УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ
DEVICE FOR DIGITAL CONTROL OF RADIATION POWER OF LASER EMITTER

Предлагаемое изобретение относится к электронным устройствам автоматического управления мощностью излучения лазерного излучателя (ЛИ), предназначенного для работы в служебных системах автоматической юстировки (линейной, угловой, согласования оптических осей) и фокусировки телескопа.
Известно устройство управления и стабилизации мощности излучения ЛИ с применением обратной связи - патент РФ № 2163412 с приоритетом от 22.07.1999, опубликованный 20.02.2001 [1].
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство управления мощностью излучения ЛИ - патент РФ № 2265940 с приоритетом от 18.08.2003, опубликованный 10.12.2005 [2].
Устройство [2] содержит ЛИ со встроенным фотодиодом, соединенный с усилителем сигнала фотодиода и с выходным усилителем тока накачки ЛИ, источник опорного напряжения, сумматор на основе инвертирующего операционного усилителя и интегрирующую цепь, выход которой подключен к входу выходного усилителя тока накачки ЛИ, при этом вход сумматора подключен к выходам усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения. Часть выходной мощности ЛИ поступает на встроенный фотодиод. Сигнал фотодиода преобразуется преобразователем в напряжение, которое вычитается на выходе сумматора из напряжения источника опорного сигнала, стабилизируя его значение.
Устройство [2] требует трудоемкой операции настройки тока ЛИ с помощью изменения сопротивления резисторов, устанавливаемых в заглушку.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и обеспечение регулировки тока накачки ЛИ.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ, которое, как и прототип, содержит ЛИ со встроенным фотодиодом, соединенным с усилителем сигнала фотодиода, последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор, на вход которого подаются сигналы с усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения, интегрирующую цепь, систему управления телескопом (СУ).
В отличие от прототипа в устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ введен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), подключенный своим аналоговым входом к выходу интегрирующей цепи, а цифровыми входами к системе управления и содержащий последовательно соединенные блок транзисторных ключей с весовыми резисторами и суммирующий операционный усилитель, к выходу которого подключен источник тока накачки ЛИ, выход которого подключен к ЛИ, причем, ток накачки регулируется цифровым входным сигналом ЦАП, поступающим из СУ.
Сущность изобретения заключается в том, что введение в устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ ЦАП и источника тока накачки ЛИ обеспечивает регулирование тока накачки ЛИ по программе и не требует трудоемкой операции настройки тока ЛИ с помощью подбора резисторов ни при изготовлении автоколлиматора, где компенсируются ошибки оптической схемы, ни при сборке изделия, где компенсируются ошибки оптической схемы, включая параметры главного и вторичного зеркал. Размещение на плате устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ в блоке обработки и управления сигнала изображения (БОУ) позволяет исключить блок питания ЛИ, заглушку с резисторами настройки, соединители вилка-розетка PC-19, соединитель PC-50 с кабелем, соединяющим блок питания излучателя с СУ, что позволяет уменьшить вес устройства.
На чертеже представлена функциональная схема устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ:
1 - блок обработки и управления сигнала изображения (БОУ);
2 - устройство цифрового управления мощностью излучения лазерного излучателя;
3 - лазерный излучатель (ЛИ);
4 - фотодиод;
5 - усилитель сигнала фотодиода;
6 - сумматор;
7 - источник опорного напряжения;
8 - интегрирующая цепь;
9 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
10 - блок транзисторных ключей с весовыми резисторами;
11 - суммирующий операционный усилитель;
12 - источник тока накачки ЛИ;
13 - система управления телескопом (СУ).
В качестве ЛИ 3 может быть использован лазер со встроенным фотодиодом типа ИЛПН-232. Сумматор 6, суммирующий операционный усилитель 11 и источник тока накачки ЛИ 12 выполнены на аналоговых микросхемах серии 544, СУ 13 - на микросхемах серии 533, 1533 и 571, источник опорного напряжения 7 - на стабилитроне 2С133А, блок транзисторных ключей с весовыми резисторами 10 может быть реализован на транзисторной сборке 159НТ1.
Устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ работает следующим образом.
По команде включения в устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ 2 из СУ 13 поступает напряжение питания 27 В, при этом БОУ 1 вырабатывает и выдает в СУ 13 первый сигнал оперативного контроля «ОК Готов». После приема сигнала «ОК Готов» СУ 13 по программе приступает к циклическому выполнению автономной операции - выдача входных сигналов экспозиции в БОУ 1. Входной сигнал экспозиции является для устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ 2 управляющим сигналом, по которому снимается блокировка входа источника тока накачки ЛИ 12. При этом от источника опорного напряжения 7 через сумматор 6, интегрирующую цепь 8 на аналоговый вход ЦАП 9, а именно на блок транзисторных ключей с весовыми резисторами 10, поступает постоянное напряжение. При наличии на цифровых входах ЦАП 9 цифрового сигнала на вход суммирующего операционного усилителя 11 поступают токи от включенных разрядов. Комбинация включенных и отключенных резисторов блока 10 (соотношение сопротивлений соседних резисторов соответствует двоичному коду R, 2R, 4R,…) определяется значением бит цифрового сигнала («Логическая единица» - резистор включен). Выходное напряжение ЦАП 9 имеет вид:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>D</mi><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msup><mn>2</mn><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mo>…</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mi>n</mi></msub><mo>/</mo><msup><mn>2</mn><mi>n</mi></msup><mo>,</mo></mrow>
где
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
- входной аналоговый сигнал, поступающий на аналоговый вход ЦАП 9;
1
2
n
2
n
D=d/2+d/2+…d/2 - входной цифровой сигнал, поступающий на цифровой вход ЦАП 9;
1…
n
i
dd - разрядные коэффициенты (значения бит цифрового сигнала), определяющие подключение (при d=0) входного аналогового сигнала ко входу ЦАП.
Разрядные токи, соответствующие весам разрядов, равны:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>R</mi><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><mn>4</mn><mi>R</mi><mo>,</mo><mo>…</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>I</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>d</mi><mi>n</mi></msub><mo>/</mo><msup><mn>2</mn><mi>n</mi></msup><mi>R</mi></mtd></mtr></mtable>
Суммирование и преобразование этих токов в напряжение осуществляется суммирующим операционным усилителем 11 с резистором R в цепи отрицательной обратной связи.
Выходное напряжение ЦАП 9 при этом равно
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>d</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>I</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>d</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
i
i
При этом d=1 соответствует замыканию ключа, а d=0 - размыканию.
К выходу суммирующего операционного усилителя 11 подключен источник тока накачки ЛИ 12 на сдвоенном операционном усилителе, на вход которого поступает постоянное напряжение, открывающее ЛИ 3. ЛИ 3 излучает поток лучистой энергии, часть которой попадает на фотодиод 4. Сигнал с выхода усилителя сигнала 5 суммируется с напряжением от источника опорного напряжения 7 на инвертирующем входе сумматора 6 и поступает через интегрирующую цепь 8 на аналоговый вход ЦАП 9 и далее на источник тока накачки ЛИ 12, обеспечивая на его выходе необходимый ток накачки ЛИ 3. Питание ЛИ 3 от источника тока накачки 12, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, имеющего высокую линейную зависимость выходного тока от напряжения, позволяет достичь более точного измерения координат автоколлимационного изображения в служебных системах юстировки и фокусировки изделия при высокой стабильности и повторяемости мощности излучения ЛИ 3.
При отклонении мощности излучения ЛИ 3, предположим в сторону уменьшения мощности, уменьшается поток лучистой энергии, попадающий на фотодиод 4. При этом уменьшается сигнал с выхода фотодиода 4, а разность сигнала фотодиода 4 и напряжения от источника опорного напряжения 7 на выходе сумматора 6 увеличивается, что приводит к увеличению тока источника тока накачки ЛИ 12, то есть мощность излучения ЛИ 3 возрастает. Так осуществляется стабилизация мощности излучения ЛИ 3.
По окончанию входного сигнала экспозиции БОУ 1 заканчивает формирование и выдачу в СУ 13 второго сигнала оперативного контроля «ОК Экспозиция», обесточивает источник тока накачки ЛИ 12 и выключает ЛИ 3. По команде выключения из СУ 13 устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ 2 обесточивается и переходит в режим ожидания.
Количество входных сигналов экспозиции может изменяться от 1 до 10 в цикле при длительности каждого входного сигнала экспозиции от 0,2 до 200 мс, частота заполнения сигнала экспозиции может быть выбрана из диапазона 100 кГц - 10 МГц.
Таким образом, предлагаемое изобретение решает поставленную задачу - упрощение конструкции за счет питания ЛИ от устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ, размещенного на плате, встроенной в блок обработки и управления сигналом изображения, что позволяет исключить блоки питания ЛИ, заглушку, кабель, тем самым уменьшая вес устройства, а включение в устройство цифрового управления мощностью ЛИ ЦАП исключает трудоемкую настройку тока накачки ЛИ.