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　　實驗名稱：激光干涉儀數(shù)字仿真及控制研究

　　測試設備：高壓放大器、壓電換能器、電光調(diào)制器、光電探測器、分光器等。

　　實驗過程：

　　圖1：實驗裝置圖。激光束用實線表示，電信號用虛線表示，EOM：電光調(diào)制器。BS：分光器。HVAMP：高壓放大器。PD：光電探測器。FPGA：現(xiàn)場可編程門陣列。PZT：壓電換能器。

　　實驗設置如圖1所示。相位調(diào)制(90MHz)的激光束被注入線性腔，其失諧由壓電換能器(PZT)驅動。空腔由兩個間隔距離為28mm的反射鏡組成。反射光被50%的分光器反射并由寬帶光電探測器(PD1)檢測。之后的光電流被解調(diào)，其基準來自與調(diào)制激光器相同的本地振蕩器。通過光學腔透射的激光由另一個光電探測器(PD2)探測，并且探測到的光電流被用作光學功率參考。誤差信號和光功率參考被發(fā)送到I/O連接器。I/O連接器上的16位模數(shù)轉換器(ADC)將上述兩個模擬信號轉換成數(shù)字信號，并將其輸入現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)中。在FPGA上運行的控制器的數(shù)字程序是用Labview組成和調(diào)試的。程序輸出由16位數(shù)模轉換器將數(shù)字信號轉換為模擬信號，連接到高壓放大器，然后連接到腔的PZT上以驅動腔失諧。

　　圖2：閉環(huán)反饋控制示意圖。G1(s)為控制器的傳遞函數(shù)，G2(s)是控制對象的傳遞函數(shù)。SP代表設定點，C(s)代表腔失諧誤差信號。藍色部分是測量系統(tǒng)頻率響應的示意圖。

　　實驗采用閉環(huán)反饋控制。示意圖如圖2所示。受控系統(tǒng)的誤差信號由數(shù)字比例積分控制器處理，然后反饋到腔體中。

　　圖3：系統(tǒng)的頻率響應圖。

　　如圖2所示，系統(tǒng)的頻率響應是用信號分析儀通過向壓電陶瓷注入一個正弦信號并檢測相應的誤差信號來測量的。圖3給出了在沒有伺服系統(tǒng)控制下的開環(huán)頻率響應和在有伺服系統(tǒng)控制下的閉環(huán)頻率響應。它表明，數(shù)字控制系統(tǒng)在很大程度上抑制了低于1kHz的振動噪聲。系統(tǒng)帶寬主要受到壓電陶瓷的機械共振的限制。圖4顯示了鎖定和解鎖狀態(tài)下的誤差信號的噪聲譜。在1kHz的峰值表明，在控制帶寬的邊緣有輕微的振蕩。本底噪聲是在法布里-珀羅空腔不發(fā)生共振時測量的。

　　圖4：誤差信號頻譜。

　　實驗結果：

　　圖5（a）：具有自適應PI總增益的腔透射功率和誤差信號。

　　圖5（b）：具有非自適應PI總增益的腔透射功率和誤差信號。

　　為了驗證所設計的數(shù)字控制系統(tǒng)在激光功率變化條件下的控制能力，對入射激光用10Hz方波進行強度調(diào)制。實驗結果如圖5所示。圖5(a)給出了具有自適應總增益的誤差信號和腔透射。圖5(b)給出了具有非自適應總增益的誤差信號和腔透射。紅線代表誤差信號，藍線代表空腔透射功率。

　　可以看出，當激光功率變化時，系統(tǒng)的透射光隨入射光變化，但誤差信號仍保持為零，說明自適應的總增益可以有效地保持系統(tǒng)穩(wěn)定。而在非自適應的總增益下系統(tǒng)的誤差信號和透射光均發(fā)生震蕩。此時系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　　高壓放大器推薦：ATA-7030

　　圖：ATA-7030高壓放大器指標參數(shù)

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