ต้นแบบระบบป้องกันภาพสั่นไหวด้วยเลเซอร์: ล็อคแอนะล็อก-ในแอมพลิฟายเออร์ไปจนถึงการใช้งานดิจิทัล

การสร้างระบบป้องกันภาพสั่นไหวด้วยเลเซอร์ซึ่งหมายถึงการรักษาความปลอดภัยล็อคแอนะล็อกขนาดใหญ่และมีราคาแพง-ในแอมพลิฟายเออร์ แม้ว่าระบบเหล่านี้จะมีประสิทธิภาพ แต่ระบบเหล่านี้อาจถูกจำกัดในด้านความยืดหยุ่น เวลาแฝง และการบูรณาการ เมื่อเปรียบเทียบกับแนวทางดิจิทัลสมัยใหม่ อุปกรณ์ดิจิทัลที่ใช้ประโยชน์จากการประมวลผลสัญญาณดิจิทัลมีประสิทธิภาพเหนือกว่าอุปกรณ์รุ่นก่อน ซึ่ง-กรณีศึกษาในโลกแห่งความเป็นจริงได้แสดงให้เห็นแล้ว อนาคตของระบบป้องกันภาพสั่นไหวด้วยเลเซอร์เป็นแบบดิจิทัลหรือไม่

การรักษาเสถียรภาพของเลเซอร์ถือเป็นสิ่งสำคัญ ในการตั้งค่าการรักษาเสถียรภาพของเลเซอร์หลายๆ แบบ สัญญาณที่แสดงถึงการเบี่ยงเบนความถี่จะอ่อนมากและมักจะฝังอยู่ในสัญญาณรบกวนพื้นหลัง การรบกวนจากสิ่งแวดล้อมและเสียงของเครื่องตรวจจับสามารถครอบงำการวัดได้อย่างง่ายดาย ทำให้การดึงสัญญาณข้อผิดพลาดที่เชื่อถือได้เป็นเรื่องที่ท้าทาย

แม้จะมีรูปลักษณ์ภายนอก แต่เลเซอร์ก็ไม่ได้ให้สีที่บริสุทธิ์สมบูรณ์แบบและมีพลังงานคงที่ เนื่องจากพวกมันไวต่อสภาพแวดล้อม การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของอุณหภูมิ การสั่นสะเทือน ความดัน หรือแหล่งจ่ายไฟอาจทำให้ความถี่ของเลเซอร์เบี่ยงเบนและพลังงานมีความผันผวน แม้แต่การเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ก็มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญในห้องปฏิบัติการและสถานศึกษา

สำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำสูง- เช่น สเปกโทรสโกปีที่มีความละเอียดสูง- ความไม่เสถียรนี้เป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ บุคคลต้องใช้ระบบรักษาเสถียรภาพของเลเซอร์เพื่อแก้ไขความผันผวนและล็อคเอาท์พุตของเลเซอร์ให้เป็นการอ้างอิงภายนอกที่มีความเสถียรสูง

วิธีการทั่วไปในการรักษาเสถียรภาพของเลเซอร์คือวงจรป้อนกลับ ตัวอย่างแสงจะถูกแยกออกและส่งไปยังค่าอ้างอิงที่เสถียร และตัวตรวจจับจะวัดความถี่ของเลเซอร์เปรียบเทียบกับค่าอ้างอิงที่เสถียร สัญญาณข้อผิดพลาดที่เป็นศูนย์บ่งชี้ว่าเลเซอร์ถูกล็อคให้อยู่ในสภาวะอ้างอิง ในขณะที่ค่าเบี่ยงเบนสูงหรือต่ำกว่าศูนย์บ่งชี้ว่าความถี่เคลื่อนไป

สัญญาณข้อผิดพลาดมักจะจางอย่างไม่น่าเชื่อเนื่องจากถูกฝังอยู่ในเสียงรบกวนรอบข้าง วิธีดั้งเดิมในการดึงสัญญาณออกมาคือใช้การล็อกแอนะล็อก-ในเครื่องขยายสัญญาณ-ในกล่องที่ปรับแต่งเป็นพิเศษเพื่อค้นหาสัญญาณที่ความถี่ที่ระบุ

ปัญหาเกี่ยวกับการล็อคแบบอะนาล็อก-ในแอมพลิฟายเออร์

ในอดีต การสร้างระบบป้องกันภาพสั่นไหวด้วยเลเซอร์หมายถึงการซื้อ-ล็อคแอนะล็อกแบบสแตนด์อโลน-ในแอมพลิฟายเออร์ซึ่งจะต้องต่อสายทางกายภาพเข้ากับเครื่องตรวจจับและโมดูลอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ มันมีประสิทธิภาพแต่ไม่ยืดหยุ่น ผู้เชี่ยวชาญต้องแก้ไขหรือเปลี่ยนฮาร์ดแวร์เพื่อเปลี่ยนความถี่การมอดูเลต

การล็อคแบบอะนาล็อก-ในแอมพลิฟายเออร์เป็นรากฐานสำหรับการวัดที่มีความละเอียดอ่อนมานานหลายทศวรรษ เนื่องจากสามารถดึงสัญญาณที่จางๆ จากสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดังมาก ซึ่งการดึงข้อมูลที่แม่นยำเป็นสิ่งจำเป็น พวกเขาตอบสนองวัตถุประสงค์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่พยายามอย่างหนักที่จะตอบสนองความคาดหวังด้านประสิทธิภาพที่เปลี่ยนแปลงไป ผู้ใช้ไม่สามารถเปลี่ยนฟังก์ชันและการตั้งค่าหลักของอุปกรณ์ได้อย่างง่ายดาย- รวมถึงช่วงความถี่ในการทำงาน ประเภทตัวกรอง และค่าคงที่ของเวลา

ล็อคแบบดิจิทัล-ในแอมพลิฟายเออร์แปลงสัญญาณอินพุตให้เป็นดิจิทัลผ่านอัลกอริธึมการประมวลผลสัญญาณดิจิทัลเพื่อการกรองที่แม่นยำและดีโมดูเลชั่นหลายความถี่-โดยไม่มีการเบี่ยงเบนของส่วนประกอบ ได้รับการออกแบบมาเพื่อการดำเนินการทางคณิตศาสตร์แบบขนานที่-มีประสิทธิภาพสูง แบบเรียลไทม์-

การใช้งานแบบดิจิทัลจะจำลองฟังก์ชันทั้งหมดของกล่องล็อคแบบแอนะล็อก-ในโค้ดบนอุปกรณ์ดิจิทัล โดยจะกรองและประมวลผลตัวเลขเพื่อแยกสัญญาณข้อผิดพลาดแบบเรียลไทม์ จากนั้นตัวแปลงดิจิทัล-เป็น-อนาล็อกจะสร้างแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการแก้ไขเลเซอร์ แนวทางนี้สามารถก้าวข้ามการใช้งานแบบอะนาล็อกในด้านประสิทธิภาพและฟังก์ชันการทำงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันที่ต้องการความยืดหยุ่นและการบูรณาการ

พื้นฐานของการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล

แนวทางสมัยใหม่คือทำให้การล็อค-เป็นดิจิทัลในฟังก์ชันหลักของแอมพลิฟายเออร์ ตัวแปลงแอนะล็อก-เป็น-ดิจิทัล (ADC) ความเร็วสูงจะแปลงสัญญาณแอนะล็อกที่มีสัญญาณรบกวนจากเครื่องตรวจจับให้เป็นกระแสข้อมูลดิจิทัล การประมวลผลสัญญาณดิจิตอลดำเนินการทางคณิตศาสตร์กับข้อมูลนี้ เอาต์พุตจะถูกกรองและประมวลผลเพื่อแยกสัญญาณข้อผิดพลาดแบบเรียลไทม์

เปลี่ยนสัญญาณให้เป็นข้อมูลADC จะแปลงสัญญาณอินพุตแบบอะนาล็อกต่อเนื่องเป็นชุดตัวเลขแยกกัน การสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่อัตราคงที่สูงจะสร้างสตรีมข้อมูลที่ใกล้เคียงกับรูปคลื่นดั้งเดิม วัตถุประสงค์คือเพื่อเปรียบเทียบสัญญาณอินพุตกับข้อมูลอ้างอิง ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นคลื่นไซน์

เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ระบบจะแยกสัญญาณอินพุต ทั้งสองอย่างจะถูกคูณแยกกันด้วยการอ้างอิงและสำเนาที่เลื่อน 90-เฟส- เทคโนโลยีดิจิทัลต่างจากอุปกรณ์อะนาล็อกตรงที่กำจัดการสูญเสียอัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนเมื่อแยกสัญญาณ จากนั้นสัญญาณเหล่านี้จะผ่านตัวกรองความถี่ต่ำผ่านดิจิทัลที่เหมือนกันเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนและการหาค่าเฉลี่ยข้อมูล

ผลลัพธ์ของกระบวนการดีโมดูเลชันคือค่ากระแสตรงที่เสถียรสองค่า ในการทำความสะอาด คุณจะต้องใช้ตัวกรองดิจิทัล เช่น Cascaded Integrator Comb (CIC) หรือไฟไนต์อิมพัลส์ตอบสนอง (FIR) ซึ่งควรระงับสัญญาณความถี่สูง-และให้สัญญาณไฟฟ้ากระแสตรง (DC) โดยปราศจากสัญญาณรบกวน

สัญญาณการทำความสะอาดCIC ได้รับความนิยมเนื่องจากไม่จำเป็นต้องจัดเก็บค่าสัมประสิทธิ์ตัวกรองหรือการคูณ ขึ้นอยู่กับการคำนวณที่ง่ายที่สุด-คุณเพียงแค่ต้องลบและบวกเพื่อใช้ตัวกรองเหล่านี้ คุณยังสามารถกรองผ่านต่ำ-ได้ด้วยความซับซ้อนในการคำนวณที่ต่ำกว่า FIR อย่างมาก

แม้ว่า FIR ยังมีการใช้งานอยู่ แต่ต้องใช้ความถี่ในการตัดที่ต่ำมาก- ซึ่งส่งผลให้เกิดการดำเนินการที่ซับซ้อน การใช้ทรัพยากรจำนวนมาก และเวลาแฝงที่สูงขึ้น หากคุณต้องการ FIR คุณสามารถปรับให้เหมาะสมด้วยตัวกรองคู่ที่ใช้ตารางสัมประสิทธิ์เดียวกัน วิธีการนี้มอบประสิทธิภาพที่เหนือกว่า ความซับซ้อนในการคำนวณต่ำ และการใช้ทรัพยากรต่ำ

ความล่าช้าน้อยที่สุดหลังจากผสมแล้วสัญญาณอาจจะยังมีเสียงรบกวนอยู่ หากต้องการทำความสะอาด การล็อก-จะต้องเฉลี่ยสัญญาณ การหาค่าเฉลี่ยเป็นสาเหตุของความล่าช้าโดยทั่วไป เนื่องจากโดยธรรมชาติแล้ว ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในทันที และต้องวัดผลเมื่อเวลาผ่านไป

หากคุณเฉลี่ยช่วงเวลาที่สั้นมาก เอาต์พุตจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว แต่คุณจะไม่กรองสัญญาณรบกวนออกไปมากนัก ในทางตรงกันข้าม การเฉลี่ยเป็นเวลานานจะกำจัดสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพและให้ผลลัพธ์ที่สะอาดและเสถียร แต่จะใช้เวลานานในการตอบสนองเมื่อสัญญาณจริงเปลี่ยนแปลง

ตั้งค่าคงที่เวลา-ซึ่งจะวัดความเร็วที่ระบบตอบสนองต่ออินพุต-เป็นค่าที่สั้นมาก แม้ว่าเอาท์พุตของคุณอาจมีเสียงรบกวน แต่จะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงใดๆ ก็ตามแทบจะในทันที เมื่อคุณค่อยๆ เพิ่มค่าคงที่ของเวลา ผลลัพธ์จะเริ่มล่าช้า เพื่อให้ได้เวลาเฉลี่ยที่สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ให้หยุดเมื่อสัญญาณมีเสถียรภาพเพียงพอสำหรับการวัดที่เชื่อถือได้

ประโยชน์ของการใช้งานดิจิทัล

ด้วยการล็อกแบบดิจิทัล-ในแอมพลิฟายเออร์ ผู้เชี่ยวชาญในห้องปฏิบัติการสามารถเปลี่ยนพารามิเตอร์-เช่น การตั้งค่าตัวกรอง ความถี่มอดูเลชัน และค่าเกน-โดยการแก้ไขบรรทัดโค้ด ไม่จำเป็นต้องสัมผัสฮาร์ดแวร์ใดๆ การควบคุมแบบดิจิทัลช่วยให้เทคนิคการรักษาเสถียรภาพแบบปรับตัวที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งยากหรือเป็นไปไม่ได้ที่จะนำไปใช้กับส่วนประกอบแบบอะนาล็อก

นอกเหนือจากการใช้งานง่ายแล้ว ระบบนี้ยังมีราคาที่ถูกกว่าอีกด้วย อุปกรณ์ที่ตั้งโปรแกรมได้ตัวเดียวจะมีราคาถูกกว่ากล่องอิเล็กทรอนิกส์แบบพิเศษหลายกล่องที่มีส่วนประกอบแบบอะนาล็อกมาก ในโลกแห่งความเป็นจริง- ระบบป้องกันภาพสั่นไหวด้วยเลเซอร์พร้อมการประมวลผลสัญญาณดิจิทัลนั้นมีประสิทธิภาพ ทรงพลัง และคุ้มทุน-

ตัวอย่างเช่น กล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกน (SPM) จัดทำแผนที่โทโพโลยีพื้นผิวระดับไมโคร- และระดับนาโน โดยปกติแล้ว เค้าโครงจุดสแกนจะถูกกำหนดไว้ภายในรูปแบบแรสเตอร์ภูมิประเทศแบบสี่เหลี่ยม ความเสี่ยงของกลยุทธ์นี้คือข้อมูลอันมีค่าอาจพลาดไปเนื่องจากความหนาแน่นในการสแกนไม่เพียงพอ นอกจากนี้ ระบบอาจถูกข้อมูลล้นหลามเมื่อความละเอียดที่ต่ำกว่าก็เพียงพอแล้ว

คอนโทรลเลอร์ที่รองรับการสแกนแบบปรับตัวทำให้การรับข้อมูลมีประสิทธิภาพมากขึ้น กรณีศึกษากรณีหนึ่งแสดงให้เห็นว่าแม้แต่-ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัลที่มีต้นทุนต่ำก็สามารถบรรลุประสิทธิภาพที่เทียบเคียงได้กับ-กล้องจุลทรรศน์เชิงพาณิชย์ที่ทันสมัย-เพื่อให้สามารถดำเนินการ 16-, 18- และ 20 บิตได้ การทดลองนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของการใช้ส่วนประกอบที่ยืดหยุ่นและมีจำหน่ายทั่วไปเพื่อสร้างเครื่องมืออันทรงพลัง

ความลึกบิตที่สูงขึ้นหมายความว่าตัวควบคุมสามารถวัดส่วนต่างของความสูงที่น้อยกว่ามากได้ การถ่ายภาพในระดับนาโนต้องใช้ความแม่นยำสูงในการตรวจจับคุณลักษณะเล็กๆ น้อยๆ และระบบที่กำหนดเองใช้เพิ่ม-บนบอร์ดเพื่อเพิ่มความละเอียดดั้งเดิมจาก 14 บิตเป็น 18 และ 20 บิตเพื่อการควบคุมและการวัดที่ละเอียดยิ่งขึ้น

ต้นแบบระบบรักษาเสถียรภาพด้วยเลเซอร์

แอมพลิฟายเออร์ล็อคแบบดิจิทัล-มีความแม่นยำมากกว่าอะนาล็อกอย่างมาก เนื่องจากการสังเคราะห์ความถี่และการตรวจจับที่ละเอียดอ่อนของเฟส- (ดูรูปที่. 1) การใช้งานดิจิทัลให้ความยืดหยุ่นและความสามารถในการปรับขยายได้มากขึ้น แม้จะมีความซับซ้อนในการใช้งานเพิ่มขึ้นก็ตาม เมื่อออกแบบอุปกรณ์อะนาล็อก ข้อผิดพลาดบางอย่างอาจแก้ไขได้ยากเนื่องจากข้อจำกัดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบอะนาล็อก

ไม่ว่านักวิจัยด้านควอนตัมออพติกจะใช้การประมวลผลสัญญาณดิจิทัลเพื่อสร้างเครือข่ายป้อนกลับที่ซับซ้อน หรือห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยจะสอนนักศึกษาเกี่ยวกับหลักการของฟิสิกส์เลเซอร์ ระบบรักษาเสถียรภาพของเลเซอร์เหล่านี้เหนือกว่าระบบอะนาล็อกอย่างชัดเจน

ในการสร้างระบบที่มีประสิทธิภาพ บุคคลควรเปลี่ยนจากฮาร์ดแวร์ที่ยุ่งเหยิงและล้าสมัยไปสู่ซอฟต์แวร์ที่ชาญฉลาดและยืดหยุ่น เมื่อสร้างต้นแบบ พวกเขาจะต้องตั้งค่าคงที่เวลาของตัวกรองให้สั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพื่อสร้างสมดุลเวลาปฏิกิริยาและความเสถียรของสัญญาณข้อผิดพลาด ลูปป้อนกลับการรักษาเสถียรภาพจะต้องเร็วกว่าการดริฟท์ของเลเซอร์

การล็อคที่ดี-ในการวัดจะขึ้นอยู่กับสัญญาณอ้างอิงที่เหมาะสมที่สุด เมื่อใช้การอ้างอิงภายนอก ต้องแน่ใจว่าความถี่ถูกกำหนดไว้อย่างดีและปราศจากสัญญาณรบกวนเฟส หลังจากดำเนินมาตรการประกันคุณภาพล่วงหน้าแล้ว ระบบจะจัดการกับงานส่วนใหญ่ หากจำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยน ก็ทำได้ง่ายเหมือนกับการเปลี่ยนบรรทัดโค้ด

เปลี่ยนไปสู่การใช้งานดิจิทัล

การรักษาเสถียรภาพของเลเซอร์จำเป็นต้องตรวจจับสัญญาณข้อผิดพลาดที่อ่อนมากผ่านสัญญาณรบกวนที่ดังมาก แอมพลิฟายเออร์ที่ล็อค-เก่งในการแยกออกมา แต่ก็ไม่ได้สร้างมาทั้งหมดเท่ากัน แพลตฟอร์มดิจิทัลที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์-จะมาแทนที่ฮาร์ดแวร์ขนาดใหญ่และมีราคาแพง และทำให้การสร้างต้นแบบและการใช้งานรวดเร็วขึ้น ถูกลง และยืดหยุ่นมากขึ้น (ดูรูปที่. 2)

เพื่อแสวงหาความถูกต้องแม่นยำ -การล็อกแอนะล็อกที่ครั้งหนึ่งเคยแพร่หลาย-ในแอมพลิฟายเออร์จึงล้าสมัยแล้ว แม้ว่าจะยังคงใช้งานได้ แต่อุปกรณ์สมัยใหม่ก็เหนือกว่าอย่างเห็นได้ชัด ไม่ว่าคุณจะยังคงใช้การล็อคแบบแอนะล็อก-ในแอมพลิฟายเออร์จากปี 1970 หรือทำงานในโครงการประมวลผลสัญญาณดิจิทัลโครงการแรกของคุณ คุณก็สามารถปรับรุ่นได้อย่างง่ายดาย