《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > 模擬設(shè)計(jì) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 數(shù)字化F-P前端的仿真驗(yàn)證
數(shù)字化F-P前端的仿真驗(yàn)證
電子技術(shù)應(yīng)用
史會賢1，2，馬琳1，3，許駿1，3
1.中國科學(xué)院云南天文臺；2.中國科學(xué)院大學(xué)； 3.云南省太陽物理與空間目標(biāo)監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
摘要： 提出一種基于差分電容原理的新型數(shù)字化F-P濾波器電路控制系統(tǒng)，并基于FPGA對該系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析以及硬件驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明該系統(tǒng)避免了現(xiàn)有F-P濾光器模擬電路控制系統(tǒng)的系統(tǒng)時間穩(wěn)定性差的問題，具有極高的抗干擾能力，為高穩(wěn)定無漂移的F-P控制系統(tǒng)提供了新思路。
中圖分類號：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245614
中文引用格式： 史會賢，馬琳，許駿. 數(shù)字化F-P前端的仿真驗(yàn)證[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(1)：94-102.
英文引用格式： Shi Huixian，Ma Lin，Xu Jun. Simulation validation of a digital F-P control system front-end[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(1)：94-102.
Simulation validation of a digital F-P control system front-end
Shi Huixian1，2，Ma Lin1，3，Xu Jun1，3
1.Yunnan Observatories， Chinese Academy of Sciences；2.University of Chinese Academy of Sciences；3.Yunnan Key Laboratory of Solar Physics and Space Science
Abstract： In this paper, a new digital F-P filter circuit control system based on differential capacitance principle is proposed. The theoretical analysis and hardware verification of the system are carried out based on FPGA, and the verification results show that the system avoids the problem of poor system time stability of the existing analog circuit control system of F-P filters, and has a very high interference immunity, which provides a new way of thinking for the F-P control system with high stability and no drifting. It provides a new idea for a highly stable and drift-free F-P control system.
Key words : digitization；F-P；servo control；capacitive micrometer

引言

Fabry-Pérot（簡稱F-P）干涉儀由Fabry和Pérot于1899年提出[1]，具有極強(qiáng)的光譜分辨本領(lǐng)，在天文、通信和環(huán)境檢測等多個方面都有廣泛應(yīng)用。F-P的高透過率、較大通光孔徑和中心波長易調(diào)節(jié)都使它成為很理想的微光探測儀器。此外，F(xiàn)-P采用不同的腔體材質(zhì)和膜層介質(zhì)可以讓其在各個波長范圍內(nèi)使用[2]。天文上實(shí)際使用的F-P濾光器由光學(xué)機(jī)械部件和控制器兩大核心組成。光學(xué)核心部件是兩塊嚴(yán)格平行的光學(xué)平板，實(shí)現(xiàn)極窄帶濾光，并通過調(diào)節(jié)平板間距實(shí)現(xiàn)中心波長掃描。

F-P要實(shí)現(xiàn)高透過率和強(qiáng)光譜分辨本領(lǐng)，需要確保平行玻璃板的平行度，以及板間距離的穩(wěn)定精確的調(diào)節(jié)，這一功能由電路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，即由F-P控制器實(shí)現(xiàn)。本文延用基于壓電陶瓷促動器的電容式伺服F-P電路控制系統(tǒng)并做了重要改進(jìn)。電容式伺服F-P控制系統(tǒng)基于差分電容原理，利用差分電容傳感器將F-P濾光器平行板的平行度信息轉(zhuǎn)化為電壓信號進(jìn)行測量，并將電壓信號作用在壓電陶瓷促動器上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋控制。

F-P濾光器平行板上電容電極板和壓電陶瓷促動器布置方式多種多樣，如圖1所示，F(xiàn)-P平板內(nèi)側(cè)上下表面鍍制上導(dǎo)電膜，當(dāng)兩個平行板相對放置時，會形成5個電容器，與一個外接的參考電容器一起組成了3條通道（圖2），其中x通道和y通道用來檢測F-P濾光器平行板x、y方向的平行度，z通道的電容與外接標(biāo)準(zhǔn)電容相連，用來檢測間距變化。

11.png

圖1　F-P濾光器電容對與陶瓷壓電促動器示意圖

在前人成功的技術(shù)路線中，普遍采用電路產(chǎn)生兩路等大反相信號以驅(qū)動電容差分測量電路，輸出攜帶平行度信息的電壓信號，經(jīng)由相敏檢波電路檢出后驅(qū)動壓電陶瓷促動器改變平行度和間距，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋調(diào)節(jié)。

22.png

圖2　典型電容式F-P模擬控制電路簡化圖

三條通道電路一致，以其中一條為例。在x路，Jones等人采用變壓器產(chǎn)生兩路等大反相的正弦波驅(qū)動信號，驅(qū)動差分電容檢測電路檢測極微弱信號，并采用方波與正弦波相乘的“Chopper”方式實(shí)現(xiàn)相敏檢波。當(dāng)使用變壓器時，由于工藝的限制，繞組無法對稱，難以產(chǎn)生真正的對稱正弦波，Jones等人采用了復(fù)雜的補(bǔ)償電路，未解決這一問題[3]。為此，王良凱等人將這部分電路改進(jìn)為運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，信號對稱度達(dá)到10-6，系統(tǒng)穩(wěn)定時間可達(dá)到4小時，但隨時間漂移的問題仍沒有根本解決[4]。

其二，對于相敏檢波部分，理論上，應(yīng)當(dāng)采用正弦參考信號與待測信號（即差分電容對的輸出信號）相關(guān)，王良凱等人估算出此時相位裕度約為，然而，當(dāng)采用“Chopper”方式進(jìn)行相關(guān)時，相位寬容度急劇下降，MATLAB仿真顯示1°的相位漂移即可導(dǎo)致檢出誤差超過容許范圍，而傳統(tǒng)的基于RC的移相電路，1°的穩(wěn)定度是難以實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)上述分析，結(jié)合電子技術(shù)近期發(fā)展，本設(shè)計(jì)提出兩個改進(jìn)點(diǎn)：

（1）不再使用對稱正弦波驅(qū)動差分電容對，而采用單一正弦波驅(qū)動；

（2）將模擬相敏檢波器（Phase Sensitive Detection，PSD）改進(jìn)為數(shù)字相敏檢波器（Digital Phase Sensitive Detection，DPSD），從而真正實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算。


本文詳細(xì)內(nèi)容請下載：

http://ihrv.cn/resource/share/2000006289


作者信息：

史會賢1，2，馬琳1，3，許駿1，3

（1.中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明 650216；

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 101408；

3.云南省太陽物理與空間目標(biāo)監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650216）


Magazine.Subscription.jpg

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。