激光計時裝置設計

錢 儂

（蘇州大學物理科技與技術學院，江蘇 蘇州 215006）

激光具有相干性、單色性、方向性等很多優良性質.激光器種類繁多，分氣體、固體和其他激光器（如準分子等）.我們用的較多的是氣體激光器，它工作物質均勻一致，保證了激光束的優良光束質量，使大部分的氣體激光器能產生接近高斯分布的光束模式.譜線范圍廣，有數百種氣體可以產生激光，已經觀測到的激光譜線接近萬余條，既能連續又能脈沖工作，且效率高，輸出激光功率大，在工農業生產、科學研究、國防、材料加工、醫療、測量、能源、通信等領域有著廣泛的應用，在這里設計利用He－Ne激光器來進行發射和PY1接收放大，利用分頻器對時基信號進行分頻計時.

實驗1.前置放大.

本系統中，由于激光接收頭得到的信號比較微弱，而且存在背景及接收器本身有源和無源電路產生的噪聲，所以必須增加高增益和低噪聲的前置放大器，進行濾波、放大、修整.一般情件況下，可用運算放大器來完成，在這里選用HA17324四運放.圖1是HA17324運放的工作電路圖，圖2是四運放的內部框圖.工作原理是PY1檢測到信號后，由PY12腳輸出很微弱的電信號，經低通濾波后送到IC10腳，信號進行一級消噪放大，此放大倍數很小，放大后信號從8腳輸出，由電容C8耦合到IC的6腳做二級信號放大，提高了穩定性和抗干擾性.IC的另外兩個運放構成窗口式電壓比較器，當IC的7腳電壓在Ua和Ub之間時，IC的1腳和14腳均無輸出；當7腳電壓大于Ub時，IC的14腳輸出高電平，當7腳電壓小于Ua時，IC的1腳輸出高電平.經過D1D2互相隔離及邏輯或的作用從P點輸出控制脈沖信號.其中R11用于設定窗口的閾值電平，調節R11可調節檢測器的靈敏度.HA17324各引腳的實測工作電壓如表1.（用MF47型萬用表測得）

表1

圖1

圖2

通過測量可知，放大器有信號輸入時，它的1腳和14腳輸出3.8V脈沖信號.

實驗2.門控電路和連接電路.

門控電路是由與非門和反相器構成，電路如圖3，其中加入了連接電路圖4.門控電路輸入信號端接收從前置放大電路傳來的信號.如為高電平，三極管導通，微小繼電器通電工作，常閉開關斷開，下一三極管導通，在A點產生低電平“0”，經反相器再與控制信號進入與非門，可在控制信號端加一高電平信號（可直接接在電源上，這樣在開啟裝置時就有高電平輸入），與非之后再經過一個反相器后，信號L送入下一級.如果輸入信號處于低電平的情況下，不能使三極管導通，繼電器不能工作，常閉開關閉合，A是高電平，最后得到信號L為“0”.

圖3

圖4

設計如圖4的一個連接電路，是為了使電路相互隔離，互相獨立，這樣既可以使電路模塊化，可以使它們不互相影響，還可以起到保護電路的目的.電路如右圖所示，它通過一微小繼電器在不同信號下控制電路工作，其中，調節Rb可以使三極管飽和導通.

實驗3.鐘控電路部分.

鐘控電路是此計時裝置的又一組成模塊，它是由計時電路、編譯碼電路、顯示電路和控制電路組成.主要起到記錄時間、顯示時間和開機清零的作用.下面分別介紹一下電路.

（1）振蕩電路.

該系統中采用石英晶體振蕩器.石英晶體等效電路符號和阻抗頻率特性如圖5所示.

圖5

由阻抗頻率響應可知，石英晶體的選頻特性非常好，它有一個極為穩定的串聯諧振頻率fs，且等效品質因素Q值很高.只有頻率為fs的信號最易通過，而其他頻率的信號均會被衰減.石英晶體振蕩器電路如圖6所示，圖中并聯在兩個反相器輸入、輸出間的電阻R的作用是使反相器工作在線性放大區.R的阻值，對于TTL門電路通常在0.7～2kΩ之間；對于CMOS門則常在10～100MΩ之間.電路中，電容C1用于兩個反相器間的耦合，而C2的作用，則是抑制高次諧波，以保證穩定的頻率輸出.電容C2的選擇應使2πRC2fs≈1，從而使RC2并聯網絡在fs處產生極點，以減少諧振信號損失.C1的選擇應使C1在頻率為fs時的容抗可以忽略不計.下左圖的振蕩電路是另一種接法，它僅取決于石英晶體的串聯諧振頻率fs，而與電路中的R、C的數值無關.這是因為電路對fs頻率所形成正反饋最強而易于維持振蕩.

圖6

選用8～16pf微調電容，以對振蕩頻率作微量調整.從精度考慮，振蕩頻率越高，計時準確度就越高，但這樣會使分頻器的級數增加.所以，要確定好振蕩頻率和分頻器級數還有分頻的次數.此設計中100kHz振蕩頻率需要將它變成周期為1s的脈沖信號，為此，需對它進行5級十分頻實現，采用五片C180同步十進制加法計數器組成分頻器.如圖7，當控制端EN＝1時，CP上升沿到來時計數；CP＝0時，EN下降沿到來時計數.Cr為正脈沖置零端，QD為十分頻輸出，將十分頻器串聯起來，如圖7所示.由QD5得到周期為1s的秒信號，由QB5得到周期為0.4s的秒信號，在此設計中，我們要的就是周期為1s的秒信號，即QD5的輸出端信號.

圖7

（2）編碼﹑譯碼顯示電路.

前面利用石英晶體振蕩電路來輸出頻率一定的脈沖，利用分頻器得到所需的時基信號脈沖，再把此脈沖加到計數電路上.脈沖送到4518構成的二進制編碼電路，每輸入一個脈沖.輸出腳就進一位.輸出的BCD碼經過解碼電路驅動LED顯示.電路圖如圖8所示.

圖8

（3）單穩態延時控制電路.

控制電路的主要作用是自動控制編碼﹑譯碼顯示電路的開啟、清零，為下次測量做準備.它是用一片555電路做成的.它內部結構的簡化原理如下圖所示，由3個阻值為5kΩ的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器C1和C2、基本RS觸發器、放電BJT T以及緩沖器G組成，如圖9

圖9

圖10

圖中RD為復位輸入端，當RD 為低電平時，不管其他輸入端的狀態如何，輸出V0（3腳）為低電平.因此在正常工作時，應將其接高電平.由圖可知，當5腳懸空時，比較器C1和C2的比較電壓分別為2／3 Vcc和1／3 Vcc.555定時器作成的單穩態電路如圖10所示，電路中RP、R2、C1決定延時清零時間，在上面的控制電路中，其工作原理是：當3腳輸出為高電平時，三極管導通，則繼電器工作，常開閉合，電源就導通，控制編碼﹑譯碼顯示電路開啟工作；反之，當3腳輸出為低電平時，三極管截止，繼電器不工作，電源斷開.

總圖：激光計時裝置電路涉及到光電轉換電路PY1﹑運算放大電路﹑門控電路﹑連接電路﹑時鐘振蕩電路﹑分頻電路﹑編碼和譯碼顯示電路和控制電路等幾個方面，設計起來比較復雜，但在設計過程中始終貫穿模塊化的理念，不同模塊相互之間的聯系盡可能的少（可用連接電路連接），一個模塊在邏輯上盡可能獨立，有完整單一的功能.在這個設計中，主要針對用于小球在液體中下落的計時，具體的電路框如圖11.

圖11

首先來介紹上面的部分，由于已經在前面具體的介紹了各個模塊電路，這里就不在重復了.根據電路框圖，具體如下：小球下落過程中，擋一下上面激光束（圖12），上端接收器接收到信號，脈沖信號經過放大，進入隔離電路和主控門電路，之后控制可控硅導通（在電源和可控硅之間有一個繼電器2，它是常閉的），從而使時鐘電路工作，再把時鐘信號輸入計數器累加，最后進行編碼，譯碼和顯示.這個階段是小球下落進行計時的過程.

圖12

在小球到達下面激光束時，下端接收器收到信號（圖13），輸出一個脈沖，進行放大.然后信號一路傳給三極管，三極管導通，則繼電器2工作，常閉開關斷開，可控硅斷開，則時鐘電路停止工作；還有一路是接555延時控制電路，延時一段時間后，控制三極管導通，繼電器3通路，常開開關閉合，譯碼顯示電路延時清零.具體的工作電路如下.

在上面的這些電路中，可控硅起到關鍵作用，有必要介紹一下.可控硅是一種控制器件，它可以控制開關，可以用微小的功率控制較大的功率，在隨動系統中有廣泛的作用.它有三個腳組成，即陽極 A、陰極C和控制極G.當控制極電流達到一定數值時（一般為幾十mA），陰極與陽極之間導通，且管壓降很小，約為1.0V.可控硅一旦導通后，控制極不再起作用，保持導通狀態，若想要斷開，應將陽極電流減小到某一數值或加反電壓.

激光計時裝置的設計主要是為了適應現代科學研究的需要，它能夠解決以前實驗中的系統誤差問題，大大提高實驗的效率.如果加以改進，這個裝置還可以用于其他很多方面.比如說交通，報警，體育等等方面，具有很大的開發利用價值.

在實際試驗時，由于激光束通過液體時會發生散射現象，方向不集中，造成激光束不易對準，PY1不易檢測到.可通過可降低發射管的限流電阻（150Ω降至20Ω）提高發射功率，同時調節運放R11閾值電平靈敏度，可得到滿意效果.這同時也給了筆者一個啟發，即用在倉庫里作為近物點的煙感報警器時，可降低發射管的限流電阻，降低發射功率至接收臨界點，達到有煙霧使激光束發生散射現象時可迅速報警的目的.

圖13

1 秦誠.醫用電子學及實驗（第1版）.北京：原子能出版社，1992.

2 最新集成電路應用大全（第1版）.北京：北京希望電腦公司，1995.

3 電子報（95年合訂本）.成都：成都大學出版社，1995.

4 康華光.電子基礎－數字部分（第5版）.北京：高等教育出版社，2006.