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，廣泛應用于多種領域。其核心為振鏡電機，通常采用音圈電機或力矩電機，驅動反射鏡快速擺動，實現光束方向的快速變化。高速振鏡具有高速響應、高精度控制、高穩定性和寬頻率范圍等特點，能夠滿足不同應用場景的需求。

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，實現快速材料固化和成型。

高速振鏡的技術參數包括擺動角度（±10°到±40°）、響應速度（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，但隨著技術的發展，高速振鏡的精度、響應速度和頻率范圍將不斷提升，并集成更多智能化功能，如自適應控制、故障診斷等，進一步拓展其應用領域。

二、功能定義及性能指標

響應速度：高速振鏡具有良好的頻率響應特性，能夠快速響應輸入信號的變化，實現光束方向的快速調整。

角度精度：高速振鏡具有高重復定位精度，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，能夠滿足不同應用場景的需求。

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

頻率響應：高速振鏡具有良好的頻率響應特性，能夠快速響應輸入信號的變化，實現光束方向的快速調整。

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，確保系統的穩定性和可靠性。

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，能夠在復雜的電磁環境中穩定工作，不受外界干擾影響。

三、高速振鏡驅動的原理

高速振鏡的工作原理基于振鏡電機驅動反射鏡快速擺動，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電流信號，實現鏡面的快速擺動。鏡面的擺動角度通常在幾毫秒內完成，能夠實現高速、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，實現對鏡面位置的精確調整。控制系統根據預設的指令信號，調整電機的驅動電流，使鏡面快速擺動到目標位置。位置傳感器實時監測鏡面的位置，并將位置信息反饋給控制系統，確保鏡面位置的精確性和穩定性。

高速振鏡的擺動角度通常在±10°到±40°之間，具體取決于應用場景和設計要求。其響應速度通常在幾毫秒到幾十毫秒之間，能夠實現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，能夠適應不同的應用場景。高速振鏡廣泛應用于激光加工、光學掃描、光通信等領域，能夠滿足高速、高精度的光學應用需求。

圖為高速激光振鏡

四、硬件設計

高速振鏡驅動涉及了非常多的電路，本部分主要介紹以下相關電路：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、硬件設計

1.低通濾波器與反相放大電路

該電路是一個差分轉單端電路，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換為單端信號，以滿足后續電路對信號格式的需求。差分信號通過電阻網絡（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，而電位器W3則用于微調輸出信號的幅度。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量和穩定性。XBLW TL074C高速 J-FET 輸入四通道運算放大器在高速振鏡驅動系統中起著關鍵作用，其具有高轉換速率、低輸入偏移和偏置電流等優點。確保了差分位置指令信號能夠準確地轉換為單端信號，從而實現對振鏡的精確控制。

四、硬件設計

2.5V供電電路

高5V供電電路主要由穩壓芯片XBLW L7805和濾波電容（C126、C133、C134）組成。其核心功能是將輸入的+12V電壓轉換為穩定的+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，然后輸入到穩壓芯片XBLW L7805的輸入引腳。穩壓芯片XBLW L7805將+12V電壓轉換為+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，確保輸出電壓的穩定性。該電路通過XBLW L7805穩壓芯片和濾波電容的協同工作，確保輸出的+5V電壓穩定可靠，其中XBLW L7805穩壓芯片最大可輸出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電壓轉換為穩定的±12V輸出電壓，主要由穩壓芯片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壓芯片XBLW L7812的輸入端。負責將+15V電壓轉換為+12V電壓，而MC7912CT負責將-15V電壓轉換為-12V電壓。穩壓芯片的輸出端連接到多個濾波電容，進一步濾除紋波，確保輸出電壓的穩定性。該電路通過穩壓芯片和濾波電容的協同工作，確保輸出的±12V電壓穩定可靠。XBLW L7812穩壓芯片最大可輸出1.5A的輸出電流，為后續模塊及XBLW L7805提供了穩定的帶載能力。

四、硬件設計

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定范圍內，以確保系統穩定運行。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定范圍內。如果誤差信號超出該范圍，比較器會輸出相應的信號。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。當誤差信號超出預設范圍時，電路通過另一個XBLW LM339輸出一個邏輯信號，用于觸發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定值，并在電壓過低時發出報警信號。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，觸發報警信號。這個報警信號通過R280傳遞到后續電路，用于驅動報警器及其他指示設備。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