Lazerinės stabilizavimo sistemos kūrimas reiškė didelės apimties, brangaus analoginio užrakto-saugą stiprintuve. Nors šios sistemos yra veiksmingos, jos gali būti ribotos lankstumo, delsos ir integracijos požiūriu, palyginti su šiuolaikiniais skaitmeniniais metodais. Skaitmeniniai įrenginiai, kuriuose naudojamas skaitmeninio signalo apdorojimas, pranoksta savo pirmtakus, o tai rodo realūs atvejų tyrimai. Ar lazerinio stabilizavimo ateitis yra skaitmeninė?
Lazerinis stabilizavimas yra būtinas. Daugelyje lazerinio stabilizavimo nustatymų signalas, rodantis dažnio nuokrypį, yra labai silpnas ir dažnai paslėptas foniniame triukšme. Aplinkos trikdžiai ir detektoriaus triukšmas gali lengvai dominuoti atliekant matavimus, todėl patikimas klaidos signalo ištraukimas yra sudėtingas.
Nepaisant išvaizdos, lazeriai nesukuria tobulai grynos spalvos ir nuolatinės galios. Kadangi jie yra jautrūs aplinkai, nedideli temperatūros, vibracijos, slėgio ar maitinimo šaltinio poslinkiai gali sukelti lazerio dažnio dreifą ir galios svyravimus. Netgi nedideli pakeitimai turi reikšmingų pasekmių laboratorijose ir mokymosi aplinkoje.
Didelio-tikslumo programoms, pvz., didelės-raiškos spektroskopijai, šis nestabilumas yra nepriimtinas. Asmenys turi naudoti lazerio stabilizavimo sistemas, kad aktyviai koreguotų svyravimus ir užfiksuotų lazerio išvestį prie labai stabilios išorinės atskaitos.
Bendras lazerio stabilizavimo metodas yra grįžtamojo ryšio kilpa. Šviesos pavyzdys yra padalytas ir siunčiamas į stabilų atskaitos tašką, o detektorius matuoja lazerio dažnį, palyginti su stabilia atskaita. Nulinis klaidos signalas rodo, kad lazeris užfiksuotas prie atskaitos būsenos, o nuokrypiai virš arba žemiau nulio rodo dažnio poslinkį.
Klaidos signalai dažnai būna neįtikėtinai silpni, nes jie pasislepia foniniame triukšme. Tradicinis būdas jį išgauti yra analoginis užraktas-stiprintuve-fizinis langelis, specialiai pritaikytas ieškoti signalo nurodytu dažniu.
Problemos dėl analoginio užrakto-stiprintuvuose
Anksčiau lazerinės stabilizavimo sistemos sukūrimas reikšdavo atskirą-analoginį užraktą-į stiprintuvą, kuris turi būti fiziškai prijungtas prie detektorių ir kitų elektroninių modulių. Tai buvo veiksminga, bet nelanksti. Profesionalai turėjo modifikuoti arba pakeisti techninę įrangą, kad pakeistų moduliavimo dažnį.
Analoginis užraktas-stiprintuvuose dešimtmečius buvo jautrių matavimų pagrindas, nes jie gali išgauti silpnus signalus iš itin triukšmingos aplinkos, kur būtina tiksliai gauti duomenis. Jie veiksmingai atliko savo tikslą, tačiau stengiasi patenkinti besikeičiančius našumo lūkesčius. Naudotojai negali lengvai pakeisti pagrindinių įrenginio funkcijų ir nustatymų,{3}}įskaitant veikimo dažnių diapazoną, filtrų tipus ir laiko konstantas.
Skaitmeninis užraktas-stiprintuvuose suskaitmenina įvesties signalus naudodamas skaitmeninio signalo apdorojimo algoritmus, kad būtų galima tiksliai filtruoti ir daugiadažniu demoduliavimu-be komponentų dreifo. Jie sukurti didelio-našumo realiuoju laiku-lygiagrečioms matematinėms operacijoms.
Skaitmeninis diegimas skaitmeniniame įrenginyje atkartoja visą analoginio užrakto -dėžutėje funkciją. Jis filtruoja ir apdoroja skaičius, kad realiuoju laiku išskirtų klaidos signalą, o skaitmeninis-į-analoginis keitiklis sukuria įtampą, reikalingą lazeriui ištaisyti. Šis metodas gali pranokti analoginį įgyvendinimą našumu ir funkcionalumu, ypač programose, kurioms reikalingas lankstumas ir integracija.
Skaitmeninio signalo apdorojimo pagrindai
Šiuolaikinis požiūris yra skaitmeninti pagrindinių stiprintuvo funkcijų užraktą-. Didelės spartos-analoginis-į-skaitmeninis keitiklis (ADC) paverčia triukšmingą analoginį signalą iš detektoriaus į skaitmeninių duomenų srautą. Skaitmeninis signalo apdorojimas atlieka matematines operacijas su šia informacija. Išvestis filtruojama ir apdorojama, kad būtų išgautas klaidos signalas realiuoju laiku.
Signalų pavertimas duomenimis.ADC konvertuoja nuolatinį analoginį įvesties signalą į atskirą skaičių seką. Atrinkus įvesties įtampą dideliu fiksuotu greičiu, gaunamas duomenų srautas, kuris apytiksliai atitinka pradinę bangos formą. Tikslas yra palyginti įvesties signalą su atskaita, paprastai sinusine banga.
Norėdami tai padaryti, sistema padalija įvesties signalą. Abu padauginami atskirai su nuoroda ir 90-laipsniu fazės-paslinkusia kopija. Skirtingai nuo analoginių instrumentų, skaitmeninė technologija pašalina signalo -ir-triukšmo santykio praradimą skaidant signalą. Tada šie signalai praeina per identiškus skaitmeninius žemųjų dažnių filtrus, kad pašalintų triukšmą ir apskaičiuotų duomenų vidurkį.
Demoduliavimo proceso išvestis yra dvi stabilios nuolatinės srovės vertės. Norėdami juos išvalyti, naudokite skaitmeninius filtrus, pvz., pakopines integratoriaus šukas (CIC) arba baigtinį impulsinį atsaką (FIR), kurie turėtų slopinti aukšto -dažnio signalus ir duoti nuolatinės srovės (DC) signalą be triukšmo.
Valymo signalai.CIC yra populiarus, nes jam nereikia filtro koeficiento saugojimo ar daugybos. Jis remiasi paprasčiausiais skaičiavimais,-kad šie filtrai būtų įdiegti, jums reikia tik atimties ir pridėjimo. Taip pat galite pasiekti žemų dažnių-filtravimą su daug mažesniu skaičiavimo sudėtingumu nei naudojant FIR.
Nors FIR vis dar naudojamas, jam reikalingas ypač mažas išjungimo Jei pageidaujate FIR, galite optimizuoti naudodami du filtrus, kurie dalijasi viena koeficientų lentele. Šis metodas užtikrina puikų našumą, mažą skaičiavimo sudėtingumą ir mažai naudojamų išteklių.
Minimalūs vėlavimai.Po maišymo signalas vis tiek gali būti triukšmingas. Norėdami jį išvalyti, užraktas-turi vidutinį signalą. Vidurkio nustatymas yra dažnas vėlavimų šaltinis, nes iš prigimties jis negali pasikeisti akimirksniu ir turi būti matuojamas laikui bėgant.
Jei vidutiniškai nustatysite labai trumpą laiko intervalą, išvestis labai greitai reaguos į pokyčius, tačiau daug triukšmo neišfiltruosite. Priešingai, ilgo laikotarpio vidurkinimas veiksmingai pašalins triukšmą ir duos švarų bei stabilų rezultatą, tačiau, pasikeitus tikram signalui, reaguoti prireiks daug laiko.
Nustatykite laiko konstantą,{0}}kurią matuoja, kaip greitai sistema reaguoja į įvestį-labai trumpą reikšmę. Nors jūsų išvestis gali būti triukšminga, ji beveik akimirksniu reaguos į bet kokius pakeitimus. Palaipsniui didinant laiko konstantą, išvestis pradės vėluoti. Norėdami gauti trumpiausią įmanomą vidurkinimo laiką, sustokite, kai signalas yra pakankamai stabilus, kad būtų galima patikimai išmatuoti.
Skaitmeninio diegimo privalumai
Naudodami skaitmeninį užraktą-stiprintuvuose, laboratorijos specialistai gali pakeisti parametrus-, pvz., filtro nustatymus, moduliavimo dažnį ir stiprinimą,-paprasčiausiai redaguodami kodo eilutę. Nereikia liesti jokios aparatūros. Skaitmeninis valdymas įgalina sudėtingesnius, adaptyvesnius stabilizavimo būdus, kuriuos sunku arba neįmanoma įgyvendinti naudojant analoginius komponentus.
Ši sistema yra ne tik intuityvesnė, bet ir pigesnė. Vienas programuojamas įrenginys bus žymiai pigesnis nei kelios specializuotos elektroninės dėžutės su analoginiais komponentais. Realiuose nustatymuose lazerinės stabilizavimo sistemos su skaitmeniniu signalo apdorojimu yra veiksmingos, galingos ir ekonomiškos{3}}.
Pavyzdžiui, naudojant nuskaitymo zondo mikroskopiją (SPM), pateikiami mikro{0}} ir nanoskalės paviršiaus topologijos žemėlapiai. Paprastai nuskaitymo taško išdėstymas apibrėžiamas stačiakampiuose topografijos rastro modeliuose. Šios strategijos rizika yra ta, kad vertingi duomenys gali būti praleisti dėl nepakankamo nuskaitymo tankio. Be to, sistema gali būti perpildyta duomenų, kai užtektų mažesnės raiškos.
Valdiklis, palaikantis adaptyvųjį nuskaitymą, daro duomenų gavimą efektyvesnį. Vienas atvejo tyrimas parodė, kad net nebrangus -skaitmeninis signalų procesorius gali pasiekti panašų našumą kaip -modernūs komerciniai mikroskopai, leidžiantys veikti 16-, 18- ir 20 bitų. Šis eksperimentas parodė, kad naudojant lanksčius, jau paruoštus komponentus galima sukurti galingus instrumentus.
Didesnis bitų gylis reiškia, kad valdiklis gali išmatuoti daug mažesnius aukščio skirtumus. Norint aptikti nedideles ypatybes, norint aptikti nanoskalės vaizdavimą, reikalingas ypatingas tikslumas, o tinkinta sistema, naudojama plokštėse, padidina savąją 14 bitų skiriamąją gebą iki 18 ir 20 bitų, kad būtų galima tiksliau valdyti ir matuoti.
Lazerinės stabilizavimo sistemos prototipai
Skaitmeninis užraktas-stiprintuvuose yra daug tikslesnis nei analoginiai analogai dėl dažnio sintezės ir jautraus fazės-aptikimo (žr. . 1 pav.). Skaitmeninis diegimas suteikia didesnį lankstumą ir mastelį, nepaisant papildomo diegimo sudėtingumo. Kuriant analoginius įrenginius kai kurias klaidas sunku sumažinti dėl analoginės elektronikos apribojimų.
Nesvarbu, ar kvantinės optikos tyrėjai naudoja skaitmeninį signalų apdorojimą kurdami sudėtingus grįžtamojo ryšio tinklus, ar universitetų laboratorijos moko studentus lazerio fizikos principų, šios lazerinės stabilizavimo sistemos yra akivaizdžiai pranašesnės už analogines analogas.
Norėdami sukurti veiksmingą sistemą, asmenys turėtų atsisakyti netvarkingos, pasenusios aparatinės įrangos ir pereiti prie išmanios, lanksčios programinės įrangos. Kurdami prototipą, jie turi nustatyti kiek įmanoma trumpesnę filtro laiko konstantą, kad subalansuotų reakcijos laiką ir klaidos signalo stabilumą. Stabilizavimo grįžtamasis ryšys turi būti greitesnis nei lazerio dreifas.
Geras matavimo užraktas-pagrįstas optimaliu atskaitos signalu. Naudodami išorinę atskaitą, jie turi užtikrinti, kad dažnis būtų gerai apibrėžtas ir be fazinio triukšmo. Iš anksto atlikus kai kurias kokybės užtikrinimo priemones, jų sistema susidoros su daugybe kojų darbo. Jei reikia koreguoti, tai taip paprasta, kaip pakeisti kodo eilutę.
Pereikite prie skaitmeninių diegimų
Norint stabilizuoti lazerį, reikia aptikti labai silpną klaidos signalą per didelį triukšmą. Stiprintuvo užraktas- puikiai jį ištraukia, bet ne visi yra vienodi. Skaitmeninė, programinė įranga{3}}apibrėžta platforma pakeičia didelę, brangią aparatinę įrangą, todėl prototipų kūrimas ir diegimas tampa greitesni, pigesni ir lankstesni (žr. . 2 pav.).
Siekiant tikslumo, kažkada -vyravęs analoginis užraktas-stiprintuve dabar yra pasenęs. Nors vis dar galima naudoti, jo modernus atitikmuo yra akivaizdžiai pranašesnis. Nesvarbu, ar vis dar naudojate analoginius stiprintuvus nuo XX a. septintojo dešimtmečio, ar dirbate su savo pirmuoju skaitmeninio signalo apdorojimo projektu, galite lengvai pateisinti atnaujinimą.
