1-7和NPRO本振激光器1-8环形串联而成的光锁相环路，完成信号光和本振光的相位锁定；NPR0信号激光器1-1和NPRO本振激光器1_8的光信号输入到光纤耦合器1_2，输出两路相位差为180°的拍频光信号，然后输入到平衡探测器1-3，得到锁相环路的相位误差信号；所述相位误差信号输入环路滤波器1-4，得到第一频率控制信号I1，得到的第一频率控制信号Vtll分别输入压电驱动器1-7的一个输入端口和电压转换模块1-6，所述电压转换模块1-6将第一频率控制信号^^线性转换为后续电压测量控制模块工作的电压范围，并输入到电压测量控制模块1-5 ;电压测量控制模块1-5的测量芯片根据所得到的电压幅值，通过程序控制输出第二频率控制信号ν?，并输入压电驱动器1-7的另一输入端口 ；所述压电驱动器1-7将第一频率控制信号I1和第二频率控制信号V。2分别放大相应的倍数再作加法，得到压电驱动信号，然后输入NPRO本振激光器1-8的压电控制端。当环路在锁定状态时，通过测量经过电压转换模块产生的电压幅值，判断是否需要改变ν?，以达到扩大同步带的目的。
[0029]本实施例中的电压转换模块1-6、电压测量控制模块1-5和压电驱动器1-7的结构和工作原理如下:
[0030](I)由于第一频率控制信号I1的变化范围与所采用的单片机的测量范围不同，因此需要加入电压转换模块，所述电压转换模块可将电压信号I1线性的转化为不同范围内的电压信号。电压转换模块1-6的原理图如图2所示，环路滤波器1-4输出的第一频率控制信号I1经过电阻R2连接到运算放大器2-1的正向端，运算放大器的反向端经过R i后接地，所述运算放大器的正向端与电阻R3相连，电阻R4的一端连接电阻1?3，另一端连接正电压V+，滑动变阻器Rfl—端连接电阻R3，另一端连接负电压V，所述运算放大器2-1的反向端与输出端之间还连接有滑动变阻器Rf2。
[0031]所述电压转换模块1-6的基本原理为:在电路图中，根据运算放大器0P07的一般特性，输出电压Vciutl和电路图中2处的电SV2呈线性关系Vciutl= kV2'+b，k与b的数值由1K滑动变阻器Rf2来决定；而节点2处的电SV2与节点I处的电SV1相等，输入电压V。:与节点I处的电压也呈线性关系V1= mVcl+d，m与d的数值由电阻R2，R3，R4以及5K滑动变阻器Rfl共同决定。因此，可以得到如下关系式V kmVcl+kd+b ;通过合理设定电路中电阻的数值，可实现将-3V?+3V的输入电压Vel线性的变换到O?5V，通过进一步计算可得出图2中各电阻的阻值为=R1= 10ΚΩ，R2= 2ΚΩ，R3= 2ΚΩ，R4= 1.5ΚΩ，两个滑动变阻器的值:Rfl= 2.5KQ,Rf2= 1KΩ。
[0032](2)电压测量控制模块1-5的结构如图3所示，由Α/D转换芯片3-1、控制芯片3-2 ;有源晶振3-3、D/A转换芯片3-4、RC低通滤波电路3_5构成。有源晶振3_3产生500kHz方波时钟信号，输入到Α/D转换芯片3-1，提供Α/D转换芯片所需时钟频率，电压转换模块1-6的输出电压Vciutl输入Α/D转换芯片3-1 ;A/D转换芯片3-1和控制芯片3_2之间通过8位数据传输线3-9、地址锁存控制ALE连线3-6、控制AD转换启动ST连线3_7、允许数据输入OE连线3-8进行连接，Α/D转换芯片3-1是一种8位CMOS逐次逼近数模转换芯片，可以测量O?5V电压，由于芯片内部不能产生时钟信号，所以需要通过外部有源晶振来提供500kHz方波时钟信号；芯片的8位数据传输线3-9接入控制芯片3-2的P。口，8位二进制数的范围是O?255，所以51对应IV电压，实现对外接输出电压的量化，然后通过判断单片机所测量电压的对应数值，对量化后的数据实现编码，将电压信号转换为二进制数值，根据所得到的二进制数大小和已知的电压上/下限(Μ/L)进行比较判断，然后控制芯片3-2输出12位二进制控制信号(控制流程由图4给出)；最后控制芯片3-2输出的二进制控制信号经过D/A转换芯片3-4后变换为模拟电压控制信号，再经过RC低通滤波器3-5产生第二频率控制信号RC低通滤波器3-5由一个电阻R和一个电容C串联而成，R = 10.6 Ω，C = 15 μ F，带宽IkHz。
[0033]电压测量控制模块1-5的测量控制流程如图4所示，当环路锁定时，首先对控制芯片3-2进行初始化，使输出12位二进制控制信号为O ;然后由控制芯片3-2通过ALE和ST连线分别向Α/D转换芯片3-1的相应引脚发出高电平，分别允许地址锁存和启动AD转换，开始读取电压，当读取电压结束后，分别关闭允许地址锁存和AD转换，并将所读取的电压转换为8位数字信号，通过8位数据传输线3-9将该数字信号输入控制芯片3-2，计算出电压值X ;取电压上限M为4.5V，电压下限L为0.5V:当Χ>4.5时，控制芯片3_2将输出二进制控制信号加1，由于环路的负反馈机制，当信号光频率给定时，输入本振激光器1-8的压电控制端的电压恒定，输出二进制控制信号加I会使得12增加2.44mV，进而使得L1相应减小9.76mV(由压电驱动器1-7的增益决定);当X〈0.5时，控制芯片3_2将输出二进制控制信号减1，使^相应增加9.76mV(由压电驱动器1-7的增益决定);当X在0.5?4.5之间时，不采取任何操作；而后再次读取电压Vm并进行后续测量和控制，依次循环，使电压I1始终工作在-2.7?+2.7V，环路始终保持锁定。
[0034](3)压电驱动器1-7的原理图如图5所示，其采用基于高压运算放大器5-1的加法器结构，其中高压运算放大器5-1的型号为PB89，输出电压范围可达到±550V，图5中，R5=2.5ΚΩ ,R6= 4ΚΩ ,R7= 1ΚΩ ,Rf3= 110ΚΩο对电压V。:的增益为9倍，对电压V。2的增益为36倍。
[0035]本实施例对环路同步带的扩大作用可估算如下:取本振激光器的压电调频系数为1.6MHz/V，当不采用本实施例的结构(常规结构)时，其同步带为6VX9X1.6MHz/V =86.4MHz ;当采用本实施例的结构时，其同步带可达到((10VX36+5.4VX9) XL 6MHz/V)=654MHz左右，从而有效扩大了环路的同步带。
【主权项】
1.一种扩大环路同步带的光锁相环，包括固体信号激光器(1-1)、光纤耦合器(1-2)、平衡探测器(1-3)、环路滤波器(1-4)、电压转换模块(1-6)、电压测量控制模块(1-5)、压电驱动器(1-7)和固体本振激光器(1-8);所述固体信号激光器(1-1)和固体本振激光器(1-8)的光信号输入光纤親合器(1-2)，输出两路相位差为180°的拍频光信号，经过平衡探测器(1-3)获得相位误差信号；所述相位误差信号输入环路滤波器(1-4)，得到第一频率控制信号(VJ，所述第一频率控制信号(VJ分别输入压电驱动器(1-7)的一个输入端口和电压转换模块，输入电压转换模块的第一频率控制信号(VJ线性变换后，输入电压测量控制模块(1-5)，得到第二频率控制信号(U，所述第二频率控制信号(VJ输入压电驱动器(1-7)的另一个输入端口 ；所述第一频率控制信号(VJ和第二频率控制信号(VJ在压电驱动器(1-7)中分别被放大并求和，然后输出到固体本振激光器(1-8)的压电控制端；根据第一频率控制信号(VJ的大小来改变电压测量控制模块输出的第二频率控制信号(VJ，当第一频率控制信号(VJ接近上限时，通过提高第二频率控制信号(VJ来减小第一频率控制信号(VJ的值；当第一频率控制信号(VJ接近下限时，通过减小第二频率控制信号(VJ来提高第一频率控制信号(VJ的值。2.根据权利要求1所述的扩大环路同步带的光锁相环，其特征在于，所述固体信号激光器为NPRO信号激光器，所述固体本振激光器为NPRO本振激光器。
【专利摘要】一种扩大环路同步带的光锁相环，包括固体信号激光器、光纤耦合器、平衡探测器、环路滤波器、电压转换模块、电压测量控制模块、压电驱动器和固体本振激光器；环路滤波器输出的第一频率控制信号Vc1分别输入压电驱动器的一个输入端口和电压转换模块，输入电压转换模块的Vc1线性变换后，输入电压测量控制模块，得到第二频率控制信号Vc2，第二频率控制信号Vc2输入压电驱动器的另一输入端口。本发明根据Vc1的大小来改变Vc2，当Vc1接近上限时，提高Vc2来减小Vc1的值；当Vc1接近下限时，减小Vc2来提高Vc1的值，使环路滤波器输出电压Vc1在正常工作范围内，在保证环路稳定性的同时，扩大环路的同步带。
【IPC分类】H03L7/08
【公开号】CN105227178
【申请号】CN201510611677
【发明人】王云祥, 李彪, 邱琪, 史双瑾, 苏君, 王智勇, 廖云, 熊彩东
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年9月23日