7 и фильтр низких частот 2, к фильтру низких частот 2 подключен усилитель 3, а к усилителю подключен генератор управляемый напряжением 4 или иной управляемый элемент с частотным выходом, который соединен с фотодетектором 5, который, в свою очередь, соединен со ЧФД/смесителем 1/21, заключающееся в том, что в него введены инвертирующий 15 и неинвертирующий усилители 8, к которым подключены фильтры низких частот 2, 9 и 16, при этом к фильтрам низких частот 9, 16 подсоединены однополупериодные выпрямители 10 и 17 и ограничители уровней 11 и 18, соединенные со входами аналого-цифровых преобразователей 12 и 19, подключенных ко входу микроконтроллера 13, который содержит программу логически связывающую аналого-цифровые преобразователи, индикатор стабилизации 14 и цифро-аналоговый преобразователь 20, физически один выход микроконтроллера соединен с индикатором стабилизации 14, а другой выход с цифро-аналоговым преобразователем 20, который подключен к усилителю обратной связи 3.
При этом ЧФД/смеситель 1/21 может быть выполнен на микросхеме ZRPD1+, фильтр нижних частот на основе операционного усилителя OP27G, ОР177 с конденсаторами, усилитель 3 на операционном усилителе OP27G, ГУН 4 может быть выполнен с использованием полупроводниковых лазеров с внешним резонатором, фотодетектор 5 может быть выполнен на основе быстрого фотоприемника Hamamtsu S5973-01, источник опорной частоты 7 на основе МАХ038, 8 - неинвертирующий операционный усилитель 8 на основе операционного усилителя OP27G, ФНЧ 9 на основе на основе операционного усилителя OP27G, ОР177 с конденсаторами, однополупериодный выпрямитель 10 на основе диода 1N4007, стабилитрона 1N4733A и операционного усилителя ОР27, ограничитель уровня сверху и снизу 11 может быть выполнен на основе стабилитрона 1N4733A и операционного усилителя OP27G, либо без него, аналого-цифровой преобразователь 12 может быть выполнен на микросхеме МСР3008, микроконтроллер 13 содержащий программу на PIC16F886, MSP430, индикатор стабилизации 14 на светодиоде GNL-3014GD, инвертирующий операционный усилитель 15 с использованием операционного усилителя OP27G, ФНЧ 16 (граничная частота меньше, чем у ФНЧ 2) на операционном усилителе OP27G с конденсатором, однополупериодный выпрямитель 17 на основе диода 1N4007 или стабилитрона 1N4733A и операционного усилителя OP27G, ограничитель уровня 18 сверху и снизу может быть выполнен на основе стабилитрона 1N4733A и операционного усилителя OP27G, аналого-цифровой преобразователь 19 может быть выполнен на микросхеме МСР3008, цифроуправляемый драйвер 20 с цифровым или аналоговым выходом на основе НАЛ МСР4922, смеситель 21 может представлять собой микросхему ADF4113, оптический фильтр боковых полос 22 может быть выполнен в виде резонатора Фабри-Перо с высокой добротностью, модулятор оптического излучения 23 - например, электрооггический модулятор.
Устройство работает следующим образом, сигнал ошибки, представленный на ФИГ. 1, поступает с ЧФД 1 или смесителя 21 на фильтр нижних частот 2 основной схемы обратной связи, далее сигнал проходит через фильтр нижних частот 2 усиливается усилителем 3 и поступает на управляемый элемент 4, который вырабатывает частоту поступающую на фотоприемник 5, сигнал с фотоприемник 5 поступает обратно на ЧФД 1 или смеситель 21. Подаваемый на фильтр нижних частот 2 сигнал также подается на входы инвертирующего 8 и неинвертирующего 15 усилителей, где усиливаются, либо повторяются, после чего сигналы проходят через соответствующие фильтры нижних частот 9 и 16, где происходит накопление сигнала о соответствующей (положительной и отрицательной) половине сигнала ошибки. Далее сигналы содержащие информацию об интегральном уровне полуволн сигнала ошибки проходят через однополупериодные выпрямители 10 и 17 и ограничители уровней 11 и 18, соответственно. Данные ограничители корректирую сигнал сверху максимальным входным напряжением, а снизу минимально допустимым напряжением аналого-цифрового преобразователя 12 и 19. Преобразуясь из аналоговой формы в цифровую, информация об интегральном уровне сигнала каждой полуволны сигнала ошибки поступает в микроконтроллер 13, где обрабатывается по программе, приведенной в виде блок-схемы на ФИГ. 5, Фиг. 6 и ФИГ. 7. Результат обработки выводится через цифро-аналоговый преобразователь 20 и подается на усилитель 3. Результатом работы является поступательное приближение к величине, например, управляющего напряжения ГУН, когда сигнал ошибки не имеет смещения, т.е. интегральные составляющие сигнала ошибки равны.
Таким образом, посредством использования ЭОС с корректором обратной связи, обеспечивается расширение возможностей системы стабилизации путем применения одновременно работающего с основной системой обратной связи полностью автоматического корректора обратной связи, вырабатывающего сигнал коррекции для компенсации положения сигнала ошибки, что позволяет увеличить стабильность и долговременную работу электронных систем обратной связи лазерных и оптических систем.