ساخت یک سیستم تثبیت کننده لیزری که به معنای ایمن کردن یک قفل آنالوگ حجیم و گران قیمت-در تقویت کننده است. در حالی که این سیستمها مؤثر هستند، میتوانند از نظر انعطافپذیری، تأخیر و یکپارچگی در مقایسه با رویکردهای دیجیتال مدرن محدود باشند. دستگاههای دیجیتالی که از پردازش سیگنال دیجیتال استفاده میکنند، عملکردی بهتر از پیشینیان خود دارند، که مطالعات موردی واقعی جهان نشان داده است. آیا تثبیت لیزری آینده دیجیتال است؟
تثبیت لیزر ضروری است. در بسیاری از تنظیمات تثبیت کننده لیزر، سیگنال نشان دهنده انحراف فرکانس بسیار ضعیف است و اغلب در نویز پس زمینه مدفون می شود. اغتشاشات محیطی و نویز آشکارساز به راحتی می توانند بر اندازه گیری غالب شوند و استخراج مطمئن سیگنال خطا را به چالش می کشند.
علیرغم ظاهر، لیزرها رنگ کاملا خالص و قدرت ثابت تولید نمی کنند. از آنجایی که آنها به محیط خود حساس هستند، تغییرات کوچک در دما، ارتعاش، فشار یا منبع تغذیه میتواند باعث تغییر فرکانس لیزر و نوسان قدرت شود. حتی تغییرات جزئی پیامدهای قابل توجهی در محیط های آزمایشگاهی و آموزشی دارد.
برای برنامههای کاربردی با دقت بالا، مانند طیفسنجی با وضوح بالا-، این ناپایداری غیرقابل قبول است. افراد باید از سیستم های تثبیت کننده لیزر برای تصحیح فعال نوسانات و قفل کردن خروجی لیزر به یک مرجع خارجی بسیار پایدار استفاده کنند.
روش کلی برای تثبیت لیزر یک حلقه بازخورد است. نمونه ای از نور جدا شده و به یک مرجع پایدار ارسال می شود و یک آشکارساز فرکانس لیزر را در مقایسه با مرجع پایدار اندازه گیری می کند. سیگنال خطای صفر نشان می دهد که لیزر به شرایط مرجع قفل شده است، در حالی که انحرافات بالای صفر یا زیر صفر نشان دهنده رانش فرکانس است.
سیگنال های خطا اغلب بسیار ضعیف هستند زیرا در نویز پس زمینه مدفون می شوند. روش سنتی استخراج آن با یک قفل آنالوگ-در تقویت کننده-یک جعبه فیزیکی است که به طور خاص برای جستجوی سیگنال در فرکانس مشخص تنظیم شده است.
مشکلات مربوط به قفل آنالوگ-در تقویت کننده ها
در گذشته، ایجاد یک سیستم تثبیت لیزری به معنای خرید یک قفل آنالوگ{{0}به تنهایی-در تقویت کننده بود که باید به صورت فیزیکی به آشکارسازها و سایر ماژول های الکترونیکی متصل شود. موثر بود اما انعطاف ناپذیر. حرفه ای ها مجبور بودند برای تغییر فرکانس مدولاسیون سخت افزار را اصلاح یا جایگزین کنند.
قفل آنالوگ-در تقویتکنندهها برای چندین دهه پایهای برای اندازهگیریهای حساس بوده است، زیرا آنها میتوانند سیگنالهای ضعیف را از محیطهای بسیار پر سر و صدا استخراج کنند، جایی که بازیابی دقیق دادهها ضروری است. آنها به طور موثر به هدف خود عمل کردند، اما برای برآورده کردن انتظارات عملکرد در حال تحول تلاش می کنند. کاربران نمی توانند به راحتی عملکردها و تنظیمات اصلی دستگاه را تغییر دهند-از جمله محدوده فرکانس کاری، انواع فیلترها و ثابت های زمانی.
قفل دیجیتال-در تقویتکنندهها، سیگنالهای ورودی را از طریق الگوریتمهای پردازش سیگنال دیجیتال برای فیلتر کردن دقیق و دمدولاسیون چند فرکانس-بدون دریفت مؤلفه دیجیتالی میکند. آنها برای-عملیات ریاضی با کارایی بالا، زمان واقعی{4}}موازی طراحی شدهاند.
پیاده سازی دیجیتال کل عملکرد قفل آنالوگ-در جعبه را در کد روی یک دستگاه دیجیتال تکرار می کند. اعداد را فیلتر و پردازش می کند تا سیگنال خطا را در زمان واقعی استخراج کند، و یک مبدل دیجیتال به- سپس ولتاژ مورد نیاز برای تصحیح لیزر را ایجاد می کند. این رویکرد می تواند در عملکرد و عملکرد، به ویژه در برنامه هایی که به انعطاف پذیری و یکپارچگی نیاز دارند، از پیاده سازی های آنالوگ پیشی بگیرد.
مبانی پردازش سیگنال دیجیتال
رویکرد مدرن دیجیتالی کردن قفل-در عملکردهای هسته تقویت کننده است. یک مبدل آنالوگ با سرعت بالا-به{4}}دیجیتال (ADC) سیگنال آنالوگ پر سر و صدا را از آشکارساز به جریانی از داده های دیجیتال تبدیل می کند. پردازش سیگنال دیجیتال، عملیات ریاضی را روی این اطلاعات انجام می دهد. خروجی فیلتر و پردازش می شود تا سیگنال خطا را در زمان واقعی استخراج کند.
تبدیل سیگنال ها به دادهADC یک سیگنال ورودی آنالوگ پیوسته را به یک سری مجزا از اعداد تبدیل می کند. نمونه برداری از ولتاژ ورودی با نرخ ثابت بالا، جریان داده ای را تولید می کند که به شکل موج اصلی تقریب دارد. هدف مقایسه سیگنال ورودی با یک مرجع، معمولاً یک موج سینوسی است.
برای انجام این کار، سیستم سیگنال ورودی را تقسیم می کند. هر دو به طور جداگانه با مرجع و یک کپی جابجا شده 90-درجهی- ضرب می شوند. برخلاف ابزارهای آنالوگ، فناوری دیجیتال تلفات نسبت سیگنال به-را هنگام تقسیم سیگنال حذف میکند. سپس این سیگنال ها از فیلترهای پایین گذر دیجیتالی یکسان برای حذف نویز و میانگین گیری داده ها عبور می کنند.
خروجی فرآیند دمودولاسیون دو مقدار جریان مستقیم ثابت است. برای تمیز کردن آنها، از فیلترهای دیجیتالی مانند شانه ادغام کننده آبشاری (CIC) یا پاسخ ضربه محدود (FIR) استفاده می کنید، که باید سیگنال های فرکانس{1}بالا را سرکوب کرده و سیگنال جریان مستقیم (DC) بدون نویز تولید کند.
سیگنال های تمیز کردنCIC محبوب است زیرا نیازی به ذخیره سازی ضریب فیلتر یا ضرب ندارد. به سادهترین محاسبات تکیه میکند-برای پیادهسازی این فیلترها فقط به تفریق و جمع نیاز دارید. همچنین میتوانید به فیلتر پایین{3}} با پیچیدگی محاسباتی بسیار کمتر نسبت به FIR دست یابید.
در حالی که FIR هنوز کاربرد دارد، به فرکانس قطع بسیار پایین- نیاز دارد که منجر به عملیات پیچیده، مصرف منابع قابل توجه و تأخیر بیشتر می شود. اگر FIR را ترجیح می دهید، می توانید با فیلترهای دوگانه که یک جدول ضریب مشترک دارند، بهینه سازی کنید. این روش عملکرد برتر، پیچیدگی محاسباتی کم و استفاده کم از منابع را ارائه می دهد.
حداقل تاخیرپس از مخلوط کردن، سیگنال ممکن است همچنان نویز باشد. برای تمیز کردن آن، قفل-باید میانگین سیگنال را داشته باشد. میانگین گیری یک منبع متداول تاخیر است زیرا طبیعتاً نمی تواند فوراً تغییر کند و باید در طول زمان اندازه گیری شود.
اگر یک بازه زمانی بسیار کوتاه را میانگین کنید، خروجی خیلی سریع به تغییرات پاسخ می دهد، اما نویز زیادی را فیلتر نمی کنید. در مقابل، میانگین گیری در یک دوره طولانی به طور موثر نویز را حذف می کند و نتیجه تمیز و پایداری را به همراه خواهد داشت، اما زمانی که سیگنال واقعی تغییر می کند، پاسخ دادن به زمان طولانی طول می کشد.
ثابت زمانی-که سرعت پاسخ یک سیستم به ورودی{1}}را اندازهگیری میکند تا مقدار بسیار کوتاهی تنظیم کنید. در حالی که خروجی شما ممکن است نویز داشته باشد، تقریباً فوراً به هر تغییری پاسخ می دهد. با افزایش تدریجی ثابت زمانی، خروجی شروع به تاخیر می کند. برای به دست آوردن کوتاه ترین زمان متوسط ممکن، هنگامی که سیگنال به اندازه کافی برای اندازه گیری قابل اطمینان پایدار شد، آن را متوقف کنید.
مزایای پیاده سازی دیجیتال
با قفل دیجیتال-در تقویتکنندهها، متخصصان آزمایشگاه میتوانند پارامترهای-مانند تنظیمات فیلتر، فرکانس مدولاسیون و بهره- را با ویرایش یک خط کد تغییر دهند. نیازی به لمس هیچ سخت افزاری نیست. کنترل دیجیتال تکنیکهای تثبیتکننده پیچیدهتر و تطبیقی را ممکن میسازد که اجرای آنها با اجزای آنالوگ دشوار یا غیرممکن است.
این سیستم علاوه بر شهودی بودن، معمولا مقرون به صرفه تر است. یک دستگاه قابل برنامه ریزی به طور قابل توجهی ارزان تر از چندین جعبه الکترونیکی تخصصی با اجزای آنالوگ خواهد بود. در تنظیمات دنیای واقعی، سیستم های تثبیت کننده لیزری با پردازش سیگنال دیجیتال کارآمد، قدرتمند و مقرون به صرفه هستند.
برای مثال، میکروسکوپ کاوشگر روبشی (SPM)، نقشههای توپولوژی سطح میکرو{0}} و مقیاس نانو را ارائه میکند. معمولاً، طرح نقطه اسکن در الگوهای شطرنجی توپوگرافی مستطیلی تعریف می شود. خطر این استراتژی این است که داده های ارزشمند ممکن است به دلیل تراکم اسکن ناکافی از دست بروند. همچنین، زمانی که وضوح پایینتر کافی باشد، ممکن است سیستم غرق در دادهها شود.
کنترلکنندهای که از اسکن تطبیقی پشتیبانی میکند، جمعآوری دادهها را کارآمدتر میکند. یک مطالعه موردی نشان داد که حتی یک پردازنده سیگنال دیجیتال ارزان قیمت میتواند عملکردی مشابه با میکروسکوپهای تجاری پیشرفته-برای فعال کردن عملکرد 16-، 18- و 20 بیتی داشته باشد. این آزمایش پتانسیل استفاده از اجزای انعطاف پذیر و خارج از قفسه را برای ایجاد ابزار قدرتمند نشان داد.
عمق بیت بالاتر به این معنی است که کنترلر می تواند اختلاف ارتفاع بسیار کمتری را اندازه گیری کند. تصویربرداری در مقیاس نانو به دقت بسیار بالایی برای شناسایی ویژگیهای کوچک نیاز دارد، و یک سیستم سفارشی برای افزایش وضوح 14 بیتی به 18 و 20 بیت برای کنترل و اندازهگیری دقیقتر، از یک سیستم سفارشی استفاده میشود.
نمونه های اولیه سیستم تثبیت کننده لیزری
قفل دیجیتال-در تقویتکنندهها بهدلیل سنتز فرکانس و تشخیص حساس فاز، به طور قابلتوجهی نسبت به نمونههای آنالوگ خود دقیقتر هستند (شکل. 1 را ببینید). پیادهسازیهای دیجیتال با وجود پیچیدگی پیادهسازی، انعطافپذیری و مقیاسپذیری بیشتری را ارائه میدهند. هنگام طراحی دستگاه های آنالوگ، به دلیل محدودیت های الکترونیک آنالوگ، کاهش برخی از خطاها دشوار است.
چه محققان اپتیک کوانتومی از پردازش سیگنال دیجیتال برای ایجاد شبکه های بازخورد پیچیده استفاده کنند یا آزمایشگاه های دانشگاهی اصول فیزیک لیزر را به دانشجویان آموزش دهند، این سیستم های تثبیت کننده لیزری به وضوح نسبت به همتایان آنالوگ خود برتری دارند.
برای ساختن یک سیستم موثر، افراد باید از سختافزار نامرتب و قدیمی به سمت نرمافزار هوشمند و انعطافپذیر بروند. هنگام نمونه سازی، آنها باید ثابت زمانی فیلتر را تا حد امکان کوتاه کنند تا زمان واکنش و ثبات سیگنال خطا را متعادل کنند. حلقه بازخورد تثبیت باید سریعتر از رانش لیزر باشد.
یک قفل خوب-در اندازه گیری بر اساس سیگنال مرجع بهینه است. هنگام استفاده از یک مرجع خارجی، آنها باید اطمینان حاصل کنند که فرکانس به خوبی تعریف شده و بدون نویز فاز است. پس از انجام برخی اقدامات تضمین کیفیت از قبل، سیستم آنها بسیاری از کارها را انجام خواهد داد. اگر تنظیمات لازم باشد، به آسانی تغییر یک خط کد است.
تغییر به سمت پیاده سازی دیجیتال
تثبیت لیزر مستلزم تشخیص یک سیگنال خطای بسیار ضعیف از طریق نویز قابل توجه است. یک قفل-در تقویت کننده در استخراج آن برتری دارد، اما همه یکسان نیستند. یک پلتفرم دیجیتالی{3}}تعریف شده نرم افزاری جایگزین سخت افزار حجیم و گران قیمت می شود و نمونه سازی و پیاده سازی را سریع تر، ارزان تر و انعطاف پذیرتر می کند (شکل{4}} را ببینید).
برای دستیابی به دقت،-قفل آنالوگ رایج-در تقویت کننده اکنون قدیمی شده است. در حالی که هنوز قابل استفاده است، همتای مدرن آن به وضوح برتر است. چه هنوز از قفل آنالوگ-در تقویت کننده های دهه 1970 استفاده می کنید یا روی اولین پروژه پردازش سیگنال دیجیتال خود کار می کنید، می توانید به راحتی ارتقاء را توجیه کنید.
