一种CRDS信号调制模块

一种crds信号调制模块
技术领域
1.本发明涉及光学测量技术领域，具体而言，涉及一种crds信号调制模块。


背景技术：

2.目前窄线宽激光器是在众多精密的科学测量仪器中必不可少的光学测量仪器，例如应用在量子测量、光学频率稳定、引力波测定等。目前产生超窄线宽激光的主要方式是通过采用pdh(pound-drever-hall)稳频技术，将不受缚束的光锁定在已经提前设计好的法布里珀罗腔上。
3.在实际应用中，往往采用“腔衰荡测量法”(cavity ring-down spectroscopy,crds)，该方法需要经过pdh稳频技术将激光锁定在法布里珀罗腔上才能实现，锁频过程在实验上较为困难且复杂。稳频技术往往需要控制激光的开关，从而达到获取衰减信号的目的。具体地，目前可以采用mcu(micro controller unit，微控制单元)进行开关控制，但由于mcu的运行过程中时常受到电磁干扰，或者mcu本身存在的异常等原因造成控制信号不准确。
4.为了解决上述问题，可以在mcu内集成time控制功能，或通过特定的程序对时间进行控制，但这样会极大地增加mcu的成本，且无法降低mcu受到的电磁干扰。
5.鉴于此，目前需要一种能够准确地控制激光开关的装置。


技术实现要素：

6.有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种crds信号调制模块，能够准确地控制激光的开关。
7.为实现上述目的，本发明一方面提供了一种crds信号调制模块，所述crds信号调制模块包括电压比较单元、脉宽调制单元和射频开关驱动器，其中：
8.所述电压比较单元用于对输入的衰减信号和设定阈值信号进行比较，并基于比较结果生成驱动ttl信号，以及将所述驱动ttl信号输出至所述脉宽调制单元；
9.所述脉宽调制单元用于对输入的所述驱动ttl信号进行滤波和脉宽调节，生成脉冲宽度大于腔衰荡信号时间的ttl控制信号，并将所述ttl控制信号输入所述射频开关驱动器，以切断入射超稳腔的激光。
10.在一个实施方式中，所述电压比较单元包括比较芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中：
11.所述第一电阻的一端接入所述衰减信号，所述第一电阻的另一端分别与所述第三电阻的一端以及所述比较芯片的同相输入端口相连，所述第三电阻的另一端接地；
12.所述第二电阻的一端接入所述设定阈值信号，所述第二电阻的另一端分别与所述第四电阻的一端以及所述比较芯片的反相输入端口相连，所述第四电阻的另一端接地。
13.在一个实施方式中，所述电压比较单元还包括由滑动变阻器、第一电容、第二电容以及第八电阻构成的滤波电路，其中，所述第八电阻的两端分别通过所述第一电容和所述
第二电容接地，所述第八电阻与所述第二电容相连的一端还与所述滑动变阻器的滑动端相连，所述滑动变阻器的第一固定端接地，第二固定端通过开关拨片可接入所述衰减信号或者所述设定阈值信号。
14.在一个实施方式中，所述比较芯片的输出端通过第五电阻与第二二极管的一端相连，所述第二二极管的另一端通过第六电容接入所述脉宽调制单元；其中，所述第五电阻分别通过第一二极管和断路器接地，所述第六电容接入所述脉宽调制单元的一端还通过第六电阻接地。
15.在一个实施方式中，所述脉宽调制单元中包括或非门芯片和非门芯片，其中，所述第六电容与所述或非门芯片的第一输入端相连，所述或非门芯片的第二输入端与所述非门芯片的输出端相连，所述或非门芯片的第一输出端通过第四电容与所述非门芯片的第一输入端相连。
16.在一个实施方式中，所述或非门芯片的第三输入端、所述或非门芯片的第二输出端、所述非门芯片的第二输入端均接地。
17.在一个实施方式中，所述非门芯片的输出端与所述射频开关驱动器相连，并且所述非门芯片的输出端通过第五电容接地。
18.本发明的有益效果为：
19.1、装置简单、抗干扰能力强。通过电压比较单元、脉宽调制单元组成光开关的控制器，避免了复杂的mcu系统、抗干扰能力强，射频开关驱动器可以快速驱动光开关。
20.2、信号响应速度快，测量精度高。从输入信号到输出信号，其延时下一般为7.5ns，最大20ns，最优的输出脉冲可达到上升时间1.5ns,下降时间1.5ns。而普通mcu系统时钟频率为25mhz，执行一个单周期指令所需时间都达到40ns。
21.3、驱动能力强。所用的3块芯片都采用5v单独供电，避免像mcu一样采用上拉电阻增强驱动，大大简化了电路结构，且其输出的ttl脉冲平整、光滑。
附图说明
22.图1示出了本发明一个实施方式中的crds信号调制模块的结构示意图；
23.图2示出了本发明一个实施方式中的crds信号调制模块的电路结构图。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.在现有的工程设计中，一般对于超稳腔的光频率稳定都需要通过稳频技术来进行，其中需要采用mcu来进行复杂的反馈控制，而且处理过程需要经过一系列的数模转换、延时较长、容易受到系统的电磁干扰而输出不准确。本设计采用crds技术在进行测量的时候，采用信号控制模块控制射频开关切断激光从而读取光腔的衰减信号，采用快速、简单、便捷的信号处理模块通过调节电压的触发阈值，以及通过判断衰减信号的宽度手动调节脉宽范围就可驱动射频开关切断光开关，从而测量超稳光学参考腔的高精细度，达到低成本、
测量便捷的目的。
26.请参阅图1，本发明一个实施方式提供一种crds信号调制模块，所述crds信号调制模块包括电压比较单元、脉宽调制单元和射频开关驱动器，当然，在实际应用中，还可以包括电源模块、外部的屏幕罩、平台固定外壳等。其中：
27.所述电压比较单元用于对输入的衰减信号和设定阈值信号进行比较，并基于比较结果生成驱动ttl信号，以及将所述驱动ttl信号输出至所述脉宽调制单元；
28.所述脉宽调制单元用于对输入的所述驱动ttl信号进行滤波和脉宽调节，生成脉冲宽度大于腔衰荡信号时间的ttl控制信号，并将所述ttl控制信号输入所述射频开关驱动器，以切断入射超稳腔的激光。
29.请参阅图1和图2，所述电压比较单元包括比较芯片u1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4，其中：
30.所述第一电阻r1的一端接入所述衰减信号，所述第一电阻r1的另一端分别与所述第三电阻r3的一端以及所述比较芯片u1的同相输入端口int+相连，所述第三电阻r3的另一端接地；
31.所述第二电阻r2的一端接入所述设定阈值信号，所述第二电阻r2的另一端分别与所述第四电阻r4的一端以及所述比较芯片u1的反相输入端口int-相连，所述第四电阻r4的另一端接地。
32.所述电压比较单元还包括由滑动变阻器、第一电容c1、第二电容c2以及第八电阻r8构成的滤波电路，其中，所述第八电阻r8的两端分别通过所述第一电容c1和所述第二电容c2接地，所述第八电阻r8与所述第二电容c2相连的一端还与所述滑动变阻器的滑动端相连，所述滑动变阻器的第一固定端接地，第二固定端通过开关拨片可接入所述衰减信号或者所述设定阈值信号。
33.所述比较芯片的输出端out通过第五电阻r5与第二二极管d2的一端相连，所述第二二极管d2的另一端通过第六电容c6接入所述脉宽调制单元；其中，所述第五电阻r5分别通过第一二极管d1和断路器dz接地，所述第六电容c6接入所述脉宽调制单元的一端还通过第六电阻r6接地。
34.所述脉宽调制单元中包括或非门芯片u2和非门芯片u3，其中，所述第六电容c6与所述或非门芯片u2的第一输入端a1相连，所述或非门芯片u2的第二输入端a2与所述非门芯片u3的输出端b1相连，所述或非门芯片u2的第一输出端b1通过第四电容c4与所述非门芯片u3的第一输入端a1相连。
35.所述或非门芯片u2的第三输入端a3、所述或非门芯片u2的第二输出端b2、所述非门芯片u3的第二输入端a2均接地。
36.所述非门芯片u3的输出端b1与所述射频开关驱动器相连，并且所述非门芯片u3的输出端b1通过第五电容接地。
37.需要说明的是，上述的或非门芯片u2和非门芯片u3中，均存在a1、a2、b1的标号，但相同的标号在不同的芯片中，显然是指代不同的端口。
38.在一个具体应用示例中，电压比较单元用于比较衰减信号和设定阈值信号，输出脉宽调制单元的驱动ttl信号。
39.脉宽调制单元用于对驱动ttl信号进行滤波和脉宽调节，输出低侧mosfet射频开
关驱动器的ttl控制信号。
40.如图2所示，电压比较单元可以由比较芯片u1，电阻r1、r2、r3、r4、r8，电容c1、c2、c3，滑动变阻器组成，电压比较单元还可以具备4路拨码开关。电压比较单元有四个功能，可进行同相反相信号输入比较，输出标准的ttl电平信号，信号电压vpp在-300m到300mv范围内。
41.传递延迟时间：一般为7.5ns，最大10ns。输出脉冲上升时间：1.5ns，下降时间：1.5ns。
42.两个信号输入端口为bnc接口。通过端子1输入衰减信号，其输出端和r1一端连接，r1另一端和r3一端以及电压比较器u1同相输入端连接，另一路设定阈值信号通过端子2输入，r2另一端和r4一端以及电压比较器u1反相端连接。r3，r4另一端连接地。比较芯片u1输出端连接r5一端，r5另一端与dz一端以及二极管d1一端相连，dz、d1另一端与地相连。四个比较功能如下：
43.选择拨码开关功能一，衰减输入信号和设定阈值信号比较，衰减输入信号大于设定阈值信号时，电压比较器u1输出端输出高电平，反之输出低电平。
44.拨码开关选择功能二，衰减输入信号和设定阈值电压比较，衰减输入信号大于设定阈值电压时，电压比较器u1输出端输出高电平，反之输出低电平。
45.拨码开关选择功能三，设定阈值信号和设定阈值电压比较，设定阈值信号大于设定阈值电压时，电压比较器u1输出端输出高电平，反之输出低电平。
46.拨码开关选择功能四，不使用电压比较功能，直接输出原始脉冲。
47.脉冲调节单元由电容c4、c5、c6，电阻r9，r7，还有两块逻辑门芯片或非门u2，非门u3组成，其可输入一个ttl脉冲并将此脉冲宽度进行调节，调节范围为0s-500μs，上升沿和下降沿低于20ns。u2输出端连接c4、r7、r9充电模块以及u3输入端，u3输出端和c5一端相连输出信号至低侧mosfet射频开关驱动器。
48.超稳光学参考腔的透射信号通过光传感器进行探测，一部分接入示波器中进行监测，同侧获得衰荡曲线进而获得超稳光学腔的衰荡信号，另一部分通过接入本发明中的crds信号调制模块中的电压比较单元(触发阈值可以通过图2的r8进行调节)，采用拨码开关选择功能二，当衰减信号大于设定阈值电压时，信号进行触发输出一个特定脉宽的ttl信号送入脉宽调制单元。
49.脉宽调制单元对信号进行滤波和脉宽的调节(脉宽可以通过图2的电位器r9进行调节)，当vi正向跳变(从0输入跳变为vm，)，因为电容c6电压不能突变，易知vi1’＝vm，之后电容c6开始充电，vd＝vi-v
c6
，故vi1’开始下降，此时vo1＝0(逻辑低电平)。此后vi2跳变为0，电容c4开始充电，vi2电压开始逐渐增加，当vi2《vth时，u3输出电压发生翻转，此时vo2输出高电平。电容c4开始通过电阻r9和r7进行放电，c4开始恢复电压初始值，随着vi2逐渐上升，当vi2＝vth(u3逻辑“1”触发阈值电压)时，u3电压发生翻转，此时vo2输出低电平。
50.当vi负向跳变(从vm跳变为0)，此时因为电容c6电压不能突变，易知vi1’＝0，之后电容c6开始放电，vi1’＝-vm，vi1’开始上升，电容c4充电至vth后，vo2＝0，则此时，vo1＝“1”(逻辑高电平)，则vi2＝vdd(ep2电源电压)+vth，之后电容c4开始充电，vi2开始减小，直到vdd。
51.若电容c4还未通过电阻r7和r9完成放电时，vi就已经进行负向跳变(从vm跳变为
0)，因为此时u3输出连接到u2输入，给予正反馈，使得vo1仍然等于“1”(逻辑高电平)，仍能保持vo2输出高电平。
52.通过调节r9的阻值，间接调节系统rc的充放电时间，脉宽调制单元可以输出一个脉冲宽度远大于衰荡信号时间的ttl控制信号，控制光开关的射频信号，能够快速简便地切断入射超稳腔的激光。
53.本发明的有益效果为：
54.1、装置简单、抗干扰能力强。通过电压比较单元、脉宽调制单元组成光开关的控制器，避免了复杂的mcu系统、抗干扰能力强，射频开关驱动器可以快速驱动光开关。
55.2、信号响应速度快，测量精度高。从输入信号到输出信号，其延时下一般为7.5ns，最大20ns，最优的输出脉冲可达到上升时间1.5ns,下降时间1.5ns。而普通mcu系统时钟频率为25mhz，执行一个单周期指令所需时间都达到40ns。
56.3、驱动能力强。所用的3块芯片都采用5v单独供电，避免像mcu一样采用上拉电阻增强驱动，大大简化了电路结构，且其输出的ttl脉冲平整、光滑。
57.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种crds信号调制模块，其特征在于，所述crds信号调制模块包括电压比较单元、脉宽调制单元和射频开关驱动器，其中：所述电压比较单元用于对输入的衰减信号和设定阈值信号进行比较，并基于比较结果生成驱动ttl信号，以及将所述驱动ttl信号输出至所述脉宽调制单元；所述脉宽调制单元用于对输入的所述驱动ttl信号进行滤波和脉宽调节，生成脉冲宽度大于腔衰荡信号时间的ttl控制信号，并将所述ttl控制信号输入所述射频开关驱动器，以切断入射超稳腔的激光。2.根据权利要求1所述的crds信号调制模块，其特征在于，所述电压比较单元包括比较芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中：所述第一电阻的一端接入所述衰减信号，所述第一电阻的另一端分别与所述第三电阻的一端以及所述比较芯片的同相输入端口相连，所述第三电阻的另一端接地；所述第二电阻的一端接入所述设定阈值信号，所述第二电阻的另一端分别与所述第四电阻的一端以及所述比较芯片的反相输入端口相连，所述第四电阻的另一端接地。3.根据权利要求2所述的crds信号调制模块，其特征在于，所述电压比较单元还包括由滑动变阻器、第一电容、第二电容以及第八电阻构成的滤波电路，其中，所述第八电阻的两端分别通过所述第一电容和所述第二电容接地，所述第八电阻与所述第二电容相连的一端还与所述滑动变阻器的滑动端相连，所述滑动变阻器的第一固定端接地，第二固定端通过开关拨片可接入所述衰减信号或者所述设定阈值信号。4.根据权利要求2所述的crds信号调制模块，其特征在于，所述比较芯片的输出端通过第五电阻与第二二极管的一端相连，所述第二二极管的另一端通过第六电容接入所述脉宽调制单元；其中，所述第五电阻分别通过第一二极管和断路器接地，所述第六电容接入所述脉宽调制单元的一端还通过第六电阻接地。5.根据权利要求4所述的crds信号调制模块，其特征在于，所述脉宽调制单元中包括或非门芯片和非门芯片，其中，所述第六电容与所述或非门芯片的第一输入端相连，所述或非门芯片的第二输入端与所述非门芯片的输出端相连，所述或非门芯片的第一输出端通过第四电容与所述非门芯片的第一输入端相连。6.根据权利要求5所述的crds信号调制模块，其特征在于，所述或非门芯片的第三输入端、所述或非门芯片的第二输出端、所述非门芯片的第二输入端均接地。7.根据权利要求5所述的crds信号调制模块，其特征在于，所述非门芯片的输出端与所述射频开关驱动器相连，并且所述非门芯片的输出端通过第五电容接地。

技术总结
本发明涉及一种CRDS信号调制模块，所述CRDS信号调制模块包括电压比较单元、脉宽调制单元和射频开关驱动器，其中：所述电压比较单元用于对输入的衰减信号和设定阈值信号进行比较，并基于比较结果生成驱动TTL信号，以及将所述驱动TTL信号输出至所述脉宽调制单元；所述脉宽调制单元用于对输入的所述驱动TTL信号进行滤波和脉宽调节，生成脉冲宽度大于腔衰荡信号时间的TTL控制信号，并将所述TTL控制信号输入所述射频开关驱动器，以切断入射超稳腔的激光。本发明提供的技术方案，能够准确地控制激光的开关。激光的开关。激光的开关。


技术研发人员：张善超 陈艺元 林芳洲 王嘉旋
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/7/31