一、方案概述

高速振鏡是一種高精度光學(xué)器件，用于精確控制激光束方向，廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。其核心為振鏡電機(jī)，通常采用音圈電機(jī)或力矩電機(jī)，驅(qū)動(dòng)反射鏡快速擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光束方向的快速變化。高速振鏡具有高速響應(yīng)、高精度控制、高穩(wěn)定性和寬頻率范圍等特點(diǎn)，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

在激光加工中，高速振鏡用于激光切割、打標(biāo)、焊接等，精確控制光束方向，實(shí)現(xiàn)高精度加工。在光學(xué)掃描中，如激光掃描顯微鏡、激光雷達(dá)等，高速振鏡用于快速掃描光束，采集高分辨率圖像。在光通信中，高速振鏡用于光束快速切換和路由選擇，實(shí)現(xiàn)高效光信號(hào)傳輸。在3D打印中，高速振鏡控制激光束方向，實(shí)現(xiàn)快速材料固化和成型。

高速振鏡的技術(shù)參數(shù)包括擺動(dòng)角度（±10°到±40°）、響應(yīng)速度（幾毫秒到幾十毫秒）、角度精度（亞微弧度級(jí)別）和頻率范圍（幾百赫茲到幾千赫茲）。盡管面臨機(jī)械磨損、熱管理和成本等挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，高速振鏡的精度、響應(yīng)速度和頻率范圍將不斷提升，并集成更多智能化功能，如自適應(yīng)控制、故障診斷等，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

二、功能定義及性能指標(biāo)

響應(yīng)速度：高速振鏡具有良好的頻率響應(yīng)特性，能夠快速響應(yīng)輸入信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)光束方向的快速調(diào)整。

角度精度：高速振鏡具有高重復(fù)定位精度，能夠在多次擺動(dòng)后準(zhǔn)確回到初始位置，確保光束方向的精確控制。

寬頻率范圍：高速振鏡的工作頻率范圍通常在幾百赫茲到幾千赫茲之間，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

高穩(wěn)定性：高速振鏡在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中能夠保持高精度和高穩(wěn)定性，適用于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的應(yīng)用場(chǎng)景。

頻率響應(yīng)：高速振鏡具有良好的頻率響應(yīng)特性，能夠快速響應(yīng)輸入信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)光束方向的快速調(diào)整。

帶寬：高速振鏡的帶寬較寬，能夠處理高頻信號(hào)，適用于高速、高精度的光束控制。

相位裕度：高速振鏡在高頻段具有足夠的相位裕度，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

角度分辨率：高速振鏡的角度分辨率高，能夠精確控制光束方向的微小變化，滿足高精度應(yīng)用需求。

抗干擾能力：高速振鏡具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，不受外界干擾影響。

三、高速振鏡驅(qū)動(dòng)的原理

高速振鏡的工作原理基于振鏡電機(jī)驅(qū)動(dòng)反射鏡快速擺動(dòng)，從而精確控制激光束或光束的方向。振鏡電機(jī)通常采用音圈電機(jī)或力矩電機(jī)，這些電機(jī)能夠快速響應(yīng)電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)鏡面的快速擺動(dòng)。鏡面的擺動(dòng)角度通常在幾毫秒內(nèi)完成，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的光束控制。高速振鏡通過(guò)精確的電流控制和反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡面位置的精確調(diào)整。控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的指令信號(hào)，調(diào)整電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，使鏡面快速擺動(dòng)到目標(biāo)位置。位置傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鏡面的位置，并將位置信息反饋給控制系統(tǒng)，確保鏡面位置的精確性和穩(wěn)定性。

高速振鏡的擺動(dòng)角度通常在±10°到±40°之間，具體取決于應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)要求。其響應(yīng)速度通常在幾毫秒到幾十毫秒之間，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的光束方向變化。角度控制精度通常在亞微弧度級(jí)別，能夠滿足高精度的應(yīng)用需求。工作頻率范圍通常在幾百赫茲到幾千赫茲之間，能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。高速振鏡廣泛應(yīng)用于激光加工、光學(xué)掃描、光通信等領(lǐng)域，能夠滿足高速、高精度的光學(xué)應(yīng)用需求。

圖為高速激光振鏡

四、硬件設(shè)計(jì)

高速振鏡驅(qū)動(dòng)涉及了非常多的電路，本部分主要介紹以下相關(guān)電路：低通濾波器與反相放大電路，5V供電電路，12V供電電路，誤差比較器電路，電源電壓過(guò)低檢測(cè)報(bào)警電路。

四、硬件設(shè)計(jì)

1.低通濾波器與反相放大電路

該電路是一個(gè)差分轉(zhuǎn)單端電路，主要由運(yùn)算放大器OP470G和XBLW TL074C高速J-FET 輸入四通道運(yùn)算放大器組成。其核心功能是將差分位置指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，以滿足后續(xù)電路對(duì)信號(hào)格式的需求。差分信號(hào)通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)（R216、R217）輸入到OP470G的反相和同相輸入端。反饋電阻R221決定信號(hào)的放大倍數(shù)，而電位器W3則用于微調(diào)輸出信號(hào)的幅度。OP470G的輸出信號(hào)通過(guò)電位器W3和電阻R222傳遞到XBLW TL074C的反相輸入端。XBLW TL074C進(jìn)一步處理信號(hào)，電容C94用于相位補(bǔ)償，確保輸出的單端信號(hào)具有良好的質(zhì)量和穩(wěn)定性。XBLW TL074C高速 J-FET 輸入四通道運(yùn)算放大器在高速振鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，其具有高轉(zhuǎn)換速率、低輸入偏移和偏置電流等優(yōu)點(diǎn)。確保了差分位置指令信號(hào)能夠準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振鏡的精確控制。

四、硬件設(shè)計(jì)

2.5V供電電路

高5V供電電路主要由穩(wěn)壓芯片XBLW L7805和濾波電容（C126、C133、C134）組成。其核心功能是將輸入的+12V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的+5V輸出電壓。 電路中+12V電源通過(guò)濾波電容C126和C133進(jìn)行濾波，去除電源中的高頻噪聲和紋波，然后輸入到穩(wěn)壓芯片XBLW L7805的輸入引腳。穩(wěn)壓芯片XBLW L7805將+12V電壓轉(zhuǎn)換為+5V電壓，并通過(guò)輸出引腳輸出。輸出端連接濾波電容C134，進(jìn)一步濾除輸出紋波，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。該電路通過(guò)XBLW L7805穩(wěn)壓芯片和濾波電容的協(xié)同工作，確保輸出的+5V電壓穩(wěn)定可靠，其中XBLW L7805穩(wěn)壓芯片最大可輸出1.5A的輸出電流，為后級(jí)電路提供了強(qiáng)大的帶載能力。

四、硬件設(shè)計(jì)

3.12V供電電路

12V供電電路核心功能是將輸入的±15V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的±12V輸出電壓，主要由穩(wěn)壓芯片XBLW L7812和MC7912CT以及多個(gè)濾波電容組成。+15V和-15V電源通過(guò)多個(gè)濾波電容進(jìn)行初步濾波，去除電源中的高頻噪聲和紋波。濾波后的正電壓輸入到穩(wěn)壓芯片XBLW L7812的輸入端。負(fù)責(zé)將+15V電壓轉(zhuǎn)換為+12V電壓，而MC7912CT負(fù)責(zé)將-15V電壓轉(zhuǎn)換為-12V電壓。穩(wěn)壓芯片的輸出端連接到多個(gè)濾波電容，進(jìn)一步濾除紋波，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。該電路通過(guò)穩(wěn)壓芯片和濾波電容的協(xié)同工作，確保輸出的±12V電壓穩(wěn)定可靠。XBLW L7812穩(wěn)壓芯片最大可輸出1.5A的輸出電流，為后續(xù)模塊及XBLW L7805提供了穩(wěn)定的帶載能力。

四、硬件設(shè)計(jì)

4.誤差比較器電路

誤差比較器電路的主要功能是放大誤差信號(hào)并檢測(cè)其是否在設(shè)定范圍內(nèi)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。電路通過(guò)一個(gè)OP470G放大器將誤差信號(hào)放大34.5倍，隨后通過(guò)一個(gè)四通道電壓比較器XBLW LM339的兩路輸入端連接到不同的電壓參考值（0.98V和0.97V），形成窗口比較器電路，用于檢測(cè)誤差信號(hào)是否在設(shè)定范圍內(nèi)。如果誤差信號(hào)超出該范圍，比較器會(huì)輸出相應(yīng)的信號(hào)。此外，電路在比較器的輸出部分包含二極管（D31）和多個(gè)電阻（R251、R252、R254、R255），用于信號(hào)保護(hù)及限流，確保輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。電容C98用于濾波減少噪聲對(duì)電路的影響。當(dāng)誤差信號(hào)超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，電路通過(guò)另一個(gè)XBLW LM339輸出一個(gè)邏輯信號(hào)，用于觸發(fā)報(bào)警采取其他保護(hù)措施。XBLW LM339擁有5nA低輸入偏移電流。

四、硬件設(shè)計(jì)

5.電源電壓過(guò)低檢測(cè)報(bào)警電路

高電源電壓過(guò)低檢測(cè)報(bào)警電路的主要功能是檢測(cè)電源電壓是否低于設(shè)定值，并在電壓過(guò)低時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。電路中使用了一個(gè)電壓比較器XBLW LM339（U39C和U39D）的兩路通道，分別連接到+15V和-15V電源。電阻R278和R279均為3.9KΩ，二極管D33和D34連接到地防止電壓過(guò)大損壞后級(jí)電路。電阻R280為3.3KΩ，串聯(lián)在比較器的正相輸入端。 當(dāng)電源電壓正常時(shí)，比較器輸出固定電平，具體取決于參考電壓的設(shè)置。當(dāng)電源電壓下降到參考電壓以下時(shí)，比較器的輸出會(huì)翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。這個(gè)報(bào)警信號(hào)通過(guò)R280傳遞到后續(xù)電路，用于驅(qū)動(dòng)報(bào)警器及其他指示設(shè)備。XBLW LM339擁有2V至36V的寬電源電壓范圍使其更適合運(yùn)用在低壓檢測(cè)電路中。

五、邏輯框圖

六、本方案重要器件推薦