用CPLD设计双频激光干涉仪比较器电路

　　1　引　言

　　激光以其高光源亮度、很好的方向性和单色性在长度精密测量中得到广泛应用。双频干涉仪是利用激光的双频干涉原理和多普勒效应对运动的待测目标进行精密的长度测量和定位。双频激光干涉法具有精度高、对环境条件要求低等特点,而使双频干涉仪在微电子领域得到广泛应用。精度高和速度快是双频激光干涉仪的发展目标和方向,但同时二者又是一对矛盾。目前,美国HP公司生产的双频激光干涉仪已推出分辨率0.005μm,速度达到300mm/秒的激光干涉仪系统。我国目前生产的激光定位测量系统精度低、速度慢,还不能满足高速实时控制的需要,其中器件性能和电路制作是一个重要原因。

　　可编程逻辑器件近几年来在电路设计中得到越来越多的重视和应用。它们集成度高、功耗低、高速、灵活,再加上在线可编程方便,特别适合于结构复杂的大型逻辑设计。本文作者使用Altera公司生产的新型大规模逻辑器件设计制作了双频干涉仪的比较器单元电路。

　　2　双频激光干涉仪测长的工作原理

　　双频激光干涉测量系统主要由光路和电路两大部分组成。

　　(1)光路部分构成如图1〔1〕:

　　激光器发出两列偏振方向相反、频率差f ₁-f ₂=1.8MHz的圆偏振光。借助于对偏振适当敏感的光束分离器,将光分离成两束,频率f ₁的一束光到达远处的可动角反射器(安装在待测目标上),频率f2的光束入射近处静止角反射器。速度为v的可动角反射器位置变化L(t)将使返回的光频率发生多普勒频移△f ₁。包含f ₁、f ₂两个频率的光束在非线性光电探测器6中发生双频干涉〔2〕,形成差频为f ₁-f ₂的电流信号,作为参考信号。同理,由可动角反射器返回的频率为f1+△f2的光束与频率为f2的光束在光电探测器5中产生的差频为f1+△f ₁-f ₂的电流信号,作为位移测量信号。根据多普勒效应,有:

　　根据待测目标运动的方向决定取正或负,快速脉冲转换器输出的脉冲数N为:

　　因此,被测目标位移为

　　由上式可知,只要将累计脉冲数N转换成具有长度单位当量的脉冲数,即可由可逆计数器计数后由显示器显示被测目标位移值。

　　(2)电路处理部分的构成如图2:

　　从光学部分输入的参考信号f ₁-f ₂和位移测量信号f ₁+△f ₁-f ₂在快速脉冲转换器中经锁相、相减求得差频,即: