基于AD采樣的激光穩(wěn)頻自動控制電路的設計

張 珍

（武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430074）

為長期有效的探測到高空鈉層熒光，必須使脈沖染料激光器的輸出激光波長長期穩(wěn)定在鈉原子的共振波長上。但由于溫度、氣壓、振動等原因，染料激光器在工作時波長很容易偏離這一數(shù)值。通常采用人工手動調整波長的方式，但這不僅增加了激光器運行的復雜程度，還會造成人為誤差因素，影響探測數(shù)據(jù)質量。

激光器在現(xiàn)實生活中應用十分廣泛，如在共振熒光激光雷達和差分吸收激光雷達中，都要求使用可調諧脈沖激光器，脈沖染料激光器就是其中最常用的一種［1］。在這類激光雷達中，不僅要求脈沖染料激光器的波長能準確地調整到被探測原子分子的吸收波長上，而且要求它一經(jīng)調定就長期穩(wěn)定不變。后一要求通常很難達到。目前，在工程應用上，一般是采用在激光雷達工作過程中定期地對其輸出波長進行人為的校正調整。校正調整越頻繁，激光雷達探測精度越高。這種辦法不僅非常麻煩，而且在兩次校正調定之間，激光雷達的探測精度也會受到波長漂移的影響。

1 激光穩(wěn)頻自動控制的需求分析

由于激光器產(chǎn)生的激光與基準源進行比較，獲得一個與激光波長對應的模擬信號，要想獲得此模擬信號大小，必須采用模數(shù)轉換（ADC）對其進行量化，將其轉化成數(shù)字量后，再送入計算機進行信號處理與分析，最后反饋控制激光器的發(fā)射激光波長。不僅如此，由于激光的脈沖寬度為數(shù)十納秒（～10ns），其激發(fā)的共振熒光也在幾個微秒以內，因此，必須采用高速AD轉換才能準確獲得此脈沖信號的峰值。

2 激光穩(wěn)頻自動控制的方案設計

為實現(xiàn)激光穩(wěn)頻自動控制，我們使用一種原子分子穩(wěn)頻的脈沖染料激光器，該激光器采用一種原子分子頻率基準源對輸出脈沖染料激光進行鑒頻和穩(wěn)頻。提供該激光器的穩(wěn)頻方法，該方法通過微處理器對鑒頻信號進行數(shù)據(jù)采集、分析和處理獲得激光頻率偏離的誤差信號，通過反饋控制光柵轉角，達到將脈沖染料激光器的輸出頻率長期穩(wěn)定在原子分子頻率基準的目的。穩(wěn)頻電路采用智能控制，而不采用通常的差分或鎖相模擬電路控制，提高了穩(wěn)頻激光器的抗干擾能力和自動化程度，有利于提高它在共振熒光和差分吸收激光雷達中應用的效果［2］。其原理框圖如圖1所示。

圖1 脈沖染料激光器原子穩(wěn)頻原理框圖

其原理為：從染料激光器的輸出光中分出一小部分送入鈉原子共振泡中，共振泡輸出信號的大小代表染料激光器的波長與鈉原子共振波長的一致程度。該信號經(jīng)過放大和適當延時后，送入采樣保持電路，將原子共振泡脈沖輸出信號的峰值變成相應的直流信號。該直流信號經(jīng)A／D轉換后送入單片機，單片機不停地通過該直流信號的變化來判斷染料激光器的波長與鈉原子共振波長的相對關系，并通過快速控制染料激光器的波長調節(jié)元件，使染料激光器的波長一直處在與鈉原子共振波長一致的狀態(tài)。

3 激光穩(wěn)頻自動控制電路中元器件的選取

AD781采用低功耗八腳小型DIP封裝，非常適用于高密度布局電路。AD781能在700ns時間內跟蹤輸入信號并達到滿量程，其保持誤差僅為0.01μV／μs，并具有很好的線性和優(yōu)良的直流和動態(tài)性能。因此AD781也非常適合12bit和14bit高速采樣保持放大器。AD781是一種完整的采樣保持放大器，它內含保持電容，無需外接元件與外部調整。AD781采樣保持放大器在精度和速度方面十分適用于12bit AD轉換器。它具有快速的采樣和保持建立時間，并有良好的驅動能力，因此AD781適用于快速、高精度的AD應用場合。

經(jīng)過ADC量化后的數(shù)字量要送入計算機進行信號處理與分析，由于CPU與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設之間按串行方式傳輸，因此，在串行接口中，必須要有接收移位寄存器（串→并）和發(fā)送移位寄存器（并→串）。為了完成上述串行接口的任務，串行通信接口電路一般由可編程的串行接口芯片、波特率發(fā)生器、EIA與TTL電平轉換器以及地址譯碼電路組成。其中，串行接口芯片隨著大規(guī)模繼承電路技術的發(fā)展，通用的同步（USRT）和異步（UART）接口芯片種類越來越多，它們的基本功能是類似的，都能實現(xiàn)上面提出的串行通信接口基本任務的大部分工作，且都是可編程的。使用這些芯片作為串行通信接口電路的核心芯片，會使電路結構比較簡單。使用MAX232芯片可以將PC機串行口的RS－232C電平轉換為TTL標準電平。對于TTL電平轉換器則采用了RS－485通信芯片來實現(xiàn)。

4 硬件制作與軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

此次設計的硬件部分在Protel DXP 2004環(huán)境中實施，首先根據(jù)每個芯片的特性繪制電路原理圖及元器件封裝，然后由原理圖生成網(wǎng)絡表，最后根據(jù)網(wǎng)絡表繪制PCB板。系統(tǒng)的軟件設計主要分為Kiel51軟件編程、asm匯編語言、C語言、編程器和Labview軟件編程設計［3］等。其中圖形化編程語言LabVIEW的出現(xiàn)為串口調試與數(shù)據(jù)分析帶來了極大方便。

5 基于AD采樣的激光穩(wěn)頻自動控制電路的自動穩(wěn)頻測試

綜合上面軟硬件部分的設計該原子穩(wěn)頻脈沖染料激光器已經(jīng)正常運行。從實驗結果來看，該穩(wěn)頻方法十分有效。首先，使用該穩(wěn)頻器后，一個晚上可以不用人為調整染料激光器的波長。其次，從激光雷達的回波數(shù)據(jù)來看，一個晚上的穩(wěn)定性非常優(yōu)越，比人為調整時信號信號隨調整者變化好得多。另外為了檢驗波長調節(jié)是否準確，在觀察波長調節(jié)期間，當每次波長自動調整好后，根據(jù)平時調節(jié)波長的經(jīng)驗進行兩者對比，發(fā)現(xiàn)波長最大誤差范圍不超過0.2格，這也就是人眼能調節(jié)的最大靈敏度范圍，如果不仔細調節(jié)，手動調節(jié)誤差要比0.2格大得多。通過采用上述這些技術措施，既提高了鈉層熒光激光雷達的性能，又提高了其自動化和實用化程度，為晝夜連續(xù)觀測提供了保障。

6 結 語

隨著微電子技術和計算機通信技術的飛速發(fā)展，在越來越多的領域都用到了AD采樣、串口通信以及激光技術來傳輸信號，它們與一般的技術相比有一個最明顯的優(yōu)點就是傳輸速度快，能更好的對議器設備實現(xiàn)實時控制，能夠提高工作效率。因此在以后的發(fā)展中AD采樣和串口通信會在越來越多的設備中被用到。在實際應用中。我們可以充分利用串口通信、AD采樣使其完成遠程監(jiān)控、工業(yè)勘測等多種功能，廣泛應用于工業(yè)軍事國防等。同時將LabVIEW軟件開發(fā)與串口通信結合設計開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制硬件設備，不僅能節(jié)約大量開發(fā)時間和減少硬件成本，還可以為今后的系統(tǒng)升級留有很大空間，同時還使得系統(tǒng)具有很好的可移植性。

1 陳楊骎，楊曉華.激光光譜測量技術［M］.上海：華東師范大學出版社.2006年第1版

2 程學武，李發(fā)泉，宋娟等.原子分子穩(wěn)頻的脈沖染料激光器及其穩(wěn)頻方法［P］.中國，發(fā)明專利.申請?zhí)枺?00510019816.X

3 楊樂平，李海濤，肖相少等.LabVIEW程序設計與應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社.2001