CN116054939B - 谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统及方法。本系统以ARM芯片为主要处理器，以谐振式高速振动反射镜为调制器，可以实现调制器驱动信号的产生，正交同步信号的产生等功能，产生的同步正弦波信号可作为正交矢量型数字锁相放大器参考信号，减少了传统方法中反馈传感器模块带来的噪声，也减少了传统方法中，利用传感器测量所得反馈信号传输过程中受到的干扰。
Description
技术领域
本发明属于光学调制的技术领域，特别涉及谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统及方法。
背景技术
谐振式高速振动反射镜是红外光学调制的关键器件之一，它的主要作用为：调制目标信号及抑制目标的背景辐射。
传统方法使用传感器获取振动反射镜运动信息，传感器生成的模拟信号量作输出同步信号，而同步信号也使用模拟信号进行传输。模拟信号抗干扰能力差，经过较长的传输路径时，容易受到干扰。
用模拟信号作为同步信号时，信号频率稳定性取决于传感器精度，而一般传感器不能满足使用需求，输出信号不稳定，易导致后续锁相放大器输出信号不准确，影响后续信号处理。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统，克服在传统的红外光学调制的锁相放大中，振动反射镜模拟同步信号容易受到干扰和环境条件影响的不足。通过生成数字化同步信号，提高同步信号稳定性与抗干扰能力。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统，采用ARM芯片为处理器，以谐振式高速振动反射镜为调制器，包括电源模块、DDS模块、DAC模块、模拟乘法器模块、通信模块和功率放大器模块；
所述的电源模块通过外部220V交流电源提供数字化同步信号产生系统内部需要的所有电源；
所述的DDS模块用于产生谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号及正弦波同步信号；
所述的DAC模块用于产生直流可控电平；
所述的模拟乘法器模块用于调整驱动正弦波幅值；
所述的通信模块用于根据上位PC机指令对调制器进行控制，将驱动信息反馈给上位PC机；
所述的功率放大器模块用于将谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号的功率放大。
进一步地，所述的谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号使用数字化驱动信号，由DDS模块进行数字频率合成，生成标准正弦波作为驱动信号。
进一步地，所述的DAC模块为ARM芯片自带模块，产生可控电平用于调制正弦波信号。
进一步地，所述模拟乘法器模块将DAC模块产生的电平信号与DDS模块合成的正弦波信号进行相乘，从而进行幅度控制。
进一步地，同步信号由DDS模块直接产生，与谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号严格同频率。
进一步地，所述通信模块通过串口实现ARM芯片与上位PC机连接，实现上位PC机命令字控制和谐振式高速振动反射镜反馈信号传输。
进一步地，所述谐振式高速振动反射镜的振动频率与输入驱动信号频率一致。
本发明还提供谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生方法，包括：数字化同步信号产生系统内部所需的电源均由外部220V工频交流电源变换得到，电源模块变换得到3.3V电源为ARM芯片和DDS模块供电；ARM芯片与DDS模块之间通过串行SPI方式进行连接，将DDS模块产生的正弦波信号与ARM芯片内部的DAC模块产生的直流可控电平一起送入模拟乘法器模块，将输出信号分为两路，一路信号经过功率放大器进行功率放大后作为谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号，一路信号作为谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号；ARM芯片与上位PC机之间采用RS422串口通信，将谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号的频率相位信息发送给上位PC机。
本发明提供数字化同步信号产生方法适用于谐振式高速振动反射镜，该谐振式高速振动反射镜振动频率与输入驱动信号频率基本一致，同步信号输送至正交矢量型数字锁相放大器，正交矢量型数字锁相放大器技术能够很好地检测待测信号，无需设计复杂的移相器电路，避免了相位差给锁相检测带来的困扰。
本发明和现有方法相比的优点在于：
1、采用直接数字合成频率技术产生正弦波，并通过模拟乘法器实现对正弦信号幅度值的调制。调制后的信号用以驱动谐振式高速振动反射镜，并作为数字化同步信号。
2、采用谐振式高速振动反射镜，调制频率与驱动信号频率相同。采用正交矢量型数字锁相放大器，无需复杂的移相器电路，减少了电路的复杂度，也避免了相位差带来的检测误差。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明提供的谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统构成示意图；
图2为谐振式高速振动反射镜驱动模块及谐振式高速振动反射镜反馈模块；
图3为乘法器输入信号-IN1示意图；
图4为乘法器输入信号-IN2示意图;
图5为乘法器输出信号-OUT示意图;
图6为数字同步信号产生方法原理图；
图7为谐振式高速振动反射镜数字化同步信号图；
图8为移相90°后的正弦波参考信号图。
实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统以ARM芯片为主要处理器，以谐振式高速振动反射镜为调制器，包括电源模块、DDS模块、DAC模块、乘法器模块、通信模块和功率放大器模块；其中，控制模块以ARM芯片为核心，采用ADI公司的ADuC7026，主要功能是实现谐振式高速振动反射镜驱动信号的产生和数字化同步信号的产生。
以下结合附图，分模块对本发明作进一步详述。
所述电源模块通过外部220V交流电源提供数字化同步信号产生系统内部需要的所有电源。数字化同步信号产生系统内部所需的所有器件的电源，均由外部220V，50Hz的通用交流电源经过变换生成。其中，使用7912系列线性稳压电路，产生±12V/500mA电源，给系统中的模拟器件进行供电。使用低压差电压调节器LM1117，用以产生数字电路所需要的3.3V/1A电源。RS422接口隔离芯片ADM2582E集成了隔离DC/DC模块，产生通信接口RS422接口所需的5V(500mA/5W)隔离电源。
所述DDS模块用于产生谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号及正弦波同步信号。所述的DDS模块采用的DDS芯片采用ADI公司的高集成度数字合成器AD9854，其原理如图6所示，由AD9854控制字决定相位增量，经由编程寄存器，由相位累加器实现相位增量的累加，通过正弦查找表找到对应的正弦波幅度值，再由IDAC、QDAC双通道数模转换器将数字信号转化为模拟信号，最后通过低通滤波器LPF进行滤波，得到所需要的正弦波。其优点是：具有相对带宽很宽，频率转换时间极短，频率分辨率高、输出相位连续、任意波形输出能力、幅度与相位一致性好、电路控制简单、方便灵活、便于集成等优越性。该DDS芯片可实现正交双通道输出，I通道输出既可以作为谐振式高速振动反射镜的驱动信号（如图7所示），也可以作为正交矢量型数字锁相放大器的正弦波参考信号，而Q通道输出作为移相90°后的正弦波参考信号（如图8所示）。
所述的DAC模块用于产生直流可控电平。其为ARM芯片内部DAC，ADuC7026内部集成12bit D/A模块，使用DAC模块产生直流电平，用以进行正弦控制信号的幅度调制。
所述的乘法器模块用于调整驱动正弦波幅值。所述乘法器为ARM芯片7系列芯片内置硬件乘法器，可实现64bit乘法指令。乘法器实现如图6所示，用以将DDS产生的正弦信号（如图4）和内置DAC产生直流电平（如图3）进行相乘，得到幅度调制后的驱动信号（如图5）。
所述通信模块用于根据上位PC机指令对谐振式高速振动反射镜构成的调制器进行控制，将驱动信息反馈给上位PC机。上位PC机与谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统之间选用RS422电路作为通信接口，采用异步串行全双工模式，9600bps，8位数据位，1位停止位，1位校验位（采用奇校验）。根据命令字执行相应的控制命令，然后将同步信号频率、幅值信息发送给上位PC机。
所述功率放大器模块用于将谐振式高速振动反射镜驱动信号功率放大，将乘法器模块得到的正弦波信号进一步处理，产生最大功率输出以驱动谐振式高速振动反射镜。
如图2所示，系统内部所需的电源均由外部220V工频交流电源变换得到，电源模块变换得到3.3V电源为ARM芯片和DDS模块供电；ARM芯片与DDS模块之间通过串行SPI方式进行连接，将DDS模块产生的正弦波信号与ARM芯片内部DAC模块产生的直流可控电平一起送入模拟乘法器模块，将输出信号分为两路，一路信号经过功率放大器进行功率放大后作为谐振式高速振动反射镜驱动正弦波信号，一路信号作为谐振式高速振动反射镜数字化同步信号。ARM芯片与上位PC机之间采用RS422串口通信，将谐振式高速振动反射镜数字化同步信号的频率相位信息发送给上位PC机。
至此，本发明的谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生方法能够以谐振式高速振动反射镜为调制器，可以实现调制器驱动信号的产生，正交同步信号的产生等功能。其中谐振式高速振动反射镜的驱动信号频率在2900HZ-3100HZ可调，精度0.1HZ，幅度±5V，所产生同步信号振幅精度优于1%，所产生数字化正交同步信号用做正交矢量型数字锁相放大器的参考输入，提供准确的参考信号。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统，其特征在于：采用ARM芯片为处理器，以谐振式高速振动反射镜为调制器，包括电源模块、DDS模块、DAC模块、模拟乘法器模块、通信模块和功率放大器模块；
所述的电源模块通过外部220V交流电源提供数字化同步信号产生系统内部需要的所有电源；
所述的DDS模块用于产生谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号及正弦波同步信号；
所述的DAC模块用于产生直流可控电平；
所述的模拟乘法器模块用于调整驱动正弦波幅值；
所述的通信模块用于根据上位PC机指令对调制器进行控制，将驱动信息反馈给上位PC机;
所述的功率放大器模块用于将谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号的功率放大；
将DDS模块产生的正弦波信号与ARM芯片内部的DAC模块产生的直流可控电平一起送入模拟乘法器模块，将输出信号分为两路，一路信号经过功率放大器进行功率放大后作为谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号，一路信号作为谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号。
2.根据权利要求1所述的谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统，其特征在于：所述的谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号使用数字化驱动信号，由DDS模块进行数字频率合成，生成标准正弦波作为驱动信号。
3.根据权利要求2所述的谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统，其特征在于：所述的DAC模块为ARM芯片自带模块，产生可控电平用于调制正弦波信号。
4.根据权利要求1所述的谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统，其特征在于：所述模拟乘法器模块将DAC模块产生的电平信号与DDS模块合成的正弦波信号进行相乘，从而进行幅度控制。
5.根据权利要求1所述的谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统，其特征在于：同步信号由DDS模块直接产生，与谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号严格同频率。
6.根据权利要求1所述的谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统，其特征在于：所述通信模块通过串口实现ARM芯片与上位PC机连接，实现上位PC机命令字控制和谐振式高速振动反射镜反馈信号传输。
7.根据权利要求1所述的谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统，其特征在于：所述谐振式高速振动反射镜的振动频率与输入驱动信号频率一致。
8.根据权利要求1-7之一所述的谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号产生系统的数字化同步信号产生方法，其特征在于：
数字化同步信号产生系统内部所需的电源均由外部220V工频交流电源变换得到，电源模块变换得到3.3V电源为ARM芯片和DDS模块供电；ARM芯片与DDS模块之间通过串行SPI方式进行连接，将DDS模块产生的正弦波信号与ARM芯片内部的DAC模块产生的直流可控电平一起送入模拟乘法器模块，将输出信号分为两路，一路信号经过功率放大器进行功率放大后作为谐振式高速振动反射镜的驱动正弦波信号，一路信号作为谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号；ARM芯片与上位PC机之间采用RS422串口通信，将谐振式高速振动反射镜的数字化同步信号的频率相位信息发送给上位PC机。
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