中文引用格式： 史會(huì)賢，馬琳，許駿. 數(shù)字化F-P前端的仿真驗(yàn)證[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(1)：94-102.
英文引用格式： Shi Huixian，Ma Lin，Xu Jun. Simulation validation of a digital F-P control system front-end[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(1)：94-102.
引言
Fabry-Pérot（簡(jiǎn)稱(chēng)F-P）干涉儀由Fabry和Pérot于1899年提出[1]，具有極強(qiáng)的光譜分辨本領(lǐng)，在天文、通信和環(huán)境檢測(cè)等多個(gè)方面都有廣泛應(yīng)用。F-P的高透過(guò)率、較大通光孔徑和中心波長(zhǎng)易調(diào)節(jié)都使它成為很理想的微光探測(cè)儀器。此外，F(xiàn)-P采用不同的腔體材質(zhì)和膜層介質(zhì)可以讓其在各個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)使用[2]。天文上實(shí)際使用的F-P濾光器由光學(xué)機(jī)械部件和控制器兩大核心組成。光學(xué)核心部件是兩塊嚴(yán)格平行的光學(xué)平板，實(shí)現(xiàn)極窄帶濾光，并通過(guò)調(diào)節(jié)平板間距實(shí)現(xiàn)中心波長(zhǎng)掃描。
F-P要實(shí)現(xiàn)高透過(guò)率和強(qiáng)光譜分辨本領(lǐng)，需要確保平行玻璃板的平行度，以及板間距離的穩(wěn)定精確的調(diào)節(jié)，這一功能由電路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，即由F-P控制器實(shí)現(xiàn)。本文延用基于壓電陶瓷促動(dòng)器的電容式伺服F-P電路控制系統(tǒng)并做了重要改進(jìn)。電容式伺服F-P控制系統(tǒng)基于差分電容原理，利用差分電容傳感器將F-P濾光器平行板的平行度信息轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并將電壓信號(hào)作用在壓電陶瓷促動(dòng)器上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋控制。
F-P濾光器平行板上電容電極板和壓電陶瓷促動(dòng)器布置方式多種多樣，如圖1所示，F(xiàn)-P平板內(nèi)側(cè)上下表面鍍制上導(dǎo)電膜，當(dāng)兩個(gè)平行板相對(duì)放置時(shí)，會(huì)形成5個(gè)電容器，與一個(gè)外接的參考電容器一起組成了3條通道（圖2），其中x通道和y通道用來(lái)檢測(cè)F-P濾光器平行板x、y方向的平行度，z通道的電容與外接標(biāo)準(zhǔn)電容相連，用來(lái)檢測(cè)間距變化。
圖1 F-P濾光器電容對(duì)與陶瓷壓電促動(dòng)器示意圖
在前人成功的技術(shù)路線(xiàn)中，普遍采用電路產(chǎn)生兩路等大反相信號(hào)以驅(qū)動(dòng)電容差分測(cè)量電路，輸出攜帶平行度信息的電壓信號(hào)，經(jīng)由相敏檢波電路檢出后驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷促動(dòng)器改變平行度和間距，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋調(diào)節(jié)。
圖2 典型電容式F-P模擬控制電路簡(jiǎn)化圖
三條通道電路一致，以其中一條為例。在x路，Jones等人采用變壓器產(chǎn)生兩路等大反相的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)差分電容檢測(cè)電路檢測(cè)極微弱信號(hào)，并采用方波與正弦波相乘的“Chopper”方式實(shí)現(xiàn)相敏檢波。當(dāng)使用變壓器時(shí)，由于工藝的限制，繞組無(wú)法對(duì)稱(chēng)，難以產(chǎn)生真正的對(duì)稱(chēng)正弦波，Jones等人采用了復(fù)雜的補(bǔ)償電路，未解決這一問(wèn)題[3]。為此，王良凱等人將這部分電路改進(jìn)為運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，信號(hào)對(duì)稱(chēng)度達(dá)到10-6，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間可達(dá)到4小時(shí)，但隨時(shí)間漂移的問(wèn)題仍沒(méi)有根本解決[4]。
其二，對(duì)于相敏檢波部分，理論上，應(yīng)當(dāng)采用正弦參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)（即差分電容對(duì)的輸出信號(hào)）相關(guān)，王良凱等人估算出此時(shí)相位裕度約為，然而，當(dāng)采用“Chopper”方式進(jìn)行相關(guān)時(shí)，相位寬容度急劇下降，MATLAB仿真顯示1°的相位漂移即可導(dǎo)致檢出誤差超過(guò)容許范圍，而傳統(tǒng)的基于RC的移相電路，1°的穩(wěn)定度是難以實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)上述分析，結(jié)合電子技術(shù)近期發(fā)展，本設(shè)計(jì)提出兩個(gè)改進(jìn)點(diǎn)：
（1）不再使用對(duì)稱(chēng)正弦波驅(qū)動(dòng)差分電容對(duì)，而采用單一正弦波驅(qū)動(dòng)；
（2）將模擬相敏檢波器（Phase Sensitive Detection，PSD）改進(jìn)為數(shù)字相敏檢波器（Digital Phase Sensitive Detection，DPSD），從而真正實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算。
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作者信息：
史會(huì)賢1，2，馬琳1，3，許駿1，3
（1.中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650216；
2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 101408；
3.云南省太陽(yáng)物理與空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650216）
