Расчет влияния дрейфа сд на точность апч

Структурная схема АПЧ лазера приведена на рис. 14.5.

Рис. 14.5. Упрощенная структурная схема системы АПЧ.

На схеме - факт ПЧ, — синхронный детектор, - факт пьезоэлектрического модулятора с учетом АЧХ лазера, - тракт магнитострикции, й — дрейф детектора, Н — помеха, Х Х₂ — приращения частоты.

В предположении У₄ «IV3 (что дает лишь верхнюю оценку погрешности) можно записать передаточную функцию от О к У (Щю), которая позволяет рассчитать приращение частоты от приращения смещения на входе синхронного детектора:

По низким частотам можно вместо передаточных функций подставить coot ветству ю щ и е коэфф и ци енты:

Здесь к — 1−5, / =1−10 — переменный коэффициент. Подставляя минимальные значения к и /, получаем Щю * 3,3−10⁴ Гц/В.

Дрейф 30 мкВ дает погрешность ^Vy/D «100−10 «=1 Гц. При больших значениях к и / вклад дрейфа синхронного детектора в нестабильность частоты будет еще меньше.

РАЗЛИЧИЕ РЕЖИМОВ СПЕКТРОМЕТРА И СТАНДАРТА ЧАСТОТЫ

В режиме спектрометра необходимо исследовать спектр поглощения метана. В режиме стандарта частоты необходимо обеспечить высокую стабильность оптической частоты второго лазера.

В режиме спектрометра частоту первого лазера можно считать точкой отсчета, и если разность частот второго и первого лазеров постоянна, то разность частот третьего и второго лазеров следует менять по линейному закону. Это позволяет прописать спектр поглощения метана в третьем лазере в базе частот, отличающихся на известную величину F — от этой величины. В аналоговом варианте системы в качестве генератора Г| следует применять высокостабильный генератор, а в качестве генератора Г₂ — управляемый генератор (ГУН), на который подастся линейно нарастающее или убывающее напряжение. В этом случае долговременная стабильность частоты второго лазера совпадает со стабильностью частоты первого лазера и соответствует одной ступени стабилизации. Изменение сигнала на выходе спектрометра будет запаздывать относительно вызывавших его изменений сигнала на входе ГУН, поэтому зависимость, получаемая при прямом ходе ГУН, будет отличаться от этой зависимости при обратном его ходе.

В этом же режиме можно изменять лишь частоту генератора Г| и стабилизировать частоту генератора Г₂. Результат по отношению к частоте третьего лазера будет аналогичный, но частота второго лазера при этом также будет меняться по пилообразному закону. В этом случае запаздывание изменения выходного сигнала спектрометра по отношению к изменению частоты управляемого сигнала будет вдвое больше, поэтому такой режим нецелесообразен.

В режиме стандарта частоты важно привязать частоту второго лазера к экстремуму сверхтонкой структуры спектра поглощения. Для этого необходимо определить его местоположение относительно частоты первого лазера, а затем с обратным знаком подать в качестве приращения частоты первого генератора, что вызовет смещение частоты второю лазера (и гретьего тоже) относительно первою на эту величину. В аналоговом варианте в качестве второго генератора должен использоваться стабильный генератор с фазовой модуляцией, не меняющей его среднюю частоту, а в качестве первого генератора — управляемый генератор с высокостабильной характеристикой зависимости частоты от напряжения.

Совмещение этих функций возможно только в цифровой системе. В этом случае в качестве обоих генераторов применяются генераторы, управляемые кодом, т. е. синтезаторы частоты. Входной код синтезаторов с высокой точностью задает выходную частоту. Второй синтезатор при этом должен менять частоту по линейному закону (под управлением соответствующей программы); сигнал от фотоприемника, установленного в пучке третьего лазера, должен оцифровываться и поступать в компьютер для анализа. Вычисленное отклонение частоты третьего лазера от экстремума поглощения используется для вычисления требуемого приращение частоты первого синтезатора.

Возможны два алгоритма управления: пропорциональное и интегральное. В первом случае требуемое приращение (ТП) частоты синтезатора равно вычисленному отклонению (ВО) частоты лазера от экстремума резонанса. Если шумы системы приводят к погрешности, то второй лазер будет управляться скачками, величина которых равна этой погрешности. Второй вариант состоит в том, что ВО частоты с некоторым коэффициентом К « 1 добавляется к коду, задающему частоту первого синтезатора. Поскольку процесс определения отклонения будет многократно повторяться, эго суммирование эквивалентно интегрированию сигнала частотной ошибки. При этом управление вторым синтезатором может быть сделано сколь угодно плавным. Величина вычисленного на конкретном шаге ТП может оказаться меньше половины шага управления (ШУ) синтезатором. В этом случае управляющий код следует оставить без изменения, но в накопленном результате это приращение сохранить.

Допустим, ШУ = 0,01 Гц, пусть ВО = 2 Гц. По первому алгоритму ТП = 2,00 Гц, получаем ТП «ШУ.

По второму алгоритму ВО умножается на К. Пусть К = 0,001, тогда ТП = 0,002 Гц. Поскольку ТП < ШУ, предписанная частота не меняется на этом шаге. Пусть ВО = 2 Гц, тогда ТП = 0,002 Гц, а накопленное приращение частоты равно 0,004 Гц, и частота вновь не изменится. На третьем шаге при этих условиях накопленное приращение частоты равно 0,006 Гц, что при округлении дает 0,01 Гц, и частота увеличится на эту величину.

При использовании первого алгоритма погрешность определения сдвига частоты от экстремума сверхтонкой структуры не должна превышать ШУ, иначе возникнут колебания около равновесного состояния. Во втором случае система подавляет эти пульсации интегрированием. В силу интегрального закона обратной связи система астатическая, т. е. статическая ошибка равна нулю. Выбором малого коэффициента ОС всегда можно обеспечить устойчивость этой системы, так как интегратор преобладает над всеми постоянными времени, т. е. наклон эквивалентной АЧХ в НЧ области соответствует первому порядку.