一、方案概述

高速振鏡是一種高精度光學器件，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，通常采用音圈電機或力矩電機，驅(qū)動反射鏡快速擺動，實現(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，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。

在激光加工中，高速振鏡用于激光切割、打標、焊接等，精確控制光束方向，實現(xiàn)高精度加工。在光學掃描中，如激光掃描顯微鏡、激光雷達等，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，實現(xiàn)高效光信號傳輸。在3D打印中，高速振鏡控制激光束方向，實現(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（亞微弧度級別）和頻率范圍（幾百赫茲到幾千赫茲）。盡管面臨機械磨損、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，進一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

二、功能定義及性能指標

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)輸入信號的變化，實現(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，能夠在多次擺動后準確回到初始位置，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)用場景的需求。

高穩(wěn)定性：高速振鏡在長時間運行中能夠保持高精度和高穩(wěn)定性，適用于長時間連續(xù)工作的應(yīng)用場景。

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)輸入信號的變化，實現(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，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)動的原理

高速振鏡的工作原理基于振鏡電機驅(qū)動反射鏡快速擺動，從而精確控制激光束或光束的方向。振鏡電機通常采用音圈電機或力矩電機，這些電機能夠快速響應(yīng)電流信號，實現(xiàn)鏡面的快速擺動。鏡面的擺動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。高速振鏡通過精確的電流控制和反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)對鏡面位置的精確調(diào)整。控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的指令信號，調(diào)整電機的驅(qū)動電流，使鏡面快速擺動到目標位置。位置傳感器實時監(jiān)測鏡面的位置，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。

高速振鏡的擺動角度通常在±10°到±40°之間，具體取決于應(yīng)用場景和設(shè)計要求。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)用場景。高速振鏡廣泛應(yīng)用于激光加工、光學掃描、光通信等領(lǐng)域，能夠滿足高速、高精度的光學應(yīng)用需求。

圖為高速激光振鏡

四、硬件設(shè)計

高速振鏡驅(qū)動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，電源電壓過低檢測報警電路。

四、硬件設(shè)計

1.低通濾波器與反相放大電路

該電路是一個差分轉(zhuǎn)單端電路，主要由運算放大器OP470G和XBLW TL074C高速J-FET 輸入四通道運算放大器組成。其核心功能是將差分位置指令信號轉(zhuǎn)換為單端信號，以滿足后續(xù)電路對信號格式的需求。差分信號通過電阻網(wǎng)絡(luò)（R216、R217）輸入到OP470G的反相和同相輸入端。反饋電阻R221決定信號的放大倍數(shù)，而電位器W3則用于微調(diào)輸出信號的幅度。OP470G的輸出信號通過電位器W3和電阻R222傳遞到XBLW TL074C的反相輸入端。XBLW TL074C進一步處理信號，電容C94用于相位補償，確保輸出的單端信號具有良好的質(zhì)量和穩(wěn)定性。XBLW TL074C高速 J-FET 輸入四通道運算放大器在高速振鏡驅(qū)動系統(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。確保了差分位置指令信號能夠準確地轉(zhuǎn)換為單端信號，從而實現(xiàn)對振鏡的精確控制。

四、硬件設(shè)計

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電源通過濾波電容C126和C133進行濾波，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，并通過輸出引腳輸出。輸出端連接濾波電容C134，進一步濾除輸出紋波，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。該電路通過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，為后級電路提供了強大的帶載能力。

四、硬件設(shè)計

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以及多個濾波電容組成。+15V和-15V電源通過多個濾波電容進行初步濾波，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。負責將+15V電壓轉(zhuǎn)換為+12V電壓，而MC7912CT負責將-15V電壓轉(zhuǎn)換為-12V電壓。穩(wěn)壓芯片的輸出端連接到多個濾波電容，進一步濾除紋波，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。該電路通過穩(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

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并檢測其是否在設(shè)定范圍內(nèi)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。電路通過一個OP470G放大器將誤差信號放大34.5倍，隨后通過一個四通道電壓比較器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，用于檢測誤差信號是否在設(shè)定范圍內(nèi)。如果誤差信號超出該范圍，比較器會輸出相應(yīng)的信號。此外，電路在比較器的輸出部分包含二極管（D31）和多個電阻（R251、R252、R254、R255），用于信號保護及限流，確保輸出信號的穩(wěn)定性。電容C98用于濾波減少噪聲對電路的影響。當誤差信號超出預(yù)設(shè)范圍時，電路通過另一個XBLW LM339輸出一個邏輯信號，用于觸發(fā)報警采取其他保護措施。XBLW LM339擁有5nA低輸入偏移電流。

四、硬件設(shè)計

5.電源電壓過低檢測報警電路

高電源電壓過低檢測報警電路的主要功能是檢測電源電壓是否低于設(shè)定值，并在電壓過低時發(fā)出報警信號。電路中使用了一個電壓比較器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大損壞后級電路。電阻R280為3.3KΩ，串聯(lián)在比較器的正相輸入端。 當電源電壓正常時，比較器輸出固定電平，具體取決于參考電壓的設(shè)置。當電源電壓下降到參考電壓以下時，比較器的輸出會翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)報警信號。這個報警信號通過R280傳遞到后續(xù)電路，用于驅(qū)動報警器及其他指示設(shè)備。XBLW LM339擁有2V至36V的寬電源電壓范圍使其更適合運用在低壓檢測電路中。

五、邏輯框圖

六、本方案重要器件推薦