弹光调制高压谐振电路设计

王国梁，李 晓，2，王志斌，2，王艳超，黄艳飞

(1.中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051)

1 引言

弹光调制器是一种基于高性能透明光学材料(如熔融石英、氟化锂、氟化钙晶体等)光弹效应的器件，它具有调制精度高、效率高、波段宽、能量利用率高等光学特性［1］。基于弹光调制的高压谐振电路是用来改善压电晶体振动性能的重要装置。1970年前后第一次出现由周期性变化所产生的机械压力驱动的弹光调制器(photoelastic modulator，PEM)，随后改进的装置采用压电传感器对弹光晶体进行驱动［2－3］。后来 CHENG 等人利用“sympathetic resonance”的思想建立的另外一种PEM装置，使得PEM真正的具有了实用价值［4－5］。针对现有驱动控制器稳定性不强，带负载能力弱的特点，本文设计了具有高负载能力的高压谐振电路，利用输入直流电压的大小控制输出的电压，使电路在50.04 kHz时输出高压的过程平稳、精度高，可以使电压的输出更加稳定［6］。

2 弹光调制原理

弹光调制干涉光的工作原理如图1所示，在高压谐振电路的驱动下，利用压电石英晶体的逆压电效应，在光学各向同性的物质上加以周期性变化的机械应力来驱动弹光晶体谐振，从而使弹光晶体产生足够的形变量，满足弹光调制过程的需要［7－8］。

图1 弹光调制干涉光原理图Fig.1 Interference light of photoelastic modulate schematic

3 高压谐振电路组成及原理

高压谐振电路主要由输入波形转换电路、功率放大电路、充放电回路、阻抗匹配电路和反馈信号采集电路组成，如图2所示。电路中比较器只需要很小的电压就能工作，所以，波形转换电路和后面的功率放大电路采用双电源供电。压电石英的使用需要高压谐振电路的支持。高压谐振电路利用压电石英晶体的逆压电效应，在压电晶体的两个电极上施加交变电压，引起晶体的谐振，从而使弹光晶体产生一定的机械形变，施加的电压峰值越高，形变量就越大［9］，从而使光源产生的光通过干涉具时，干涉具能产生足够的光程差，满足弹光调制的需要。

图2 高压谐振电路流程图Fig.2 Flow chart of high voltage resonant circuit

3.1 输入波形转换电路和反馈信号采集电路

输入波形转换电路和反馈信号采集电路的原理相同，输入波形转换电路的信号是由信号发生器DG4162提供，反馈信号采集电路的信号由LC振荡电路振荡产生，整个谐振电路的输入信号是频率为50.04 kHz，幅度为2 V的正弦信号，通过LM339四集成比较器中的三个比较器进行信号转换，将正弦信号转换为方波信号，为功率放大电路提供频率不变，占空比为50%的低噪声方波信号。图3中C1和C4用来控制电路中输出方波的占空比，即高电平在一个周期内所占的时间比率。

图3 输入波形转换电路Fig.3 Input waveform converting circuit

3.2 功率放大和充放电回路

功率放大电路的作用是将输入的小信号放大，为充放电回路提供足够大的功率信号。图4中Q5、R2、R21组成共射放大电路，方波输入信号从晶体管Q5的基极输入，引起基极电流的变化，基极电流的变化又使集电极电流随之变化。集电极电流的变化在集电极电阻R2上产生压降，Q5集电极输出电压为输入电压和R2产生的压降之差。而R2、Q2和CR2又组成共集电极放大电路，该电路的特点是输入信号源提供的电流小，电压的放大倍数接近1，输入阻抗高，输出阻抗低。它用作放大器的中间级，减轻前级的负载，提高了整个电路的电压增益和功率传输能力［10］。

充放电回路用来给LC振荡电路提供充电和放电的电路回路。图4中，当输入信号为低电平时，三极管Q2导通，从而开关管Q4导通，给LC谐振网络充电，充电回路导通，同时由于三极管Q5的输入为低电平，Q5管截止，从而使开关管Q6截止，放电回路关闭。充电完成后，输入的方波信号变为高电平，Q5管工作，Q6管基极为高电平，Q6也导通，而此时Q4管的基极为低电平，所以Q4管不工作，LC谐振网络充电回路关闭，放电回路导通，电路开始放电。

3.3 阻抗匹配电路

阻抗匹配电路通过对电容C的充电和放电完成了谐振和电压放大的作用。通过选择合适的L和C，使电感L与电容C相匹配，以此提高整个谐振电路的功率与传输效率，使负载电路达到谐振。电路谐振时呈阻性，容抗等于感抗［11］，即:

阻抗匹配电路中的品质因数Q要尽量大，从而产生比较大的放大电压。LC谐振频率和Q值由下式得出:

式(2)中，f为谐振频率;ω为电路谐振角频率;Q为品质因数;L为电感;C为电容;R为电阻;UO为输出电压;Ui为输入电压。

充电和放电的不断循环，使阻抗匹配电路上产生交变电压。当阻抗匹配电路给电容充电时，电容C8的电子将通过二极管CR6给电感L1提供能量，充电时充分利用电感中的能量就可以给电容充电，从而Q4的发射极只需要提供很小的电压和电流就能补充阻抗匹配电路中的能量损耗，就能维持整个电路良好的振荡性能，这就大大降低了电源的功率。阻抗匹配电路如图5所示。

4 实验结果及数据分析

整个谐振电路网络通过调节输入直流电源的输出电压，就可以灵活控制谐振电路输出电压幅值的大小。只要输入最大29 V的直流电压，就能在压电晶体两端产生1200 V的高压。表1所示是电路在频率为50.04 kHz下实验测试数据，图6和图7分别为输入直流电压5 V和29 V时输出电压的测试结果，其中，图7的波形是示波器衰减10倍以后输出的波形。图8为高压谐振电路实物图。

图5 阻抗匹配电路Fig.5 Impedance matching circuit

表1 不同直流电压UDC下的实验数据Tab.1 The experimental data of different DC voltage UDC

图6 输入直流电压为5 V时，输入波形转换电路输入2 V信号的测试结果Fig.6 When Input DC voltage is 5 V，the test results of the 2 V input waveform converting circuit

图7 输入直流电压为29 V时，输出电压的测试结果Fig.7 When input DC voltage is 29 V，the test results of the output voltage

图8 高压谐振电路实物图Fig.8 High-voltage resonant circuit picture of real product

5 结论

实验结果表明本文设计的高压谐振电路输出电压高，带负载能力强，升压过程平稳且容易控制。电路谐振时，压电石英晶体具有良好的振动特性，能够使干涉具产生足够的光程差，满足弹光调制的需要。整个谐振电路的输出信号可以继续连接锁相环反馈控制电路，实现对输入参考信号和输出信号的相位控制，从而控制并减少系统产生的相位差［12］。整个电路控制简单，稳定性强，对其他谐振电路的设计也有一定的借鉴作用。

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