双腔气体激光放电同步控制系统

1、概述

双腔气体激光放电同步控制系统主要根据中国科学院光电研究院设计任务进行研制，该系统提供两路可调延迟的脉冲输出信号，并且能够对反馈的两路脉冲信号进行时间间隔的准确测量，以便调节输出脉冲信号的延迟时间，从而得到用于双腔放电的两路可调延时低抖动脉冲触发信号。

系统指标：
重复频率：1——4KHz
抖动控制精度：±5ns
延时控制范围：20ns——1μs
延时分辨率：3ns

2、系统组成

双腔气体激光放电同步控制系统主要由上位机、高速数据采集卡、脉冲信号发生器、脉冲信号延迟器、脉冲信号整形器等组成，组成框图如图1所示，其中P1和P2为两路输出脉冲信号，PF1和PF2为两路反馈信号。

图1 双腔气体激光放电同步控制系统组成框图

3、工作原理

双腔气体激光放电同步控制系统的简要工作原理如下。如图1所示，首先通过上位机设置输出脉冲信号的频率与时间延迟、输入脉冲的时间间隔，然后通过脉冲信号发生器产生两路脉冲信号，由脉冲信号延迟器对两路信号进行时间延迟，后通过脉冲信号整形器完成输出脉冲信号的上升沿整形以及阻抗匹配，后两路脉冲信号P1和P2分别输入到指定的激光器系统；两路反馈信号PF1和PF2通过高速数据采集卡和上位机完成两路反馈信号的采集与延迟时间计算，如果采集到的延迟时间与设定时间不一致，则调节两路输出脉冲的延迟时间，直到两路反馈信号的延迟时间与设定时间一致时停止。下面对各部分工作原理进行详细介绍。

3.1上位机
上位机主要由计算机和相应软件组成，用来控制高速数据采集卡和脉冲信号发生器。

3.2脉冲信号发生器
脉冲信号发生器主要由单片机、FPGA、DDS等组成，主要完成两路脉冲信号的产生、脉冲宽度以及频率的设置。

3.3脉冲信号延迟器

3.3.1模拟与数字相结合

图2 模拟与数字相结合脉冲信号延迟器原理图

脉冲信号延迟器可以采用模拟与数字相结合的方法，如图2所示，首先脉冲信号经过上升沿延迟电路，使脉冲的上升沿斜率改变，然后由直流电压和脉冲进行比较得到延迟的两路输出脉冲。采用该方法控制脉冲延迟精度高、可扩展性强，但是电路结构复杂。

3.3.2纯数字方式
纯数字方式脉冲信号延迟器如图3所示，工作原理如下：脉冲信号发生器输出两路脉冲信号，分别进入两路延迟芯片，通过单片机对两路延迟芯片分别进行控制，脉冲信号发生器输出的两路脉冲信号的时间间隔可以设定为100ns的整数倍，精度为1ns，延迟芯片的延迟范围为0~100ns，精度为1ns，步进为1ns，这样就可以实现0~1μs的准确时间延迟。

图3 纯数字方式脉冲信号延迟器原理图

3.4脉冲信号整形器
脉冲信号整形器主要由滤波器和上升沿加速器组成，用来完成输出阻抗的匹配以及脉冲信号上升沿的加速。

3.5高速数据采集卡
高速数据采集卡主要完成反馈信号的采集。本设计所用采集卡采样率为1Gsa/S,等效采集速率为4Gsa/S，以满足2ns分辨率的要求。

3.6控制算法

3.7上位机界面

4、难点及解决方案

4.1上位机与高速数据采集卡和脉冲信号发生器的控制
上位机通过软件对高速数据采集卡和脉冲信号发生器进行控制，这里面除了C语言的技术外还需要对Windows的底层具有深刻的理解，能够对两种设备进行稳定、可靠的控制具有一定难度，另外输入信号目前不能确定，并且信号的抖动性、上升沿、辨别方式均不能确定，所以和系统联调时比较复杂。我公司从2004年开始使用上位机对高速数据采集卡以及信号发生器进行控制研究，目前能够稳定可靠的控制NI、固纬、普源等公司生产的采集卡，产品能够满足工业场合使用。

4.2脉冲信号延迟器分辨率与抖动
由于脉冲信号延迟器的分辨率为3ns，对电路所用元器件以及制板布线提出很高要求，否则输出脉冲信号会发生抖动。脉冲信号延迟器主要仿制泰克公司的AFG3000系列信号发生器，电路成熟，设计人员经验丰富，能够设计出满足要求的延迟器。

5脉冲延迟时序控制系统试验

5.1两路脉冲信号延迟试验

图4 脉冲信号延迟试验原理图

两路脉冲信号延迟试验原理如图4所示，通过上位机设置两路输出脉冲信号的频率、脉宽、延迟时间，由示波器和频率计对输出脉冲信号进行测试，主要测试指标为延迟精度、上升沿时间、频率准确度、波形抖动等。

5.2两路高速数据采集试验

图5 两路高速数据采集试验原理图

两路高速数据采集试验原理如图5所示，由信号源AFG3000输出两路延迟可调脉冲信号，通过采集卡由上位机进行数据读取与延迟时间计算，以测试高速数据采集卡与上位机的采集精度与稳定度。

5.3采集、输出联调试验
采集、输出联调试验原理如图6所示，当上位机设置的脉冲延迟时间与采集时间一致时，输出脉冲信号的延迟时间保持不变；不一致时，输出脉冲信号的延迟时间根据设置要求进行改变，该试验主要测试整套系统的工作协调性以及准确性。

图6 采集、输出联调试验原理图

5.4与激光系统联调

5.4.1开环调试
检测系统加上放电腔负载后的开环传输特性。

5.4.2闭环调试
当开环调试试验均完成并且满足要求时进行系统联调，如图1所示。进行闭环调试，确定控制算法的佳参数，终达到系统高重频、低抖动特性。

6、结论

双腔气体激光放电同步控制系统设计方案可行，试验论证充分，可按此方案进行研制。
该系统与激光系统联调时比较复杂，工作量大，可能需要反复的修改调节方案。

7、研发计划
详细研发计划如下：

8、经费预算