彈光調制高壓諧振電路設計

王國梁，李 曉，2，王志斌，2，王艷超，黃艷飛

(1.中北大學山西省光電信息與儀器工程技術研究中心，山西太原030051;2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原030051)

1 引言

彈光調制器是一種基于高性能透明光學材料(如熔融石英、氟化鋰、氟化鈣晶體等)光彈效應的器件，它具有調制精度高、效率高、波段寬、能量利用率高等光學特性［1］?；趶椆庹{制的高壓諧振電路是用來改善壓電晶體振動性能的重要裝置。1970年前后第一次出現(xiàn)由周期性變化所產生的機械壓力驅動的彈光調制器(photoelastic modulator，PEM)，隨后改進的裝置采用壓電傳感器對彈光晶體進行驅動［2－3］。后來 CHENG 等人利用“sympathetic resonance”的思想建立的另外一種PEM裝置，使得PEM真正的具有了實用價值［4－5］。針對現(xiàn)有驅動控制器穩(wěn)定性不強，帶負載能力弱的特點，本文設計了具有高負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時輸出高壓的過程平穩(wěn)、精度高，可以使電壓的輸出更加穩(wěn)定［6］。

2 彈光調制原理

彈光調制干涉光的工作原理如圖1所示，在高壓諧振電路的驅動下，利用壓電石英晶體的逆壓電效應，在光學各向同性的物質上加以周期性變化的機械應力來驅動彈光晶體諧振，從而使彈光晶體產生足夠的形變量，滿足彈光調制過程的需要［7－8］。

圖1 彈光調制干涉光原理圖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，在壓電晶體的兩個電極上施加交變電壓，引起晶體的諧振，從而使彈光晶體產生一定的機械形變，施加的電壓峰值越高，形變量就越大［9］，從而使光源產生的光通過干涉具時，干涉具能產生足夠的光程差，滿足彈光調制的需要。

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

3.1 輸入波形轉換電路和反饋信號采集電路

輸入波形轉換電路和反饋信號采集電路的原理相同，輸入波形轉換電路的信號是由信號發(fā)生器DG4162提供，反饋信號采集電路的信號由LC振蕩電路振蕩產生，整個諧振電路的輸入信號是頻率為50.04 kHz，幅度為2 V的正弦信號，通過LM339四集成比較器中的三個比較器進行信號轉換，將正弦信號轉換為方波信號，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。圖3中C1和C4用來控制電路中輸出方波的占空比，即高電平在一個周期內所占的時間比率。

圖3 輸入波形轉換電路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放大，為充放電回路提供足夠大的功率信號。圖4中Q5、R2、R21組成共射放大電路，方波輸入信號從晶體管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上產生壓降，Q5集電極輸出電壓為輸入電壓和R2產生的壓降之差。而R2、Q2和CR2又組成共集電極放大電路，該電路的特點是輸入信號源提供的電流小，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，減輕前級的負載，提高了整個電路的電壓增益和功率傳輸能力［10］。

充放電回路用來給LC振蕩電路提供充電和放電的電路回路。圖4中，當輸入信號為低電平時，三極管Q2導通，從而開關管Q4導通，給LC諧振網絡充電，充電回路導通，同時由于三極管Q5的輸入為低電平，Q5管截止，從而使開關管Q6截止，放電回路關閉。充電完成后，輸入的方波信號變?yōu)楦唠娖?，Q5管工作，Q6管基極為高電平，Q6也導通，而此時Q4管的基極為低電平，所以Q4管不工作，LC諧振網絡充電回路關閉，放電回路導通，電路開始放電。

3.3 阻抗匹配電路

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

阻抗匹配電路中的品質因數(shù)Q要盡量大，從而產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生交變電壓。當阻抗匹配電路給電容充電時，電容C8的電子將通過二極管CR6給電感L1提供能量，充電時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充阻抗匹配電路中的能量損耗，就能維持整個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 實驗結果及數(shù)據分析

整個諧振電路網絡通過調節(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生1200 V的高壓。表1所示是電路在頻率為50.04 kHz下實驗測試數(shù)據，圖6和圖7分別為輸入直流電壓5 V和29 V時輸出電壓的測試結果，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下的實驗數(shù)據Tab.1 The experimental data of different DC voltage UDC

圖6 輸入直流電壓為5 V時，輸入波形轉換電路輸入2 V信號的測試結果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，輸出電壓的測試結果Fig.7 When input DC voltage is 29 V，the test results of the output voltage

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

5 結論

實驗結果表明本文設計的高壓諧振電路輸出電壓高，帶負載能力強，升壓過程平穩(wěn)且容易控制。電路諧振時，壓電石英晶體具有良好的振動特性，能夠使干涉具產生足夠的光程差，滿足彈光調制的需要。整個諧振電路的輸出信號可以繼續(xù)連接鎖相環(huán)反饋控制電路，實現(xiàn)對輸入參考信號和輸出信號的相位控制，從而控制并減少系統(tǒng)產生的相位差［12］。整個電路控制簡單，穩(wěn)定性強，對其他諧振電路的設計也有一定的借鑒作用。

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