CN115694478A - 锁相环电路、光电系统及电子设备 - Google Patents

锁相环电路、光电系统及电子设备 Download PDF

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CN115694478A
CN115694478A CN202110874305.5A CN202110874305A CN115694478A CN 115694478 A CN115694478 A CN 115694478A CN 202110874305 A CN202110874305 A CN 202110874305A CN 115694478 A CN115694478 A CN 115694478A
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China
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laser
circuit
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CN202110874305.5A
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陈海明
鲁富军
代西明
徐洋
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Wuhan Wanji Photoelectric Technology Co Ltd
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Beijing Wanji Technology Co Ltd
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

锁相环电路、光电系统及电子设备,所述锁相环电路包括:信号处理电路,用于将所述激光器的输出信号转化为差频信号;双鉴频鉴相器电路,被配置为根据所述信号处理电路输出的差频信号输出第一误差校正信号和与所述第一误差校正信号的极性相反的第二误差校正信号;调控电路,被配置为对预校正信号和所述第一误差校正信号或所述第二误差校正信号进行运算得到调制信号,所述调制信号用于调控所述激光器的驱动以调制所述激光器的输出。通过两个鉴频鉴相器输出仅极性相反的第一误差校正信号和第二误差校正信号,省去了现有技术中的极性翻转电路,降低了整体电路的时延,提高了电路的性能。

Description

锁相环电路、光电系统及电子设备
技术领域
本申请属于调制信号技术领域,尤其涉及锁相环电路、光电系统及电子设备。
背景技术
在调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)激光绝对测量技术中测距精度受调频的线性度影响较大,而且受光源存在的调频非线性的缺点,并且随着调频速度的增大,非线性变得越发严重。因此必须精确控制高速调频下激光器的瞬时频率,使其调频特性具有良好的线性度,为此常采用锁相环对激光器进行精确控制。
现有的锁相环电路大多数使用一个鉴频鉴相器,通过方向选择开关将鉴频鉴相器输出的信号拆分成两路输出,并通过后续的极性翻转电路改变其中一路输出的极性,以使两路输出分别用于信号的上升边控制和下降边控制,但添加的电路包括需要加入时延电路,导致电路整体时延较大。
发明内容
本申请的目的在于提供锁相环电路、光电系统及电子设备,旨在解决传统的锁相环电路存在的时延较大的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种应用于激光器的锁相环电路,包括:信号处理电路,用于将所述激光器的输出信号转化为差频信号;双鉴频鉴相器电路,包括第一鉴频鉴相器和第二鉴频鉴相器,所述第一鉴频鉴相器用于根据所述差频信号输出第一误差校正信号,所述第二鉴频鉴相器用于根据所述差频信号输出与所述第一误差校正信号的极性相反的第二误差校正信号;调控电路,被配置为对预校正信号和所述第一误差校正信号或所述第二误差校正信号进行运算得到调制信号,所述调制信号用于调控所述激光器的驱动以调制所述激光器的输出。
与现有技术相比本实施例具有的有益效果为:通过两个鉴频鉴相器输出仅极性相反的第一误差校正信号和第二误差校正信号,对输出信号进行调制,省去了现有技术中的极性翻转电路,降低了整体电路的时延,提高了电路的性能。
其中一实施例中,所述第一鉴频鉴相器用于根据所述差频信号与参考信号的相位差输出第一误差校正信号,所述第二鉴频鉴相器用于根据所述差频信号与参考信号的相位差输出所述第二误差校正信号。
其中一实施例中,所述运算为将所述第一误差校正信号或所述第二误差校正信号进行积分运算后与所述预校正信号进行加法运算。
其中一实施例中,所述输出信号为光信号,所述信号处理电路包括:光学干涉仪,所述光学干涉仪的输入端与所述激光器的输出端连接,以用于将所述输出信号转化为拍频光信号;平衡探测器,所述平衡探测器的输入端与所述光学干涉仪的输出端连接,以用于将所述拍频光信号转化为差频电信号;比较器,所述比较器的输入端与所述平衡探测器的输入端连接,所述比较器的输出端与所述双鉴频鉴相器电路的输入端连接,以用于对所述差频电信号进行波形整形为所述差频信号。
其中一实施例中,所述第一鉴频鉴相器和第二鉴频鉴相器的输入端均与所述信号处理电路的输出端连接,所述第一鉴频鉴相器、第二鉴频鉴相器的输出端分别通过第一环路滤波器、第二环路滤波器与调控电路的输入端连接;所述第一鉴频鉴相器用于根据所述差频信号与所述参考信号的相位差输出第一鉴频电流信号,所述第二鉴频鉴相器用于根据所述差频信号与所述参考信号的相位差输出第二鉴频电流信号;所述第一环路滤波器将所述第一鉴频电流信号转化为电压信号并平滑滤波后输出所述第一误差校正信号,所述第二环路滤波器将所述第二鉴频电流信号转化为电压信号并平滑滤波后输出所述第二误差校正信号。
其中一实施例中,所述鉴频鉴相模块还包括控制单元,所述控制单元分别与所述第一鉴频鉴相器和所述第二鉴频鉴相器连接,以用于设置所述第一鉴频鉴相器和所述第二鉴频鉴相器输出的所述第一鉴频电流信号和所述第二鉴频电流信号的极性。
其中一实施例中,所述调控电路包括:方向选择开关,所述方向选择开关的两个输入端分别与所述第一环路滤波器的输出端和所述第二环路滤波器的输出端连接,所述方向选择开关被配置为根据触发信号选择所述第一误差校正信号或所述第二误差校正信号传输至所述方向选择开关的输出端;积分器电路,所述积分器电路的输入端与所述方向选择开关的输出端连接,所述积分器电路被配置为将所述第一误差校正信号或所述第二误差校正信号进行积分运算后,生成带有正负斜率的误差信号;加法器电路,所述加法器电路的输入端与积分器电路的输出端连接,所述加法器电路的输出端与所述激光器的输入端连接,所述加法器电路被配置为根据所述预校正信号和所述误差信号向所述激光器输出所述调制信号。
其中一实施例中,所述预校正信号为三角波,所述触发信号为方波信号,所述触发信号在所述预校正信号的波峰与波谷发生电平的跳变,以控制所述方向选择开关。
本申请实施例的第二方面提供了一种激光光源产生线性相位啁啾的光电系统,包括激光器和上述的应用于激光器的锁相环电路,所述激光器包括:可控电源,所述可控电源用于根据所述调制信号输出驱动电流;激光光源,所述激光光源用于根据所述驱动电流输出扫频光信号,所述扫频光信号通过耦合器输出,所述扫频光信号即为所述激光器的输出。
本申请实施例的第三方面提供了一种电子设备,包括上述的激光光源产生线性相位啁啾的光电系统。
附图说明
图1为本申请一实施例的原理示意图;
图2为本申请一实施例的电路示意图;
图3为本申请一实施例的预校正信号、触发信号波形图。
上述附图中:100、信号处理电路;101、光学干涉仪;102、平衡探测器;103、比较器;200、双鉴频鉴相器电路;201、第一鉴频鉴相器;202、第二鉴频鉴相器;203、第一环路滤波器;204、第二环路滤波器;205、控制单元;300、调控电路;301、方向选择开关;302、积分器电路;303、加法器电路;400、激光器;401、可控电源;402、激光光源;403、耦合器。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
当一个元件被称为是“连接于”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
如图1所示,在其中一个实施例中,提供了一种应用于激光器400的锁相环电路,包括:信号处理电路100,用于将激光器400的输出信号转化为差频信号;双鉴频鉴相器电路200,被配置为根据信号处理电路100输出的差频信号输出第一误差校正信号和与第一误差校正信号相较于参考电压极性相反的第二误差校正信号;调控电路300,被配置为根据预校正信号和第一误差校正信号或第二误差校正信号进行运算得到调制信号,并根据调制信号调控激光器400的驱动以调制激光器400的输出,实现对激光器400的闭环控制。
其中,通过双鉴频鉴相器电路200的两个鉴频鉴相器分别输出第一误差校正信号和第二误差校正信号,第一误差校正信号和第二误差校正信号的极性相较于参考电压相反,其余参数均相同;第一误差校正信号用于通过调控电路300与预校正信号的上升沿进行运算得到调制信号,第二误差校正信号用于通过调控电路300与预校正信号的下降沿进行运算得到调制信号,从而省去了现有技术中使用单个鉴频鉴相器时所需要的极性翻转电路,在进行校正时可随意选用第一误差校正信号和第二误差校正信号之一通过调控电路300对输出信号进行校正。
如图2所示,其中一实施例中,双鉴频鉴相器电路200包括第一鉴频鉴相器201和第二鉴频鉴相器202,第一鉴频鉴相器201和第二鉴频鉴相器202的输入端均与信号处理电路100的输出端连接,第一鉴频鉴相器201、第二鉴频鉴相器202的输出端分别通过第一环路滤波器203、第二环路滤波器204与调控电路300的输入端连接;第一鉴频鉴相器201和第二鉴频鉴相器202用于将差频信号的频率、相位与参考信号进行对比,得到差频信号与参考信号的相位差,第一鉴频鉴相器201和第二鉴频鉴相器202根据相位差分别输出第一鉴频电流信号和第二鉴频电流信号,第一鉴频电流信号和第二鉴频电流信号分别通过第一环路滤波器203和第二环路滤波器204转化为第一误差校正信号和第二误差校正信号。具体的,第一环路滤波器203将第一鉴频电流信号转化为电压信号并平滑滤波,第二环路滤波器204用于将第二鉴频电流信号转化为电压信号并平滑滤波,第一误差校正信号和第二误差校正信号均为电压信号。通过两个鉴频鉴相器分别生成第一误差校正信号和与第一误差校正信号相较于参考电压极性相反的第二误差校正信号省略了极性翻转电路,相较于现有技术降低了整体电路的时延。
如图2所示,其中一实施例中,双鉴频鉴相器电路200还包括控制单元205,控制单元205可以是单片机(Microcontroller Unit;MCU)或现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array;FPGA)或数字信号处理器(Digital Signal Processing;DSP),控制单元205分别与第一鉴频鉴相器201和第二鉴频鉴相器202连接,以用于设置第一误差校正信号和第二误差校正信号的极性。
现有技术中由于采用极性翻转电路改变信号的极性,导致若极性翻转电路出现问题,则无法快速对电路直接进行调整,而通过控制单元205对第一鉴频鉴相器201和第二鉴频鉴相器202进行控制,可以有效降低后续的调试成本和修改成本。
如图2所示,其中一实施例中,输出信号可以为光信号,例如扫频光信号,信号处理电路100包括:光学干涉仪101、比较器103和平衡探测器102。
光学干涉仪101的输入端与激光器400的输出端连接,以用于将输出信号转化为拍频光信号;平衡探测器102的输入端与光学干涉仪101的输出端连接,以用于将拍频光信号转化为差频电信号。
比较器103可以是高速比较器,比较器103的输入端与平衡探测器102的输入端连接,比较器103的输出端与双鉴频鉴相器电路200的输入端连接,以用于对差频电信号进行波形整形为差频信号并向双鉴频鉴相器电路200输出差频信号,具体的,比较器103将差频电信号转化为差频信号即是将正弦波信号转化为幅度统一的方波信号,便于鉴频鉴相器获取差频信号和参考信号的相位差。
其中,光学干涉仪101可以是马赫曾德干涉仪(MZI干涉仪),可以通过将输出信号分为两束信号并使两束信号分别经过长度不同的光纤从而产生相位差,再将两束信号进行混合即得到频率较低且稳定的拍频光信号。
参考信号是由晶振产生,是基于预校正信号生成的标准差频信号,用于确定平衡探测器102输出差频信号的频率、相位,保证输出信号的稳定,同时修改参考信号仍然会使差频信号会重新锁定到参考信号频率,实现对输出信号的调制。
如图2所示,其中一实施例中,调控电路300包括:方向选择开关301、积分器电路302和加法器电路303,方向选择开关301可以是模拟开关。
方向选择开关301的两个输入端分别与第一环路滤波器203的输出端和第二环路滤波器204的输出端连接,方向选择开关301被配置为根据触发信号将第一误差校正信号或第二误差校正信号传输至方向选择开关301的输出端,触发信号根据预校正信号生成;积分器电路302的输入端与方向选择开关301的输出端连接,积分器电路302被配置为将第一误差校正信号或第二误差校正信号进行积分运算后,生成带有正负斜率的误差信号;加法器电路303的输入端与积分器电路302的输出端连接,加法器电路303的输出端与激光器400的输入端连接,加法器电路303被配置为根据预校正信号和误差信号向激光器400输出调制信号。
如图3所示,其中一实施例中,预校正信号为三角波,触发信号为与预校正信号对应的方波信号,触发信号在预校正信号的波峰与波谷发生电平的跳变。预校正信号的幅值与输出信号的调制带宽对应。
需要说明的是,触发信号的跳变沿可以周期性控制方向选择开关301。例如:当预校正信号处于波谷时,触发信号的下降沿控制方向选择开关301将积分器电路302与第一环路滤波器203连通,以用于向积分器电路302传输第一误差校正信号,使得第一误差校正信号通过调控电路300结合预校正信号的上升边生成调制信号;对应的,当预校正信号处于波峰时,触发信号的上升沿控制方向选择开关301将积分器电路302与第二环路滤波器204连通,以用于向积分器电路302传输第二误差校正信号,使得第二误差校正信号通过调控电路300结合预校正信号的下降边生成调制信号,从而省略了现有技术中的极性翻转电路,提高了整体电路的性能。
本申请实施例的第二方面提供了一种激光光源产生线性相位啁啾的光电系统,包括上述的应用于激光器400的锁相环电路,激光器400包括:可控电源401,可控电源401用于根据调制信号输出驱动电流;激光光源402,激光光源402用于根据驱动电流输出扫频光信号,扫频光信号通过耦合器403输出,扫频光信号即为激光器400的输出。
本申请实施例的第三方面提供了一种电子设备,包括上述的激光光源产生线性相位啁啾的光电系统。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围,均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于激光器的锁相环电路,其特征在于,包括:
信号处理电路,用于将所述激光器的输出信号转化为差频信号;
双鉴频鉴相器电路,包括第一鉴频鉴相器和第二鉴频鉴相器,所述第一鉴频鉴相器用于根据所述差频信号输出第一误差校正信号,所述第二鉴频鉴相器用于根据所述差频信号输出与所述第一误差校正信号的极性相反的第二误差校正信号;
调控电路,被配置为对预校正信号和所述第一误差校正信号或所述第二误差校正信号进行运算得到调制信号,所述调制信号用于调控所述激光器的驱动以调制所述激光器的输出。
2.如权利要求1所述的应用于激光器的锁相环电路,其特征在于,所述第一鉴频鉴相器用于根据所述差频信号与参考信号的相位差输出第一误差校正信号,所述第二鉴频鉴相器用于根据所述差频信号与参考信号的相位差输出所述第二误差校正信号。
3.如权利要求1或2所述的应用于激光器的锁相环电路,其特征在于,所述运算为将所述第一误差校正信号或所述第二误差校正信号进行积分运算后与所述预校正信号进行加法运算。
4.如权利要求1或2所述的应用于激光器的锁相环电路,其特征在于,所述输出信号为光信号,所述信号处理电路包括:
光学干涉仪,所述光学干涉仪的输入端与所述激光器的输出端连接,以用于将所述输出信号转化为拍频光信号;
平衡探测器,所述平衡探测器的输入端与所述光学干涉仪的输出端连接,以用于将所述拍频光信号转化为差频电信号;
比较器,所述比较器的输入端与所述平衡探测器的输入端连接,所述比较器的输出端与所述双鉴频鉴相器电路的输入端连接,以用于对所述差频电信号进行波形整形为所述差频信号。
5.如权利要求2所述的应用于激光器的锁相环电路,其特征在于,所述第一鉴频鉴相器和第二鉴频鉴相器的输入端均与所述信号处理电路的输出端连接,所述第一鉴频鉴相器、第二鉴频鉴相器的输出端分别通过第一环路滤波器、第二环路滤波器与调控电路的输入端连接;
所述第一鉴频鉴相器用于根据所述差频信号与所述参考信号的相位差输出第一鉴频电流信号,所述第二鉴频鉴相器用于根据所述差频信号与所述参考信号的相位差输出第二鉴频电流信号,所述第一环路滤波器将所述第一鉴频电流信号转化为电压信号并平滑滤波后输出所述第一误差校正信号,所述第二环路滤波器将所述第二鉴频电流信号转化为电压信号并平滑滤波后输出所述第二误差校正信号。
6.如权利要求5所述的应用于激光器的锁相环电路,其特征在于,所述鉴频鉴相模块还包括控制单元,所述控制单元分别与所述第一鉴频鉴相器和所述第二鉴频鉴相器连接,以用于设置所述第一鉴频鉴相器和所述第二鉴频鉴相器输出的所述第一鉴频电流信号和所述第二鉴频电流信号的极性。
7.如权利要求5或6所述的应用于激光器的锁相环电路,其特征在于,所述调控电路包括:
方向选择开关,所述方向选择开关的两个输入端分别与所述第一环路滤波器的输出端和所述第二环路滤波器的输出端连接,所述方向选择开关被配置为根据触发信号选择所述第一误差校正信号或所述第二误差校正信号传输至所述方向选择开关的输出端;
积分器电路,所述积分器电路的输入端与所述方向选择开关的输出端连接,所述积分器电路被配置为将所述第一误差校正信号或所述第二误差校正信号进行积分运算后,生成带有正负斜率的误差信号;
加法器电路,所述加法器电路的输入端与积分器电路的输出端连接,所述加法器电路的输出端与所述激光器的输入端连接,所述加法器电路被配置为根据所述预校正信号和所述误差信号向所述激光器输出所述调制信号。
8.如权利要求7所述的应用于激光器的锁相环电路,其特征在于,所述预校正信号为三角波,所述触发信号为方波信号,所述触发信号在所述预校正信号的波峰与波谷发生电平的跳变,以控制所述方向选择开关。
9.一种激光光源产生线性相位啁啾的光电系统,其特征在于,包括激光器和如权利要求1至8任一项所述的应用于激光器的锁相环电路,所述激光器包括:
可控电源,所述可控电源用于根据所述调制信号输出驱动电流;
激光光源,所述激光光源用于根据所述驱动电流输出扫频光信号,所述扫频光信号通过耦合器输出,所述扫频光信号即为所述激光器的输出。
10.一种电子设备,其特征在于,包括如权利要求8或9所述的激光光源产生线性相位啁啾的光电系统。
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