中文引用格式： 史會賢，馬琳，許駿. 數(shù)字化F-P前端的仿真驗證[J]. 電子技術應用，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（簡稱F-P）干涉儀由Fabry和Pérot于1899年提出[1]，具有極強的光譜分辨本領，在天文、通信和環(huán)境檢測等多個方面都有廣泛應用。F-P的高透過率、較大通光孔徑和中心波長易調節(jié)都使它成為很理想的微光探測儀器。此外，F(xiàn)-P采用不同的腔體材質和膜層介質可以讓其在各個波長范圍內使用[2]。天文上實際使用的F-P濾光器由光學機械部件和控制器兩大核心組成。光學核心部件是兩塊嚴格平行的光學平板，實現(xiàn)極窄帶濾光，并通過調節(jié)平板間距實現(xiàn)中心波長掃描。
F-P要實現(xiàn)高透過率和強光譜分辨本領，需要確保平行玻璃板的平行度，以及板間距離的穩(wěn)定精確的調節(jié)，這一功能由電路控制系統(tǒng)實現(xiàn)，即由F-P控制器實現(xiàn)。本文延用基于壓電陶瓷促動器的電容式伺服F-P電路控制系統(tǒng)并做了重要改進。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化為電壓信號進行測量，并將電壓信號作用在壓電陶瓷促動器上實現(xiàn)閉環(huán)負反饋控制。
F-P濾光器平行板上電容電極板和壓電陶瓷促動器布置方式多種多樣，如圖1所示，F(xiàn)-P平板內側上下表面鍍制上導電膜，當兩個平行板相對放置時，會形成5個電容器，與一個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通道用來檢測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準電容相連，用來檢測間距變化。
圖1 F-P濾光器電容對與陶瓷壓電促動器示意圖
在前人成功的技術路線中，普遍采用電路產(chǎn)生兩路等大反相信號以驅動電容差分測量電路，輸出攜帶平行度信息的電壓信號，經(jīng)由相敏檢波電路檢出后驅動壓電陶瓷促動器改變平行度和間距，實現(xiàn)負反饋調節(jié)。
圖2 典型電容式F-P模擬控制電路簡化圖
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動信號，驅動差分電容檢測電路檢測極微弱信號，并采用方波與正弦波相乘的“Chopper”方式實現(xiàn)相敏檢波。當使用變壓器時，由于工藝的限制，繞組無法對稱，難以產(chǎn)生真正的對稱正弦波，Jones等人采用了復雜的補償電路，未解決這一問題[3]。為此，王良凱等人將這部分電路改進為運放實現(xiàn)，信號對稱度達到10-6，系統(tǒng)穩(wěn)定時間可達到4小時，但隨時間漂移的問題仍沒有根本解決[4]。
其二，對于相敏檢波部分，理論上，應當采用正弦參考信號與待測信號（即差分電容對的輸出信號）相關，王良凱等人估算出此時相位裕度約為，然而，當采用“Chopper”方式進行相關時，相位寬容度急劇下降，MATLAB仿真顯示1°的相位漂移即可導致檢出誤差超過容許范圍，而傳統(tǒng)的基于RC的移相電路，1°的穩(wěn)定度是難以實現(xiàn)的。
根據(jù)上述分析，結合電子技術近期發(fā)展，本設計提出兩個改進點：
（1）不再使用對稱正弦波驅動差分電容對，而采用單一正弦波驅動；
（2）將模擬相敏檢波器（Phase Sensitive Detection，PSD）改進為數(shù)字相敏檢波器（Digital Phase Sensitive Detection，DPSD），從而真正實現(xiàn)相關運算。
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作者信息：
史會賢1，2，馬琳1，3，許駿1，3
（1.中國科學院云南天文臺，云南 昆明 650216；
2.中國科學院大學，北京 101408；
3.云南省太陽物理與空間目標監(jiān)測重點實驗室，云南 昆明 650216）
