摘 要

首先本次论文的题目是基于锁相环的AOM(声光调制器)驱动系统研究与设计，在科学技术日新月异的今天，各种实验环境条件要求越来越高，原子干涉实验过程涉及多个激光光源，对光频、光强及相位的要求各有不同。其中用于原子冷却、囚禁于操控的失谐激光对光强与频差稳定性的要求很高。本次设计的要求是利用基于锁相环的移频技术，实现在114MHz~201.5MHz范围内的激光移频；结合反馈回的光电探测信号，对光强进行稳定与调制。本此设计主要分为两部分，一利用锁相环在参考信号的基础上，根据需要产生一定频率范围内的射频信号输出，二将AOM输出光强转换电信号，结合基准信号对光强进行稳定与调制。本次设计以锁相环与AOM为核心，主要模块有信号源模块，锁相模块，功率放大模块，光电检测模块，电压比较模块。部分模块设计后用proteus进行仿真模拟观察理论与实际是否一致。本次设计完成了设计要求所需要的全部内容，并可以动态显示，但仿真没有调试成功。

关键词:锁相环 AOM 控制系统

Abstract

First of all， the topic of this thesis is based on phase-locked loop AOM (acousto-optic modulator) drive system research and design， In today's science and technology changes with each passing day， all kinds of experiment conditions demand is higher and higher， atom interferometer experiment process involving multiple laser light source， optical frequency， intensity and phase requirements vary. Which is used to cool atoms， held in manipulation of the mismatch of the laser light intensity and frequency offset is very tall to the requirement of stability. The requirements of the design is the use of frequency shift based on phase-locked loop technology， within the scope of implementation in 114 MHz to 201.5 MHz laser frequency shift； Combined with the feedback back to the photoelectric detection signal， strong stability and light modulation. This design is mainly divided into two parts， the use of phase-locked loop on the basis of the reference signal， according to the need to produce a certain frequency range of rf signal output， two transform AOM output light intensity signal， combining with the benchmark for stability and strong signal light modulation. This design with the phase-locked loop and AOM as the core， the main modules are signal source module， phase lock module， power amplification module， photoelectric detection module， voltage comparison module. Using proteus simulation observation of the part of the module design theory and practical. This design completed the entire contents of the design requirements needed， and can dynamically display， but not the simulation debugging success.

Keywords: phase-locked loop AOM drive system

目录

第1章 绪论 1

1.1课题背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3课题研究内容 2

第2章 需求分析与关键技术 3

2.1需求分析 3

2.2关键技术 3

2.2.1频差稳定 3

2.2.2光强稳定 6

第3章 系统设计方案 9

第4章 单元电路分析 10

4.1信号源模块 10

4.2锁相模块 10

4.2.1 MCD2005TX/RX 10

4.2.2 N分频设计 11

4.3功率放大模块 13

4.4光电检测模块 14

4.5电压比较模块 15

4.6压控增益可调放大模块 16

第5章 部分模块仿真 18

5.1仿真工具 18

5.2部分仿真图 18

第6章 总结 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1课题背景与意义

激光技术是六十年代初发展起来的一门高新技术，其包括激光器技术与激光应用技术，它是以原子理论、量子理论、光学技术和电子技术为基础。 激光的发现与应用是二十世纪最实用的发明，激光用于多个实验和理论验证上，并与多个学科结合应用，重要程度于发展可以与热核技术、电子计算机相比，50多年来发展迅速^[1]。现在激光的应用已经遍及科技、经济、军事等许多领域，激光可用于激光医疗、激光焊接、，激光打孔、激光打标、激光切割、激光测距、激光传感、激光干涉仪、激光武器、激光照明、激光指示、激光测厚…在不久的将来，激光一定会有更广泛的应用^[1]。其中激光干涉仪是以波长作为标准对被测长度进行测量的仪器，它具有快速、高准确测量的优点，具体是利用光的干涉进行测量时，其结果具有非接触、无损检测的特点，在测量与定位中是最常用的标准仪器。

原子干涉实验过程涉及多个激光光源，对光频、光强及相位的要求各有不同。其中用于原子冷却、囚禁于操控的失谐激光即互相不匹配的激光，它对光强与频差稳定性的要求很高。为了实验过程中使用光强与频差稳定性高的信号，提出本课题进行研究。本课题目的是设计一个基于锁相环的AOM驱动系统，可以发出具有稳定光强与频差的信号。锁相环锁相时频率一定，改变输入信号锁相环“跟踪”后会重新锁定但频率会随输入信号改变，锁相环可以使频差稳定；AOM驱动后输出光信号，输出光强稳定就要求驱动信号稳定度高。本次设计运用了锁相环与AOM，其结果可以应用于各种有关激光的实验。因此本文推广了锁相环与AOM的应用，也对于科学研究具有一定的应用价值。

1.2国内外研究现状

锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL，是自动频率控制和自动相位控制技术的融合，锁相环路是一种反馈电路^[2]。它以相位误差为控制对象，在工作过程中可以实现相位自动锁定，信号频率的跟踪与同步等，电子设备中可以用锁相环来实现仪器外部的输入信号与内部的振荡信号同步^[3]。锁相环首先利用鉴相器对参考信号与压控振荡器输出信号进行相位比较，若相位不同则会产生相位误差电压，然后此电压通过低通滤波器滤波后输出电压，输出的电压来调整压控振荡器输出信号的相位与频率，此信号再与参考信号比较相位，一直循环直到压控振荡器输出频率与参考信号频率相一致，在参考信号与输出信号频率相同时，它们的相位并不是完全相同，但相位差是固定的，即此时输入参考信号与输出的频率和相位保持同步，这个状态就被称为相位锁定，简称锁相^[3]。目前，锁相环广泛应用于时钟系统、电机控制、测量、通信等领域，在日常生活中，每样物品都有自己的承受范围，例如当一个芯片在工作频率高于一定频率时，为了继续使用而且不造成影响， PLL可以很容易的消除这种芯片内与片外时钟间的相位差。锁相环可以应用于远程信息的传播，调制信息发出，增加信息传输过程中的稳定性，接收端接到信号后在解调，这样信息不会丢失。由于锁相环的同步作用，其在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。现在信息技术的飞速发展，使电子技术也向数字化方向发展，锁相采用数字方式更加可靠，也解决传统锁相受环境影响等特点。因此，大家越来越多的关注在全数字锁相环的研究和应用上 ^[3]。 

声光调制分是一种外调制技术，主要是将声波(一种纵向机械应力波)作用到声光介质中，此时会引起介质密度呈疏密周期性变化，导致介质的光学性能产生改变，即介质的光学折射率会发生空间周期性变化，相当于在介质内形成了一个折射率光栅。通过这样的介质时激光光束会发生衍射，由于光的衍射则此时输出的光就是激光的衍射光，它的光学特性与原激光是不同的，也就是说光波的传播方向，强度，相位，频率均会发生改变^[4]。当作用到声光介质中的声波改变时，介质密度呈疏密周期性也会发生变化，则介质的光学折射率会再次发生空间周期性变化，即介质内形成的折射率光栅改变，由于折射率的变化，衍射光的特性也会随声波变化^[4]。通常把利用声光调制的外调制技术来控制激光束强度变化的声光器件称作AOM。AOM是声光器件中应用最广泛的器件，其在激光技术中占有重要的地位，现已应用于传真机、激光印字仪、风速仪等，同时在激光印刷机、计算机输出显示、数据记录和打印、流速和振动的精密测量、雷达和声纳信号处理等激光技术中得到应用^[4]。

1.3课题研究内容

本设计要求利用基于锁相环的移频技术，实现在范围内的激光移频；结合反馈回的光电探测信号，对光强进行稳定与调制。首先运用锁相环技术，锁相环技术的应用:第一是信号的调制和解调；第二是位同步与相位同步；第三是信号频率合成电路^[3]。利用锁相环与倍频频率合成技术设计一个信号频率合成电路，根据需要产生范围内的射频信号输出^[5]。然后AOM经信号驱动后输出光信号，光信号是光束的衍射光，此信号经过光电检测转换成电信号来得到电压信号，可以通过电信号直观光信号的变化，当光信号的强度稳定即电压稳定时，保持驱动信号稳定就可以^[6]；若电压在变化不稳定，则此信号与基准信号结合控制AOM的驱动信号，使AOM驱动信号稳定从而使输出的光信号光强稳定。