彈光調(diào)制高壓諧振電路設(shè)計(jì)

王國(guó)梁，李 曉，2，王志斌，2，王艷超，黃艷飛

(1.中北大學(xué)山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

1 引言

彈光調(diào)制器是一種基于高性能透明光學(xué)材料(如熔融石英、氟化鋰、氟化鈣晶體等)光彈效應(yīng)的器件，它具有調(diào)制精度高、效率高、波段寬、能量利用率高等光學(xué)特性［1］。基于彈光調(diào)制的高壓諧振電路是用來(lái)改善壓電晶體振動(dòng)性能的重要裝置。1970年前后第一次出現(xiàn)由周期性變化所產(chǎn)生的機(jī)械壓力驅(qū)動(dòng)的彈光調(diào)制器(photoelastic modulator，PEM)，隨后改進(jìn)的裝置采用壓電傳感器對(duì)彈光晶體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)［2－3］。后來(lái) CHENG 等人利用“sympathetic resonance”的思想建立的另外一種PEM裝置，使得PEM真正的具有了實(shí)用價(jià)值［4－5］。針對(duì)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)控制器穩(wěn)定性不強(qiáng)，帶負(fù)載能力弱的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了具有高負(fù)載能力的高壓諧振電路，利用輸入直流電壓的大小控制輸出的電壓，使電路在50.04 kHz時(shí)輸出高壓的過(guò)程平穩(wěn)、精度高，可以使電壓的輸出更加穩(wěn)定［6］。

2 彈光調(diào)制原理

彈光調(diào)制干涉光的工作原理如圖1所示，在高壓諧振電路的驅(qū)動(dòng)下，利用壓電石英晶體的逆壓電效應(yīng)，在光學(xué)各向同性的物質(zhì)上加以周期性變化的機(jī)械應(yīng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)彈光晶體諧振，從而使彈光晶體產(chǎn)生足夠的形變量，滿足彈光調(diào)制過(guò)程的需要［7－8］。

圖1 彈光調(diào)制干涉光原理圖Fig.1 Interference light of photoelastic modulate schematic

3 高壓諧振電路組成及原理

高壓諧振電路主要由輸入波形轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、充放電回路、阻抗匹配電路和反饋信號(hào)采集電路組成，如圖2所示。電路中比較器只需要很小的電壓就能工作，所以，波形轉(zhuǎn)換電路和后面的功率放大電路采用雙電源供電。壓電石英的使用需要高壓諧振電路的支持。高壓諧振電路利用壓電石英晶體的逆壓電效應(yīng)，在壓電晶體的兩個(gè)電極上施加交變電壓，引起晶體的諧振，從而使彈光晶體產(chǎn)生一定的機(jī)械形變，施加的電壓峰值越高，形變量就越大［9］，從而使光源產(chǎn)生的光通過(guò)干涉具時(shí)，干涉具能產(chǎn)生足夠的光程差，滿足彈光調(diào)制的需要。

圖2 高壓諧振電路流程圖Fig.2 Flow chart of high voltage resonant circuit

3.1 輸入波形轉(zhuǎn)換電路和反饋信號(hào)采集電路

輸入波形轉(zhuǎn)換電路和反饋信號(hào)采集電路的原理相同，輸入波形轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)是由信號(hào)發(fā)生器DG4162提供，反饋信號(hào)采集電路的信號(hào)由LC振蕩電路振蕩產(chǎn)生，整個(gè)諧振電路的輸入信號(hào)是頻率為50.04 kHz，幅度為2 V的正弦信號(hào)，通過(guò)LM339四集成比較器中的三個(gè)比較器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，為功率放大電路提供頻率不變，占空比為50%的低噪聲方波信號(hào)。圖3中C1和C4用來(lái)控制電路中輸出方波的占空比，即高電平在一個(gè)周期內(nèi)所占的時(shí)間比率。

圖3 輸入波形轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Input waveform converting circuit

3.2 功率放大和充放電回路

功率放大電路的作用是將輸入的小信號(hào)放大，為充放電回路提供足夠大的功率信號(hào)。圖4中Q5、R2、R21組成共射放大電路，方波輸入信號(hào)從晶體管Q5的基極輸入，引起基極電流的變化，基極電流的變化又使集電極電流隨之變化。集電極電流的變化在集電極電阻R2上產(chǎn)生壓降，Q5集電極輸出電壓為輸入電壓和R2產(chǎn)生的壓降之差。而R2、Q2和CR2又組成共集電極放大電路，該電路的特點(diǎn)是輸入信號(hào)源提供的電流小，電壓的放大倍數(shù)接近1，輸入阻抗高，輸出阻抗低。它用作放大器的中間級(jí)，減輕前級(jí)的負(fù)載，提高了整個(gè)電路的電壓增益和功率傳輸能力［10］。

充放電回路用來(lái)給LC振蕩電路提供充電和放電的電路回路。圖4中，當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，三極管Q2導(dǎo)通，從而開關(guān)管Q4導(dǎo)通，給LC諧振網(wǎng)絡(luò)充電，充電回路導(dǎo)通，同時(shí)由于三極管Q5的輸入為低電平，Q5管截止，從而使開關(guān)管Q6截止，放電回路關(guān)閉。充電完成后，輸入的方波信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑琎5管工作，Q6管基極為高電平，Q6也導(dǎo)通，而此時(shí)Q4管的基極為低電平，所以Q4管不工作，LC諧振網(wǎng)絡(luò)充電回路關(guān)閉，放電回路導(dǎo)通，電路開始放電。

3.3 阻抗匹配電路

阻抗匹配電路通過(guò)對(duì)電容C的充電和放電完成了諧振和電壓放大的作用。通過(guò)選擇合適的L和C，使電感L與電容C相匹配，以此提高整個(gè)諧振電路的功率與傳輸效率，使負(fù)載電路達(dá)到諧振。電路諧振時(shí)呈阻性，容抗等于感抗［11］，即:

阻抗匹配電路中的品質(zhì)因數(shù)Q要盡量大，從而產(chǎn)生比較大的放大電壓。LC諧振頻率和Q值由下式得出:

式(2)中，f為諧振頻率;ω為電路諧振角頻率;Q為品質(zhì)因數(shù);L為電感;C為電容;R為電阻;UO為輸出電壓;Ui為輸入電壓。

充電和放電的不斷循環(huán)，使阻抗匹配電路上產(chǎn)生交變電壓。當(dāng)阻抗匹配電路給電容充電時(shí)，電容C8的電子將通過(guò)二極管CR6給電感L1提供能量，充電時(shí)充分利用電感中的能量就可以給電容充電，從而Q4的發(fā)射極只需要提供很小的電壓和電流就能補(bǔ)充阻抗匹配電路中的能量損耗，就能維持整個(gè)電路良好的振蕩性能，這就大大降低了電源的功率。阻抗匹配電路如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

整個(gè)諧振電路網(wǎng)絡(luò)通過(guò)調(diào)節(jié)輸入直流電源的輸出電壓，就可以靈活控制諧振電路輸出電壓幅值的大小。只要輸入最大29 V的直流電壓，就能在壓電晶體兩端產(chǎn)生1200 V的高壓。表1所示是電路在頻率為50.04 kHz下實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，圖6和圖7分別為輸入直流電壓5 V和29 V時(shí)輸出電壓的測(cè)試結(jié)果，其中，圖7的波形是示波器衰減10倍以后輸出的波形。圖8為高壓諧振電路實(shí)物圖。

圖5 阻抗匹配電路Fig.5 Impedance matching circuit

表1 不同直流電壓UDC下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The experimental data of different DC voltage UDC

圖6 輸入直流電壓為5 V時(shí)，輸入波形轉(zhuǎn)換電路輸入2 V信號(hào)的測(cè)試結(jié)果Fig.6 When Input DC voltage is 5 V，the test results of the 2 V input waveform converting circuit

圖7 輸入直流電壓為29 V時(shí)，輸出電壓的測(cè)試結(jié)果Fig.7 When input DC voltage is 29 V，the test results of the output voltage

圖8 高壓諧振電路實(shí)物圖Fig.8 High-voltage resonant circuit picture of real product

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的高壓諧振電路輸出電壓高，帶負(fù)載能力強(qiáng)，升壓過(guò)程平穩(wěn)且容易控制。電路諧振時(shí)，壓電石英晶體具有良好的振動(dòng)特性，能夠使干涉具產(chǎn)生足夠的光程差，滿足彈光調(diào)制的需要。整個(gè)諧振電路的輸出信號(hào)可以繼續(xù)連接鎖相環(huán)反饋控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入?yún)⒖夹盘?hào)和輸出信號(hào)的相位控制，從而控制并減少系統(tǒng)產(chǎn)生的相位差［12］。整個(gè)電路控制簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性強(qiáng)，對(duì)其他諧振電路的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒作用。

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