基于256級灰度線性聲光調制器驅動電源的設計

蔡睿博,張志偉,2,周 森

(1.中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051；2.中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引言

基于布喇格衍射效應的多灰度線性聲光調制器(AOM)在激光大屏幕圖文顯示、激光外差干涉技術和其他高精度測量等領域發揮了重要的作用。如在基于光外差干涉技術檢測微弱超聲振動的實驗中，利用布喇格效應的聲光調制器產生頻率不同的兩束光，可通過調節具有256級數字調控電壓的線性聲光調制器來控制兩束光，使其獲得合適的強度，進而實現良好的檢測效果。由激光器、聲光器件和驅動源組成的聲光調制系統，可有效地測試聲光調制器的性能。本實驗中，使用雙路、非易失、256級及低溫度系數的數字可變電阻器DS3902為主的恒流源電路，將0～5 V分為256級的輸入電壓，作用于聲光調制的驅動電源，可改變通過聲光調制器的一級衍射光的光強[1-2]。

1 聲光調制系統總體設計

1.1 聲光調制原理

經由電聲換能器產生的超聲波作用于聲光晶體時，將使聲光晶體的光學性質(折射率)發生周期性的變化，成為等效于超聲波波長的光柵，當激光以布喇格角θB入射到聲光晶體時，將發生布喇格衍射，產生的衍射光路[3-5]如圖1所示。圖中，Ii為入射光強，Ks為超聲波波矢。布喇格衍射的工作方式具有衍射光強分布不對稱的特點，只有0級和+1級(或-1級)衍射光，且可通過改變輸入電壓的方式調節在0級和+1級(或-1級)衍射光上的入射光能量。由光的電磁理論可以證明，對于頻率為ω的入射光，以θB入射到經頻率為Ω的超聲波作用的聲光晶體時，其布喇格衍射的+1級(或-1級)衍射光的頻率為ω+Ω(或ω-Ω)。相應的0級和+1級衍射光強分別為

(1)

(2)

式中φ為光通過聲光介質后，由折射率變化引起的附加相移。當控制入射超聲功率來改變φ時，就可達到控制0級與+1級衍射光功率的目的。

圖1 布喇格聲光衍射

1.2 聲光調制系統

基于聲光效應原理設計搭建的聲光調制系統，主要部分由激光器、聲光調制器件、驅動源及光功率計組成，結構框圖如圖2所示。其中受微機和單片機控制的驅動源可改變對聲光調制器件的輸入功率達到多灰度聲光調制的目的。當激光束以θB入射到聲光調制器時，就會發生布喇格衍射，產生兩束光功率互補的衍射光，當通過數字電壓控制電路給驅動源輸入線性電壓時，就會使兩束衍射光的光功率發生一定規律變化[6]。使用以數字電位器DS3902為主的恒流源電路，可在輸入電壓0～5 V的變化范圍內，得到256個線性變化的電壓以及與其相對應的光功率，并通過對聲光器件性能的理論分析驗證了實際測量數據的可靠性，之后利用經過處理的測量結果選擇一個合適的數字電壓控制電路，就可實現256級灰度的線性聲光調制器的設計。在數字電壓控制電路原有功能的基礎上添加灰度等級的選擇與顯示功能，使多灰度線性聲光調制器在大屏幕顯示與在光外差干涉系統中更易得到應用。

圖2 聲光調制系統結構框圖

2 數字電壓控制電路設計原理

2.1 數字電位器的使用

DS3902是一款雙路、非易失(NV)、256級、低溫度系數的數字可變電阻器，它可在2.4～5.5 V的寬電源范圍內工作，通過I2C兼容的串行接口與器件通信。DS3902可產生雙路256級的線性數字電阻，滿足實驗需求，又因其具有低成本、小尺寸的特點，使其能替代傳統機械式電位器，成為理想的實驗儀器。數字電位器DS3902與單片機AT89C52接口電路如圖3所示。其中2、3管腳分別接單片機P1.0與P1.1接口，4、5管腳相互連接并接地，7管腳空置，8管腳接+5 V電源。將電路連接并寫入程序后，1管腳H0與GND間的電路等效于電阻R(H0)，其大小為0～15 kΩ，其阻值由輸入的程序決定，6管腳H1功能與1管腳相似，可產生0～50 kΩ的電阻R(H1)。

圖3 DS3902與單片機AT89C52的連接電路圖

2.2 恒流源電路

恒流源是模擬集成電路中廣泛使用的一種單元電路,在實際中有廣泛的應用。當給數字電位器供給恒定電流時可產生與之相對應的電壓，調節恒流源電流的大小可得電壓范圍，通過單片機控制的數字電位器阻值可決定最終所得電壓值，因為數字電位器DS3902阻值隨著輸入的數字信號線性變化，所以最終所得電壓是線性變化的，通過256個檔次的線性輸入電壓可觀察記錄激光在聲光調制器調制下的衍射光對線性電壓做出的響應。由運算放大器CA3140、12 V的基準電壓源、電阻、三極管9015(9013)和數字電位器組成的正恒流源電路如圖4所示。輸出電流為

(3)

式中β1,β2分別為2個三極管的電流放大系數。可通過改變R0控制電流I，因為β1和β2皆為150，數字電位器H0端口的最大電阻為15 kΩ，所需電壓為0～5 V，所以電流為0.333 mA，R0=7.5 kΩ。

圖4 恒流源電路

為使后續電路對已調好固定幅值電路不產生影響，可使用電壓跟隨器，使在輸入、輸出電壓相等時不影響恒流源電路，而因為0.333 mA的電流無法驅動聲光調制器，則使用射極跟隨器，在不影響恒流源電路時對電路中電流進行放大，達到驅動聲光調制器的目的。

2.3 電壓調制電路

由于256個檔次電壓作用于聲光調制器產生的一級衍射光強的變化呈非線性，所以需要對電壓進行調制，使在256個檔次電壓下衍射光功率的變化呈線性。恒流源電路的輸出電壓為

(4)

改變R0與R3及256個檔次的數字電阻器R，可實現對電壓的調制。

CD4051相當于一個單刀八擲開關，使用單片機對CD4051的A、B、C 3個通道輸入不同的地址碼，可接通需要的通道，進而控制對應規格的R0與R3，確定同一檔位數字電壓，達到電壓調制的目的。CD4051的結構原理圖如圖5所示。

圖5 CD4051芯片結構及引腳功能

2.4 控制電路

控制電路由矩陣按鍵輸入部分及數碼管顯示部分組成，通過按鍵對單片機輸入不同檔次的數字電壓來控制數字電位器的阻值，并用數碼管顯示當前檔次，進而改變聲光調制器驅動器的輸入電壓，達到控制激光束通過聲光調制器后所產生的一級衍射光強度的目的，控制電路結構如圖6所示。

圖6 控制電路結構圖

3 實驗結果及分析

實驗中，首先對數字電位器性能進行測試,數字電位器DS3902的阻值為0～15 kΩ,為方便數據采集和整理，我們在灰度等級均勻變化下采集了64組數據，當采用恒流源電路(見圖4)時，其輸出電壓與數字電位器的變化等級如圖7所示。由圖可知，輸出電壓隨灰度等級的提高而呈線性變化，使用線性變化的電壓增強了對聲光調制器性能測量的可靠性與準確性。

圖7 電壓與灰度等級的變化關系

使用由633 nm的半導體激光器、149 MHz聲光調制器、線性聲光調制驅動源及光功率計等組成的光學系統對聲光調制驅動源的工作性能進行研究分析，半導體激光器通過聲光介質產生的激光束為0級光，然后給聲光調制驅動源通電使其工作，產生149 MHz的射頻功率信號，并通過電聲換能器作用于聲光晶體，使其產生一個等效于聲波波長間距的衍射光柵，通過對固定聲光器件的精密旋轉臺旋轉適當的角度，使聲光調制器工作在布喇格衍射狀態[7-8]。輸入電壓不同時，對聲光調制器影響也不同，而輸入電壓是隨著數字電位器阻值的變化而變化的，使用256級的數字電位器DS3902，可在0～5 V內產生256個線性變化的電壓，通過按鍵控制產生所需等級的電壓，進而改變聲光調制的工作狀態，使激光通過聲光調制器后由布喇格衍射產生的0級光與+1級光功率發生改變，其+1級光功率在線性電壓下的變化如圖8所示。

圖8 光功率在線性電壓下的變化

由圖7、8可知，在線性電壓變換下，+1級光功率是非線性的，且其光功率的變化規律與式(1)相對應，從另一個方面證明了數據可靠性與穩定性。

為了使衍射光功率在數字調制電壓具有良好的線性關系，使衍射光功率的灰度變化范圍達到最大，線性相關系數為98.76%時數字調制電壓為0.3～5.0 V，用最小二乘法可獲得該區間的+1級(或-1級)衍射光功率P與此區間數字調制電壓U的線性回歸方程為

P=0.352U-0.070 8

(5)

由圖8可知，在0.1 V≤U≤0.3 V時，聲光調制器光功率無變化，則數字調制電壓最小值Umin=0.3 V，最大值Umax=5 V，而其對應+1級(或-1級)衍射光功率最小值及最大值分別為Pmin=0.027 mW，Pmax=1.502 mW，由此可得衍射光功率灰度值的變化梯度ΔP=0.024 8。

由Pmin及ΔP可得線性衍射光功率為P′1=0.027 mW，P′2=0.051 8 mW，P′3=0.076 6 mW，…，P′64=1.589 4 mW。在此基礎上，由式(5)算出U′2=0.348 3 V,U′3=0.418 8 V,…，U′64=4.786 9 V，再通過式(4)及對數據分析可知，在恒流源電路下，使R0=8.25 kΩ，R3=3.2 kΩ，可產生使用最小二乘法所得電壓，再次測量可得光功率與灰度等級間的關系，如圖9所示。

圖9 光功率與灰度等級之間的關系

由圖9可知，經過最小二乘法處理過的電壓可改善衍射光功率與灰度等級的線性度，此時其線性相關系數為99.30%。因聲光晶體具有非線性特性，故輸入電壓均勻變化增長已不能滿足其線性補償的需求。為此，我們可將灰度等級分成幾個階段，并通過調節R0使每個階段中的衍射光功率與灰度等級都呈線性，再通過調節R3使各個線性階段處于同一條直線上。

通過對實驗數據中光功率增長速度的分析，將256個灰度等級分成4個階段：

1) 1～48級。此時，R0=8.6 kΩ，R3=4 kΩ。

2) 49～128級。此時，R0=10.5 kΩ,R3=5.4 kΩ。

3)129～168級。此時，R0=11 kΩ，R3=5.9 kΩ。

4) 169～256級。此時，R0=9 kΩ，R3=3.1 kΩ。

將4個階段的R0與R3分別代入式(4)中，并協同具有256級的數字電位器R來確定不同灰度等級的調制電壓，此時經過數字調制的電壓已具備線性補償功能，補償后,衍射光功率與灰度等級間的線性相關系數為99.91%。圖10為線性補償前后衍射光功率與灰度等級的關系。

圖10 +1級衍射光強灰度值隨灰度等級變化

由圖10可知，與線性補償前相比，線性補償后衍射光功率與灰度等級的線性相關度高。由實驗結果可得，補償后衍射光功率與灰度等級的線性相關系數為99.91%，比補償前提高了1.15%。在衍射光功率的變化范圍內，線性變化的衍射光功率的灰度等級達到了256級。

4 結束語

本文使用了具有256個檔次的數字電位器DS3902為核心的恒流源電路，在0～5 V的輸入電壓范圍內，通過對各個檔次的數字電壓進行調制，使線性補償后衍射光功率與數字調制電壓的線性相關系數可達99.91%，比補償前提高了1.15%，衍射光功率的灰度等級達到了256級。在激光外差干涉測量領域，利用具有256級灰度等級的線性聲光調制器驅動電源驅動的聲光調制器，數字化的實現對0級光與+1級光的光功率匹配，完成激光外差干涉納米測量。