基于高速AD的激光z掃描高頻信號(hào)幅值測(cè)量系統(tǒng)

0 引 言

　　Z掃描是一種應(yīng)用于光學(xué)非線性測(cè)量的方法，使用這種方法可以測(cè)量光學(xué)材料非線性折射率的大小、正負(fù)以及非線性吸收系數(shù)。因?yàn)橥ㄟ^光學(xué)材料的激光能量大小與光電接收器轉(zhuǎn)換后獲得的電壓幅值成某種比例關(guān)系，因此通過測(cè)量光電接收器轉(zhuǎn)換后的電壓幅值就可以很方便地計(jì)算出光學(xué)材料的非線性折射率大小、正負(fù)以及非線性吸收系數(shù)。由于光脈沖的寬度較窄，其寬度約為幾個(gè)ns，因此通常采用高頻數(shù)字示波器測(cè)量其信號(hào)的幅值，然而高頻數(shù)字示波器雖然能夠得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是其價(jià)格昂貴，體積較大，不適合形成一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。本文給出的測(cè)量系統(tǒng)，采用高速并行A／D轉(zhuǎn)換的方法，不但能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出光電轉(zhuǎn)換后的電壓幅值的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過高速并行比較器基準(zhǔn)電壓的調(diào)節(jié)能自動(dòng)濾除不需要的數(shù)據(jù)，避免了PC機(jī)處理大量冗余數(shù)據(jù)，有效縮短了數(shù)據(jù)采集的周期。

　　l 測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　Z掃描測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，包括激光器、分光鏡、聚光透鏡組、被測(cè)樣品、反射鏡和光電轉(zhuǎn)換二極管。高頻窄脈沖信號(hào)幅值測(cè)量系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，如圖2所示。

　　(1)信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，通過樣品折射后的高斯光束經(jīng)反射鏡反射到光電二極管，光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，模擬電信號(hào)經(jīng)高速并行A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并送數(shù)據(jù)鎖存器鎖存。

　　(2)數(shù)據(jù)處理部分，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入數(shù)據(jù)鎖存器鎖存，單片機(jī)通過緩沖器讀取鎖存器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編碼。

　　(3)數(shù)據(jù)傳輸部分，經(jīng)編碼后的數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，由PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、打印、繪圖等操作。

　　2 硬件電路

測(cè)量系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89C52作為控制器，由信號(hào)轉(zhuǎn)換，信息處理，數(shù)據(jù)傳送三部分組成。

　　2．1 信號(hào)轉(zhuǎn)換

　　測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的對(duì)象是高頻窄光脈沖信號(hào)，光脈沖的平均寬度僅為4 ns，所以信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集電路均要采用具有高頻特性的電路，系統(tǒng)選用DETl0A／M高速光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器，DETlOA／M的工作頻率為1 GHz。并行A／D轉(zhuǎn)換器中的比較器選用MAX964ESE高速比較器，其上升沿典型值為2．3 ns，失調(diào)電壓為±2．0 mV，工作電壓：2．7，～5．5V，內(nèi)含4個(gè)比較器，圖3中給出了1片MAX964ESE的連接電路。從比較器輸出的信號(hào)送數(shù)據(jù)鎖存器，數(shù)據(jù)鎖存器采用高速、低功耗D觸發(fā)器74AC74。測(cè)量開始，通過P1．0將D觸發(fā)器的所有輸出端清“O”，當(dāng)光脈沖信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，在D觸發(fā)器的輸出端將出現(xiàn)與脈沖幅度相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。測(cè)量系統(tǒng)共使用了4片MAX964ESE，8片D觸發(fā)器74AC74，選擇了16個(gè)比較點(diǎn)，電壓范圍從450～900 mV，相鄰兩個(gè)比較點(diǎn)的電壓為30 mV。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確，基準(zhǔn)電壓由基準(zhǔn)電壓源TL431提供。

　　AT89C52通過74LS244讀取數(shù)據(jù)鎖存器74AC74輸出的16位并行信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，剔除干擾信號(hào)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。圖4給出了信號(hào)處理部分原理圖。

2．3 數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸部分

　　測(cè)量系統(tǒng)沒有安排專門的顯示器，因此測(cè)量數(shù)據(jù)無法直接觀察，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)較多，小屏幕LCD顯示屏不能滿足觀察要求。系統(tǒng)采用將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)的方法，由PC機(jī)完成數(shù)據(jù)的制表、繪圖等工作。系統(tǒng)與PC機(jī)串行通信采用RS 232C接口，通信速率為4 800 b／s。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　測(cè)量系統(tǒng)的軟件分為兩部分，一是單片微機(jī)部分，單片微機(jī)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，主要分為如下幾個(gè)軟件模塊：主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和通信。由于單片微機(jī)的主要功能是控制，并不承擔(dān)大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，所以軟件采用匯編語言編程，圖5所示是主程序模塊和通信模塊流程圖。由于系統(tǒng)采集的是離散的微弱信號(hào)，因此必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別處理，系統(tǒng)采用較為簡單的數(shù)字濾波方法——程序判斷法，剔除了干擾信號(hào)。

　　軟件的另一部分是PC機(jī)部分，PC機(jī)部分軟件主要是串口通訊程序，串口通訊程序使用VC++中的MSComm控件來編譯串口通訊的應(yīng)用程序，采用MSComm32．OCX控件，其特點(diǎn)是操作簡單，功能強(qiáng)大。

　　使用控件的屬性進(jìn)行串口的設(shè)置，使用控件的事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行串口響應(yīng)，使用控件的方法完成串行口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。其主要屬性、事件如下：

　　CommPort：表示通信端口coml，com2的名字；

　　Settings：設(shè)置波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位；

　　ParityReplace：當(dāng)發(fā)生奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，設(shè)置并返回替換數(shù)據(jù)流中的一個(gè)非法字符；

　　PortOpen：用于打開和關(guān)閉串；

　　InBufferSize：設(shè)置并返回接收緩沖區(qū)的大小，以字符為單位；

　　Rthreshold：設(shè)置并返回接收時(shí)產(chǎn)生的OnComm事件數(shù)；

NullDiscard：設(shè)置是否忽略發(fā)送0(NULL)字符；

　　InputMode：設(shè)置并返回接收類型，ComInput—Mo．deText是字符方式，CornlnptltModebinary是二進(jìn)制方式；

　　InputLen：設(shè)置并返回從接收緩沖區(qū)讀取的字符。

　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　通過Z掃描系統(tǒng)獲得的光脈沖信號(hào)，在高頻數(shù)字示波器上顯示的圖像如圖6所示，通過觀察并統(tǒng)計(jì)，其寬度約為4～5 ns，幅值在650～950 mV之間變化。

　　采用本測(cè)量系統(tǒng)得到的一組數(shù)據(jù)如表1所示。將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到如圖7所示的脈沖信號(hào)，其幅值與高頻數(shù)字示波器上顯示的圖像信號(hào)的幅值完全吻合，說明測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。測(cè)量系統(tǒng)相鄰兩個(gè)比較點(diǎn)的電壓為30 mV。光脈沖的幅值變化范圍為：700～950 mV，因此其測(cè)量誤差約為：±3％～±5％。

　　5 結(jié) 語

　　由于Z掃描光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)僅需要獲取光脈沖信號(hào)的幅值，不難看出本文所給出的設(shè)計(jì)完全可以達(dá)到Z掃描實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求。由此使Z掃描實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大大簡化，并且可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。當(dāng)然由于并行A／D需要的硬件較多，所以其幅值的分辨率較低，如需進(jìn)一步提高分辨率，降低誤差，則要增加硬件。