1 前 言
目前常用的干涉测量系统可以分为零差(单频)和外差(双频)两类。零差干涉测量系统具有易于与光纤耦合、测量速度不受限制等优点,其缺点是不能承受光强波动、直流放大器增益不能过高等。外差干涉测量系统则以其抗干扰性好、不受光强波动影响、放大器增益高等突出优点在纳米技术、生命科学研究等许多新兴领域中得到了广泛的应用。
外差干涉系统在干涉条纹小数级次的测量方面有许多比较成熟的方法,如锁相倍频[1]、混合型外差信号处理[2]和整小数一体化相位测量[3]等,易实现高精度和高分辨率。因此,在单频干涉系统中如果也能够增加调制环节和相位测量方法,则将会大大提高其测量精度和分辨率。
常用的光源调制方法有纵向塞曼和横向塞曼He-Ne激光器、双纵模激光器等。对于单频激光器来说,如果通过声光调制或电光调制实现外差干涉测量的话,则系统通常比较复杂。而采用压电陶瓷进行调制则是一种比较简单而又能实现外差测量的方法。由于压电陶瓷具有结构简单、稳定性好、响应速度快、价格低廉等优点,因而常用在相移干涉测量[4,5]中,用于改变两干涉光波的相对位相。在所研制的差动干涉仪中,也采用压电陶瓷进行调制,使干涉条纹小数级次的测量转化为相位测量[6]。本文研究了适用于这种机械调制干涉仪的外触发式差动数字鉴相技术,设计了基于FPGA的相位测量系统,并进行了相位比对实验。
2 基于机械调制的差动干涉仪信号特点
采用机械调制的差动干涉仪(其结构见文献[6]中的图1),其参考路和测量路干涉信号的典型波形如图1所示。该信号具有如下特点:
(1)频率较低。一般在500 Hz～3 kHz之间,主要受限于压电陶瓷的驱动频率和驱动电压。这对于要求高调制频率的情况是缺点,但对于单纯要求高分辨率的情况又是优点,因为技术上更容易实现。图1中的干涉信号低频部分频率为1.2 kHz。这就要求相位测量单元的信号预处理部分能够比较好地对低频输入信号进行整形,避免整形后的信号沿抖动。
(2)待测信号有相位跃变点且周期极不均匀。图1中通道4所示为压电陶瓷的锯齿波驱动信号,通道2和3为差动干涉仪的参考和测量信号。可以看出,在锯齿波的上升沿(或下降沿)的起始和终了部分的信号不是连续的。当然可以采取一些技术手段使其得到均匀的周期,本文试图采用更为简洁的方法。
3 外触发式差动数字鉴相系统原理与设计
为测出准确的相位值,显然不能直接对图1中的两路干涉信号进行比相。由图1可看出,在压电陶瓷的锯齿波驱动信号上升沿的中间部分,干涉信号质量较好。由此采用截取部分波形进行测相的方法,即设计一个与干涉信号同步的外触发信号(如图1中的通道1所示),使触发信号的高电平对应信号波形比较均匀的部分,利用这部分信号进行比相,从而得到准确的相位值。为此,研制了基于外触发式差动数字鉴相原理的相位测量系统。
3.1 差动数字鉴相与外触发信号的引入
本文所设计的差动数字鉴相的工作原理如图2所示。它由两套互补的鉴相器构成,其中一路使用正逻辑,另一路使用负逻辑。其中在混合逻辑中综合使用了异或逻辑和D触发器。由于混合逻辑中测量路和参考路的逻辑电路是各自独立工作的,不存在交叉反馈控制,所以两信号的上升(或下降)沿同时到达时不会引起逻辑矛盾,零点误差小于一个脉冲当量,而且可以通过多次平均提高精度。附加的符号判别电路可以消除异或逻辑引起的计数值的多义性。负逻辑部分的工作原理和正逻辑完全相同,只不过测量结果是反相的,二者构成差动逻辑关系。
差动数字鉴相的工作波形见图3。同相脉冲计数值N+由正逻辑鉴相得到,反相脉冲计数值N-来自负逻辑鉴相。显然,N+和N-分别对应相位差Δφ和360°-Δφ(设N+和N-为一个信号周期内的计数值):
可见,使用差动方法,在计算式中消除了信号频率和时钟频率项,避免了信号频率变动和脉冲频率漂移的影响。采用这样的措施仍然不足以完全克服周期变动的影响。
式(1)成立的前提是对整周期的信号鉴相。因此对图1所示的干涉信号而言,必须利用外触发信号对测量、参考信号和高频时钟进行整周期截取,这样才能保证对计数值N+和N-处理后得到正确的相位。为此设计了信号同步处理电路,其逻辑图及信号示意图如图4所示。由图4可看出,通过该信号同步处理单元,实现了对测量、参考信号和高频时钟信号的整周期截取。图4中的Str为外触发信号,Sm为测量信号,Sr为参考信号,CLK为高频时钟,S′m、S′r、CLK′分别为同步处理后的测量信号、参考信号和高频时钟信号。
3.2 基于FPGA的外触发式差动数字鉴相系统的设计
FPGA[7]是现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray)的简称,它是一种用于大规模逻辑电路设计的理想器件,不但工作速度极高,而且具有半定制特性,使电路的硬件设计变得非常方便。每个FPGA器件包含数千到数万个逻辑门电路,可以替代数十片乃至数百片传统的IC分立元件,具有很高的系统集成度。由于所有的电路都被集成在一块芯片中,所以不仅使线路的延时降低到了最低限度,而且还使工作速度和抗干扰能力大大提高了。
本文利用FPGA设计并实现了外触发式差动数字鉴相系统,如图5所示。待测信号通过光耦隔离后进入FPGA芯片,首先经过信号同步处理,然后再分别进行正向和反向差动鉴相;FPGA产生内部时钟信号,用于对鉴相结果进行计数,之后由计算机发出的控制信号进行锁存,并通过I/O接口输出。
4 相位比对实验
相位比对实验装置见图6。以丹麦2997型相位计作为基准,其最高分辨率为0.01°,采样时间为0.2 s,工作频率小于200kHz。HP3326A合成器用于模拟参考和测量信号,可任意改变输出信号的频率、幅值、偏置和相位。GFG-8019G型信号发生器的低频方波输出(频率控制在50～100 Hz内)用作外触发式差动数字鉴相系统(以下简称FPGA相位卡)的外触发信号。FP-GA相位卡和2997型相位计的测量结果均由计算机自动采集。
4.1 相位比对
该实验以2997型相位计的测量值为标准,利用HP3326A合成器改变两输入信号之间的相位差,在0°～360°的范围内比对了FPGA相位卡的测量值。相位比对结果分别如表1和图7所示。图中的纵坐标为两个相位计的测量值之差,横坐标为HP3326A合成器合成出的两信号之间的相位差。从图表中可看到,FPGA相位卡的最大偏差小于±0.07°。
由比对结果可以看出,两个相位计的测量值存在一个常数差并随频率的不同而变化,这是因为连接导线的长度、两路光耦的性能、电路的相频特性、双向过零比较的翻转电压和过零比较方式等各不相同的缘故,所以该常数差属于系统误差,并不影响在实际测量中的应用,并可通过软件予以消除。
4.2 示值稳定性
图8给出了信号频率为500 Hz时的FPGA相位卡测量结果的波动情况。计算得到其示值波动的标准差为0.0023°,极限偏差为±0.0069°,该漂移还包括了信号源本身的漂移。可见该相位计具有相当好的示值稳定性。
4.3 外触发信号频率变化的影响
图9所示为当改变外触发信号频率时,FPGA相位卡测量结果的变化曲线。测试结果说明,当待测信号频率为500 Hz、峰-峰值为4 V时,外触发信号频率在50～100 Hz内的变化过程中,FPGA相位卡的测量结果的最大变化量为0.01°,计算得到的标准差为0.004°。由此可见,该FP-GA相位卡能够有效地抑制外触发信号频率的变化对测量的影响。
5 结 论
本文针对采用机械调制的干涉系统的信号特点,提出了利用外触发信号对有相位跃变的信号进行整周期截取,然后再鉴相的方法。研制了基于FPGA的外触发式差动数字鉴相系统。实验测试表明,该鉴相系统在信号频率为300 Hz～10 kHz的范围内,达到的指标为:示值稳定性优于±0.015°,极限偏差小于±0.07°。
参考文献:
[1]戴高良.双频激光纳米干涉测量系统的研究[D].北京:清华大学精密仪器与机械学系,1998.
[2]戴高良,殷纯永.用于纳米测量的混合型外差干涉信号处理方法[J].光学技术, 1999,(1): 21—23.
[3]蒋弘.基于相位测量的外差干涉系统及其应用研究[D].北京:清华大学精密仪器与机械学系,1999.
[4] Yukihiro Ishii, Ribun Onodera. Two-wavelength laser-diode inter-ferometry that uses phase-shifting techNIques [J]. Optics Letters,1991, 16(19): 1523—1525.
[5] Osami Sasaki, Tadahiko Yoshida, Takamasa Suzuki. Double sinu-soidal phase-modulating laser diode interferometer for distance mea-surement [J]. Applied Optics, 1991, 30(25): 3617—3621.
[6]晁志霞,殷纯永,徐毅,等.可调合成波长链绝对距离干涉测量[J].计量学报,已录用.
[7]谢广平,周祖成,殷纯永.现场可编程门阵列(FPGA)及其在外差测量中的应用[J].计量技术, 1995, (5): 4—6.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(59875051)
作者简介:晁志霞(1974-),女,河北省人,清华大学精密仪器与机械学系博士,主要从事半导体激光器及外差干涉精密计量的研究。
