УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2014 года по МПК H01S3/13 

Предлагаемое изобретение относится к электронным устройствам автоматического управления мощностью излучения лазерного излучателя (ЛИ), предназначенного для работы в служебных системах автоматической юстировки (линейной, угловой, согласования оптических осей) и фокусировки телескопа.

Известно устройство управления и стабилизации мощности излучения ЛИ с применением обратной связи - патент РФ № 2163412 с приоритетом от 22.07.1999, опубликованный 20.02.2001 [1].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство управления мощностью излучения ЛИ - патент РФ № 2265940 с приоритетом от 18.08.2003, опубликованный 10.12.2005 [2].

Устройство [2] содержит ЛИ со встроенным фотодиодом, соединенный с усилителем сигнала фотодиода и с выходным усилителем тока накачки ЛИ, источник опорного напряжения, сумматор на основе инвертирующего операционного усилителя и интегрирующую цепь, выход которой подключен к входу выходного усилителя тока накачки ЛИ, при этом вход сумматора подключен к выходам усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения. Часть выходной мощности ЛИ поступает на встроенный фотодиод. Сигнал фотодиода преобразуется преобразователем в напряжение, которое вычитается на выходе сумматора из напряжения источника опорного сигнала, стабилизируя его значение.

Устройство [2] требует трудоемкой операции настройки тока ЛИ с помощью изменения сопротивления резисторов, устанавливаемых в заглушку.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и обеспечение регулировки тока накачки ЛИ.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ, которое, как и прототип, содержит ЛИ со встроенным фотодиодом, соединенным с усилителем сигнала фотодиода, последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор, на вход которого подаются сигналы с усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения, интегрирующую цепь, систему управления телескопом (СУ).

В отличие от прототипа в устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ введен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), подключенный своим аналоговым входом к выходу интегрирующей цепи, а цифровыми входами к системе управления и содержащий последовательно соединенные блок транзисторных ключей с весовыми резисторами и суммирующий операционный усилитель, к выходу которого подключен источник тока накачки ЛИ, выход которого подключен к ЛИ, причем, ток накачки регулируется цифровым входным сигналом ЦАП, поступающим из СУ.

Сущность изобретения заключается в том, что введение в устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ ЦАП и источника тока накачки ЛИ обеспечивает регулирование тока накачки ЛИ по программе и не требует трудоемкой операции настройки тока ЛИ с помощью подбора резисторов ни при изготовлении автоколлиматора, где компенсируются ошибки оптической схемы, ни при сборке изделия, где компенсируются ошибки оптической схемы, включая параметры главного и вторичного зеркал. Размещение на плате устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ в блоке обработки и управления сигнала изображения (БОУ) позволяет исключить блок питания ЛИ, заглушку с резисторами настройки, соединители вилка-розетка PC-19, соединитель PC-50 с кабелем, соединяющим блок питания излучателя с СУ, что позволяет уменьшить вес устройства.

На чертеже представлена функциональная схема устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ:

1 - блок обработки и управления сигнала изображения (БОУ);

2 - устройство цифрового управления мощностью излучения лазерного излучателя;

3 - лазерный излучатель (ЛИ);

4 - фотодиод;

5 - усилитель сигнала фотодиода;

6 - сумматор;

7 - источник опорного напряжения;

8 - интегрирующая цепь;

9 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

10 - блок транзисторных ключей с весовыми резисторами;

11 - суммирующий операционный усилитель;

12 - источник тока накачки ЛИ;

13 - система управления телескопом (СУ).

В качестве ЛИ 3 может быть использован лазер со встроенным фотодиодом типа ИЛПН-232. Сумматор 6, суммирующий операционный усилитель 11 и источник тока накачки ЛИ 12 выполнены на аналоговых микросхемах серии 544, СУ 13 - на микросхемах серии 533, 1533 и 571, источник опорного напряжения 7 - на стабилитроне 2С133А, блок транзисторных ключей с весовыми резисторами 10 может быть реализован на транзисторной сборке 159НТ1.

Устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ работает следующим образом.

По команде включения в устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ 2 из СУ 13 поступает напряжение питания 27 В, при этом БОУ 1 вырабатывает и выдает в СУ 13 первый сигнал оперативного контроля «ОК Готов». После приема сигнала «ОК Готов» СУ 13 по программе приступает к циклическому выполнению автономной операции - выдача входных сигналов экспозиции в БОУ 1. Входной сигнал экспозиции является для устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ 2 управляющим сигналом, по которому снимается блокировка входа источника тока накачки ЛИ 12. При этом от источника опорного напряжения 7 через сумматор 6, интегрирующую цепь 8 на аналоговый вход ЦАП 9, а именно на блок транзисторных ключей с весовыми резисторами 10, поступает постоянное напряжение. При наличии на цифровых входах ЦАП 9 цифрового сигнала на вход суммирующего операционного усилителя 11 поступают токи от включенных разрядов. Комбинация включенных и отключенных резисторов блока 10 (соотношение сопротивлений соседних резисторов соответствует двоичному коду R, 2R, 4R,…) определяется значением бит цифрового сигнала («Логическая единица» - резистор включен). Выходное напряжение ЦАП 9 имеет вид:

$$U_{вых}=U_{вх}\cdot D=U_{вх}\cdot d_1/2+U_{вх}\cdot d_2/2^2+\dots U_{вх}\cdot d_n/2^n,$$

где

$$U_{вх}$$ - входной аналоговый сигнал, поступающий на аналоговый вход ЦАП 9;

D=d₁/2+d₂/2²+…d_n/2ⁿ - входной цифровой сигнал, поступающий на цифровой вход ЦАП 9;

d_1…d_n - разрядные коэффициенты (значения бит цифрового сигнала), определяющие подключение (при d_i=0) входного аналогового сигнала ко входу ЦАП.

Разрядные токи, соответствующие весам разрядов, равны:

$$\begin{array}{l}{I}_1=U_{вх}\cdot d_1/2R,\\ I_2=U_{вх}\cdot d_2/4R,\dots \\ I_n=U_{вх}\cdot d_n/2^{n}R\end{array}$$

Суммирование и преобразование этих токов в напряжение осуществляется суммирующим операционным усилителем 11 с резистором R в цепи отрицательной обратной связи.

Выходное напряжение ЦАП 9 при этом равно

$$U_{вых}=R\cdot (d_1{I}_1+d_2{I}_2+d_3{I}_3+d_4{I}_4)$$

При этом d_i=1 соответствует замыканию ключа, а d_i=0 - размыканию.

К выходу суммирующего операционного усилителя 11 подключен источник тока накачки ЛИ 12 на сдвоенном операционном усилителе, на вход которого поступает постоянное напряжение, открывающее ЛИ 3. ЛИ 3 излучает поток лучистой энергии, часть которой попадает на фотодиод 4. Сигнал с выхода усилителя сигнала 5 суммируется с напряжением от источника опорного напряжения 7 на инвертирующем входе сумматора 6 и поступает через интегрирующую цепь 8 на аналоговый вход ЦАП 9 и далее на источник тока накачки ЛИ 12, обеспечивая на его выходе необходимый ток накачки ЛИ 3. Питание ЛИ 3 от источника тока накачки 12, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, имеющего высокую линейную зависимость выходного тока от напряжения, позволяет достичь более точного измерения координат автоколлимационного изображения в служебных системах юстировки и фокусировки изделия при высокой стабильности и повторяемости мощности излучения ЛИ 3.

При отклонении мощности излучения ЛИ 3, предположим в сторону уменьшения мощности, уменьшается поток лучистой энергии, попадающий на фотодиод 4. При этом уменьшается сигнал с выхода фотодиода 4, а разность сигнала фотодиода 4 и напряжения от источника опорного напряжения 7 на выходе сумматора 6 увеличивается, что приводит к увеличению тока источника тока накачки ЛИ 12, то есть мощность излучения ЛИ 3 возрастает. Так осуществляется стабилизация мощности излучения ЛИ 3.

По окончанию входного сигнала экспозиции БОУ 1 заканчивает формирование и выдачу в СУ 13 второго сигнала оперативного контроля «ОК Экспозиция», обесточивает источник тока накачки ЛИ 12 и выключает ЛИ 3. По команде выключения из СУ 13 устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ 2 обесточивается и переходит в режим ожидания.

Количество входных сигналов экспозиции может изменяться от 1 до 10 в цикле при длительности каждого входного сигнала экспозиции от 0,2 до 200 мс, частота заполнения сигнала экспозиции может быть выбрана из диапазона 100 кГц - 10 МГц.

Таким образом, предлагаемое изобретение решает поставленную задачу - упрощение конструкции за счет питания ЛИ от устройства цифрового управления мощностью излучения ЛИ, размещенного на плате, встроенной в блок обработки и управления сигналом изображения, что позволяет исключить блоки питания ЛИ, заглушку, кабель, тем самым уменьшая вес устройства, а включение в устройство цифрового управления мощностью ЛИ ЦАП исключает трудоемкую настройку тока накачки ЛИ.

Изобретение относится к устройствам автоматического управления мощностью излучения лазерного излучателя. Устройство цифрового управления мощностью излучения лазерного излучателя содержит лазерный излучатель (ЛИ) со встроенным фотодиодом, соединенным с усилителем сигнала фотодиода, последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор, на вход которого подаются сигналы с усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения, интегрирующую цепь, систему управления телескопом (СУ). В устройство цифрового управления мощностью излучения ЛИ введен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), подключенный своим аналоговым входом к выходу интегрирующей цепи, а цифровыми входами к СУ и содержащий последовательно соединенные блок транзисторных ключей с весовыми резисторами и суммирующий операционный усилитель, к выходу которого подключен источник тока накачки ЛИ, выход которого подключен к ЛИ, причем ток накачки регулируется цифровым входным сигналом ЦАП, поступающим из СУ. Технический результат заключается в обеспечении возможности упрощения конструкции устройства. 1 ил.

Устройство цифрового управления мощностью излучения лазерного излучателя, содержащее лазерный излучатель (ЛИ) со встроенным фотодиодом, соединенным с усилителем сигнала фотодиода, последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор, на вход которого подаются сигналы с усилителя сигнала фотодиода и источника опорного напряжения, интегрирующую цепь, систему управления телескопом (СУ), отличающееся тем, что в него введен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), подключенный своим аналоговым входом к выходу интегрирующей цепи, а цифровыми входами к СУ и содержащий последовательно соединенные блок транзисторных ключей с весовыми резисторами и суммирующий операционный усилитель, к выходу которого подключен источник тока накачки ЛИ, выход которого подключен к ЛИ, причем ток накачки ЛИ регулируется цифровым входным сигналом ЦАП, поступающим из СУ.