[发明专利]一种用于激光锁相的高速低延迟数字PID电路及其工作方法

说明书

本发明提供一种用于激光锁相的高速低延迟数字PID电路及其工作方法，所述工作方法包括如下步骤：S1：获取输入信号，对所述输入信号进行预处理得到误差信号；S2：锁定所述误差信号，同时根据所述误差信号计算PID系数；S3：根据所述PID系数进行PID控制，得到控制信号，对所述控制信号进行处理后输出至待锁激光器；S4：判断所述输入信号是否发生变化，若是，则重新获取误差信号，否则返回至步骤S3，直至结束。本发明可实现在带宽大于5MHz时，PID电路数字延迟时间低于100ns，其应用于量子精密测量领域，可使量子测量数据更加准确，同时缩短原子作用时间、提高分辨力和精度。

技术领域

本发明提供一种用于激光锁相的高速数字低延迟PID电路及其工作方法，该电路及工作方法特别适用于需要激光锁相的数字延迟要求小于100ns、带宽大于5MHz的量子精密测量领域。

背景技术

随着冷原子技术的不断推进，通过量子精密测量进行一些物理实验已经走向应用化进程，在测量过程中需要将两束激光的频率差进行相位锁定，为了压制频率差的相位噪声，尤其是距离载波较远的相位噪声往往需要将锁定环路的带宽提升至MHz以上，对于外腔式半导体激光器甚至需要5MHz以上，同时，环路延时需要小于100ns，虽然数字延迟可以通过PID反馈环路中微分项进行补偿，但在应用过程中，过大的微分系数对噪声干扰会有放大作用，容易产生自激振荡，影响实际的反馈带宽，因而低延时的反馈环路在该类应用中十分有意义，只有低延时电路才能够应用在量子精密测量领域，使量子测量数据更加准确，同时缩短原子作用时间、提高分辨力和精度。

在量子精密测量领域中，目前所常用的技术往往是通过拍频光路+锁相环+数字PID电路来实现所需光路的锁相功能，比如，公开号为CN101800395B的中国专利提供了一种数字化激光锁频装置和相位锁定方法，所述装置由激光器、分束器、分束器、光电探测器、偏置结、定向耦合器、放大器、集成锁相环频率综合器、外部参考源、数字 PID 控制模块、计算机等组件通过光路和电路连接，构成数字化激光锁相装置整体，将电学锁相环扩展到激光频率上，对其相位锁定。该方案的激光拍频锁相模块由于现有数字PID控制模块的限制，导致锁相延迟时间长，在量子精密测量过程中，由于延迟时间长的原因，致使锁定环路带宽不高，根据我们的复现其延迟在200ns附近，而带宽仅仅只有700KHz，最终导致测量的精度和分辨力较低。可见，该方案不能适用于低延时、高宽带的量子精密测量领域。

公开号为CN113267996A的中国专利申请提供了一种新型数字PID的电路及其控制方法》，所述电路包括数模转换器、第一RS触发器、第二RS触发器、第一运放、第一至第四电阻、第一变阻、PID电路。该方案利用数模转换器将数字电路产生的偏差转换为模拟信号，在出现偏差值超过数字量所能表示的上下限时，通过RS触发器产生正偏差上限偏置电压或负偏差下限偏置电压，与数模转换器输出的模拟信号按照各自的权重一起作为PID电路输入，改善PID电路的快速性。该方案可以在一定程度上改善PID电路的延时问题，但仍不能将数字延迟时间缩短到100ns以内；此外，该方案直接将信号输入PID电路，未集成任何控制单元，该电路无法实现激光拍频锁相的过程，故该电路无法应用到量子精密测量领域中。

因此，如何实现在带宽大于5MHz时，PID电路数字延迟时间低于100ns，是量子精密测量技术领域亟待解决的技术问题之一。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的是提供一种用于激光锁相的高速低延迟数字PID电路的工作方法，该方法可实现在带宽大于5MHz时，PID电路数字延迟时间低于100ns，其应用于量子精密测量领域，可使量子测量数据更加准确，同时缩短原子作用时间、提高分辨力和精度。

本发明的第二目的是提供一种用于实现上述工作方法的激光锁相的高速低延迟数字PID电路。

基于上述目的，本发明的一个方面，提供一种用于激光锁相的高速低延迟数字PID电路的工作方法，该工作方法包括如下步骤：

S1：获取输入信号，对所述输入信号进行预处理得到误差信号；