一種基于高速并行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的激光Ｚ掃描的高頻窄脈沖信號(hào)幅值測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王海燕　鄒麗新　馬勵(lì)行

摘 要：提出了一種基于激光Z掃描的高頻窄光脈沖信號(hào)幅值測(cè)量的電路設(shè)計(jì)，采用MAX964進(jìn)行高速并行A/D轉(zhuǎn)換，并以AT89C52單片機(jī)作為處理器，通過RS 232C串行口通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻窄脈沖激光信號(hào)幅值測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。給出實(shí)驗(yàn)采集的多組數(shù)據(jù)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，說明該設(shè)計(jì)可準(zhǔn)確測(cè)量寬度約4～5 ns高頻窄激光脈沖信號(hào)的幅度，測(cè)量誤差約為：±3%～±5%，由此使Z掃描實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大大簡化。

關(guān)鍵詞：高頻窄脈沖；高速并行A/D轉(zhuǎn)換器；Z掃描；微處理器

中圖分類號(hào)：TP274.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-105-03

Design about Amplitude Measuring System for High Frequency Short Pulse of Laser Z-Scan

Based on High Speed Parallel A/D Conversion

WANG Haiyan,ZOU Lixin,MA Lixing

(Department of Physics Science and Technology,Soochow University,Suzhou,215006,China)

Abstract：In this paper,a circuit design for the measuring of high frequency short laser pulses signal,which is based on laser Z-scan is introduced.The system can gather the measurement data of high-frequency pulse of the laser signal amplitude real-time,by the high speed parallel A/D transformation with comparators MAX964,regarding AT89C52 as the processor,and through RS 232 serial communication.In this paper,multiple sets of data gathered in the experiment are provided.By analysis of the data,it is verified that high frequency short laser pulses with the width about 4~5ns can be measured accurately by this design,the measure error is:±3%～±5%,and the experimental system of Z-scan is simplified greatly by the design.

Keywords：high frequency short pulses；high speed parallel A/D converter；Z-scan;microprocessor

0 引 言

Z掃描［1］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。

1 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［2-4］

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DET10A/M高速光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器，DET10A/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：2.7～5.5 V，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“0”，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。

2.2 信號(hào)處理

AT89C52［5］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［6，7］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［8］，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［9］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，ComInputMo.deText是字符方式，ComlnputModebinary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)［10］，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。

參考文獻(xiàn)

［1］楊海林，牛燕雄.激光Z掃描技術(shù)研究進(jìn)展及其應(yīng)用［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),2007(10):50-54.

［2］李正東，顧靜良，劉志強(qiáng)，等.激光信號(hào)采集的FPGA控制［J］.激光與紅外,2008(38):181-185.

［3］王建，辛建國.激光器用高頻調(diào)制射頻激勵(lì)源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.光學(xué)技術(shù),2006(15):85-88.

［4］李應(yīng)強(qiáng)，劉安橋.一種新穎的高頻窄脈沖參數(shù)測(cè)試設(shè)計(jì)方案［J］.江南航天科技,2005(9):21-25.

［5］魏慶農(nóng),張偉,彭夫敏.基于AT89C52的光離子化信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.數(shù)據(jù)采集處理,2007(22):121-126.

［6］王建華，逄玉臺(tái).MAX202E在串行通訊中的應(yīng)用.電測(cè)與儀表,2001(1):51-53.

［7］許南雁,郝繼飛.Windows CE環(huán)境下單片機(jī)串行通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2005(24):72-74,77.

［8］鄒麗新，翁桂榮.單片微型計(jì)算機(jī)原理［M］.蘇州：蘇州大學(xué)出版社,2001.

［9］李現(xiàn)勇.Visual C++串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐［M］.北京:人民郵電出版社,2002.

［10］王波,粱海泉,姚勇濤.高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與精度測(cè)量方案［J］.電子測(cè)量技術(shù),2008(31):173-177.

作者簡介

王海燕 女，1979年出生，江蘇省徐州市人，碩士研究生。研究方向?yàn)閮x器儀表自動(dòng)化技術(shù)。

鄒麗新 男，1950年出生，教授。主要從事電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究。