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      雙腔氣體激光放電同步控制系統

      1、概述

      雙腔氣體激光放電同步控制系統主要根據中國科學院光電研究院設計任務進行研制,該系統提供兩路可調延遲的脈沖輸出信號,并且能夠對反饋的兩路脈沖信號進行時間間隔的準確測量,以便調節輸出脈沖信號的延遲時間,從而得到用于雙腔放電的兩路可調延時低抖動脈沖觸發信號。

      系統指標:
      重復頻率:1——4KHz
      抖動控制精度:±5ns
      延時控制范圍:20ns——1μs
      延時分辨率:3ns

      2、系統組成

      雙腔氣體激光放電同步控制系統主要由上位機、高速數據采集卡、脈沖信號發生器、脈沖信號延遲器、脈沖信號整形器等組成,組成框圖如圖1所示,其中P1和P2為兩路輸出脈沖信號,PF1和PF2為兩路反饋信號。
     

    雙腔氣體激光放電同步控制系統圖

    圖1 雙腔氣體激光放電同步控制系統組成框圖


      3、工作原理

      雙腔氣體激光放電同步控制系統的簡要工作原理如下。如圖1所示,首先通過上位機設置輸出脈沖信號的頻率與時間延遲、輸入脈沖的時間間隔,然后通過脈沖信號發生器產生兩路脈沖信號,由脈沖信號延遲器對兩路信號進行時間延遲,后通過脈沖信號整形器完成輸出脈沖信號的上升沿整形以及阻抗匹配,后兩路脈沖信號P1和P2分別輸入到指定的激光器系統;兩路反饋信號PF1和PF2通過高速數據采集卡和上位機完成兩路反饋信號的采集與延遲時間計算,如果采集到的延遲時間與設定時間不一致,則調節兩路輸出脈沖的延遲時間,直到兩路反饋信號的延遲時間與設定時間一致時停止。下面對各部分工作原理進行詳細介紹。

      3.1上位機
      上位機主要由計算機和相應軟件組成,用來控制高速數據采集卡和脈沖信號發生器。

      3.2脈沖信號發生器
      脈沖信號發生器主要由單片機、FPGA、DDS等組成,主要完成兩路脈沖信號的產生、脈沖寬度以及頻率的設置。

      3.3脈沖信號延遲器

      3.3.1模擬與數字相結合

    模擬與數字相結合
      圖2 模擬與數字相結合脈沖信號延遲器原理圖


      脈沖信號延遲器可以采用模擬與數字相結合的方法,如圖2所示,首先脈沖信號經過上升沿延遲電路,使脈沖的上升沿斜率改變,然后由直流電壓和脈沖進行比較得到延遲的兩路輸出脈沖。采用該方法控制脈沖延遲精度高、可擴展性強,但是電路結構復雜。

      3.3.2純數字方式
      純數字方式脈沖信號延遲器如圖3所示,工作原理如下:脈沖信號發生器輸出兩路脈沖信號,分別進入兩路延遲芯片,通過單片機對兩路延遲芯片分別進行控制,脈沖信號發生器輸出的兩路脈沖信號的時間間隔可以設定為100ns的整數倍,精度為1ns,延遲芯片的延遲范圍為0~100ns,精度為1ns,步進為1ns,這樣就可以實現0~1μs的準確時間延遲。
     

    脈沖信號延遲器原理圖
    圖3 純數字方式脈沖信號延遲器原理圖


      3.4脈沖信號整形器
      脈沖信號整形器主要由濾波器和上升沿加速器組成,用來完成輸出阻抗的匹配以及脈沖信號上升沿的加速。

      3.5高速數據采集卡
      高速數據采集卡主要完成反饋信號的采集。本設計所用采集卡采樣率為1Gsa/S,等效采集速率為4Gsa/S,以滿足2ns分辨率的要求。

      3.6控制算法

      3.7上位機界面

      4、難點及解決方案

      4.1上位機與高速數據采集卡和脈沖信號發生器的控制
      上位機通過軟件對高速數據采集卡和脈沖信號發生器進行控制,這里面除了C語言的技術外還需要對Windows的底層具有深刻的理解,能夠對兩種設備進行穩定、可靠的控制具有一定難度,另外輸入信號目前不能確定,并且信號的抖動性、上升沿、辨別方式均不能確定,所以和系統聯調時比較復雜。我公司從2004年開始使用上位機對高速數據采集卡以及信號發生器進行控制研究,目前能夠穩定可靠的控制NI、固緯、普源等公司生產的采集卡,產品能夠滿足工業場合使用。

      4.2脈沖信號延遲器分辨率與抖動
      由于脈沖信號延遲器的分辨率為3ns,對電路所用元器件以及制板布線提出很高要求,否則輸出脈沖信號會發生抖動。脈沖信號延遲器主要仿制泰克公司的AFG3000系列信號發生器,電路成熟,設計人員經驗豐富,能夠設計出滿足要求的延遲器。

      5脈沖延遲時序控制系統試驗

      5.1兩路脈沖信號延遲試驗

    脈沖信號延遲試驗原理圖

    圖4 脈沖信號延遲試驗原理圖


      兩路脈沖信號延遲試驗原理如圖4所示,通過上位機設置兩路輸出脈沖信號的頻率、脈寬、延遲時間,由示波器和頻率計對輸出脈沖信號進行測試,主要測試指標為延遲精度、上升沿時間、頻率準確度、波形抖動等。

      5.2兩路高速數據采集試驗

    兩路高速數據采集試驗原理圖
      圖5 兩路高速數據采集試驗原理圖

      兩路高速數據采集試驗原理如圖5所示,由信號源AFG3000輸出兩路延遲可調脈沖信號,通過采集卡由上位機進行數據讀取與延遲時間計算,以測試高速數據采集卡與上位機的采集精度與穩定度。

      5.3采集、輸出聯調試驗
      采集、輸出聯調試驗原理如圖6所示,當上位機設置的脈沖延遲時間與采集時間一致時,輸出脈沖信號的延遲時間保持不變;不一致時,輸出脈沖信號的延遲時間根據設置要求進行改變,該試驗主要測試整套系統的工作協調性以及準確性。
     

    采集、輸出聯調試驗原理圖

    圖6 采集、輸出聯調試驗原理圖


      5.4與激光系統聯調

      5.4.1開環調試
      檢測系統加上放電腔負載后的開環傳輸特性。

      5.4.2閉環調試
      當開環調試試驗均完成并且滿足要求時進行系統聯調,如圖1所示。進行閉環調試,確定控制算法的佳參數,終達到系統高重頻、低抖動特性。

      6、結論

      雙腔氣體激光放電同步控制系統設計方案可行,試驗論證充分,可按此方案進行研制。
      該系統與激光系統聯調時比較復雜,工作量大,可能需要反復的修改調節方案。

      7、研發計劃
      詳細研發計劃如下:
     

    研發內容

    時間周期

    工作具體分工、接口分配

    1~2

    設計電路、設備購買

    2~3

    電路調試、軟件編寫、箱體加工

    3~4

    系統單機測試、軟硬件修改

    4~6

    與放電腔聯調

     


      8、經費預算
     

    序號

    項目

    價格(萬元)

    備注

    硬件成本費

     

    1

    工控機

    2

     

    2

    高速數據采集

    4

     

    3

    信號發生器

    3

     

    4

    信號延遲器

    1

     

    5

    脈沖整形器

    1

     

    6

    機箱

    1

     

     

    小計

    12

     

    軟件費用

     

    1

    上位機軟件

    8

     

    2

    單片機軟件

    2

     

     

    小計

    10

     

    調試費用

    16.0

     

    稅(5%稅)

    2

     

     

    合計

    40

     

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