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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳建達
論文名稱:外差干涉量測系統之驅動與相位比較電路改良與模擬分析
指導教授:林俊佑林俊佑引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:82
中文關鍵詞:外差干涉相位計電光晶體調制器相位解析解調變
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外差干涉術研究中,利用電光晶體調制器(EO)進行調製光源是最常使用的系統架構。本論文提出一個整合性電子系統架構,改良傳統系統中參考訊號不穩定影響、鋸齒波訊號的電壓最大轉換速率與電壓振幅配接所產生的干擾影響、雜訊濾除與抑制等等問題。在相位計精度提升上提出高頻數位相位解析系統,可提高6倍解析度使相位計最大的精度可達4.6×10-4°。改良後的量測系統具有量測精度更高、量測速度更快,並且更為簡單、成本更低的優點。
For heterodyne interferometric technique, an electro-optic (EO) crystal is the most commonly used for modulating light. According to the configuration with EO modulator, we designed an integrated electronic system to improve the electronic equipments of a conventional heterodyne interferometer, such as the function generator and phase meter. The improved system can eliminate the influence of the unstable reference signal, the maximum slew rate and the mismatch voltage of saw-tooth signal, and filter systematic noise. The numerical analyses show that a phase resolution of 4.6×10-4° from our system is 6 times better than that obtained with the conventional heterodyne interferometer. The improved system has merits of high accuracy, high stability, fast measurement speed, and low cost.
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
致謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ
第一章緒論
1-1研究背景 1
1-2 文獻回顧 1
1-3研究目的 3
1-4本論文探討議題 4
第二章 電光晶體調制器的外差干涉相位量測系統 5
2-1 前言 5
2-2外差干涉基本原理 5
2-3 電晶體調製原理與外差光源 6
2-3-1各種外差調變技術 6
2-3-2電光晶體調制器的外差光源 7
2-4外差干涉儀的基本架構 10
2-5外差干涉儀相關的電子系統 12
2-5-1相位計 13
2-5-2鋸齒波產生器 14
2-6外差干涉量測系統的缺點 14
2-6-1相位計的參考訊號來源問題 14
2-6-2雜訊來源與抑制 20
2-6-3鋸齒波進行調制所產生的干擾與訊號變形問題 21
2-7相位計解析度的提升問題 27
2-8小結 29
第三章 改良之外差干涉量測系統架構 30
3-1簡介 30
3-2改良型外差干涉量測系統 31
3-3相位計之鎖相迴路改良與修正 32
3-4高精度的鋸齒波訊號產生器系統設計 34
3-5電壓最大轉換速率(Maximum Slew Rate)所產生干擾改善 36
3-6電壓振幅配接所產生的干擾問題的解決改善 37
3-7訊號雜訊濾除 38
3-8解決0、360角度附近界限問題 38
3-9高頻數位相位差解析系統 39
3-9-1高頻基準訊號準位解析系統 39
3-9-2高頻數位相位解析系統設計與運作原理 43
3-10 改良型外差干涉量測系統的解析度與量測速度分析 48
3-11小結 49
第四章 系統設計與模擬 50
4-1 簡介 50
4-2 系統建構基礎參數 50
4-3改良型外差干涉系統高精確度鋸齒波產生與電路設計 51
4-3-1高頻訊號產生與同步計數器設計 52
4-3-2 數位類比轉換器與訊號振幅與電壓準位控制 53
4-4相位計之電路設計 58
4-4-1高頻脈衝雜訊的遮罩電路與電壓振幅配接偵測電路 58
4-4-2訊號雜訊濾除 62
4-4-3相位比較器與循序控制 64
4-4-4高頻數位相位解析系統、計數器、紀錄器電路設計 66
4-4-5相位計模擬分析結果 71
4.5 小結 75
第五章 結論與未來研究發展 76
5-1 結論 76
5-2未來研究發展 77
參考文獻 80

表目錄
表1.1 常見相位計架構系統說明 3
表 3.1高頻相位差訊號的量測數位邏輯狀態 43
表 3.2 3組高頻相位差訊號選用的前後保留時間 45
表 3.3 3組高頻相位差訊號選用邏輯 45
表 3.4 3組相位差訊號的量測數位邏輯狀態 46
表 3.5 紀錄準位邏輯順序編成2進位邏輯對照表 47
表 3.6 3組相位差訊號轉2進位邏輯與扣除計數訊號表 47

圖目錄
圖 2.1 電光晶體調製外差光源的光學架構 7
圖2.2 輸入控制電壓V對干涉光強度I之關係曲線 8
圖2.3 鋸齒波調制訊號 9
圖2.4 利用鋸齒波進行調制之干涉訊號 10
圖2.5外差干涉儀的基本架構 10
圖2.6 傳統外差干涉儀相位量測系統架構圖 12
圖2.7傳統相位計基本工作原理 13
圖2.8 鎖相迴路(PLL)原理架構圖 15
圖2.9鎖相迴路(PLL)電路的轉函數 16
圖2.10 落後濾波器(Lag filter)結構 17
圖2.11 輸入發生變化( )時輸出跟隨變化( )反應 19
圖2.12 實際應用鋸齒波訊號 22
圖2.13理想鋸齒波 22
圖2.14 電壓最大轉換速率效應產生脈衝訊號 23
圖2.15實際應用鋸齒波訊號在干涉後形成的訊號 24
圖2.16鋸齒波訊號電壓不精確造成的訊號變形 25
圖2.17鋸齒波訊號電壓偏高與偏低造成的訊號變形模式 26
圖2.18 以TIA相位解析法 28
圖2.19 T1與T3相位區間值取出設計方式 28
圖 3.1 改良型外差干涉量測系統細部架構圖 32
圖 3.2干涉後訊號雜訊遮罩與訊號監測 37
圖3.3 高頻基準訊號準位解析法 40
圖 3.4高頻數位相位解析系統訊號計數錯誤之示意圖 41
圖 3.5 兩組訊號高頻相位差訊號選用與切換 42
圖 3.6高頻相位差訊號準位量測可能情況結果 42
圖 3.7 3組高頻相位差訊號運作與前後端保留時間 44
圖 3.8 3組訊高頻相位差訊號的量測可能情況結果 46
圖4.1高精度鋸齒波產生器細部設計架構圖 51
圖4.2同步計數器電路設計圖 53
圖4.3鋸齒波振幅與準位控制器電路 55
圖4.4鋸齒波產生器電路設計圖 56
圖4.5經DAC產生對稱的高精準與高穩定的鋸齒波訊號 57
圖4.6鋸齒波產生器輸出高精準與高穩定的鋸齒波訊號 57
圖 4.7 相位計之系統架構圖 58
圖 4.8 遮罩與電位測定運算設計電路圖 59
圖 4.9 訊號遮罩模擬分析結果 61
圖 4.10 鋸齒波訊號振幅精準時模擬分析結果 61
圖 4.11 鋸齒波訊號振幅有偏誤時模擬分析結果 62
圖 4.12 1KHz濾波器電路設計 62
圖 4.13 10.58KHz濾波器電路設計 63
圖 4.14 1KHz濾波器AC Small Signal Analysis 63
圖 4.15 10.58KHz濾波器AC Small Signal Analysis 63
圖 4.16相位比較器與循序控制電路設計 66
圖 4.17高頻數位相位解析系統訊號控制電路設計 66
圖 4.18高頻數位相位解析系統訊號解析電路設計 68
圖 4.19計數器電路設計 69
圖 4.20連續十進位減法與借位電路設計 69
圖 4.21紀錄器電路設計 70
圖 4.22 輸入訊號相位差距75ns相位計模擬分析結果 72
圖 4.23輸入訊號相位差距10us相位計模擬分析結果 75
圖 5.1 結合電腦系統的系統架構圖 78


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