基于Z掃描測量系統(tǒng)的軟硬件電路的設計

引 言

Z掃描是一種應用于光學非線性測量的方法，使用這種方法可以測量光學材料非線性折射率的大小、正負以及非線性吸收系數(shù)。因為通過光學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系，因此通過測量光電接收器轉(zhuǎn)換后的電壓幅值就可以很方便地計算出光學材料的非線性折射率大小、正負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ns，因此通常采用高頻數(shù)字示波器測量其信號的幅值，然而高頻數(shù)字示波器雖然能夠得到準確的數(shù)據(jù)，但是其價格昂貴，體積較大，不適合形成一個獨立的光學測量系統(tǒng)。本文給出的測量系統(tǒng)，采用高速并行A／D轉(zhuǎn)換的方法，不但能夠?qū)崟r檢測出光電轉(zhuǎn)換后的電壓幅值的數(shù)據(jù)，同時通過高速并行比較器基準電壓的調(diào)節(jié)能自動濾除不需要的數(shù)據(jù)，避免了PC機處理大量冗余數(shù)據(jù)，有效縮短了數(shù)據(jù)采集的周期。

1 測量系統(tǒng)總體結構

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

（1）信號轉(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轉(zhuǎn)換成模擬電信號，模擬電信號經(jīng)高速并行A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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)字信號送入數(shù)據(jù)鎖存器鎖存，單片機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，由PC機進行存儲、打印、繪圖等操作。

2 硬件電路

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

2．1 信號轉(zhuǎn)換

測量系統(tǒng)測量的對象是高頻窄光脈沖信號，光脈沖的平均寬度僅為4 ns，所以信號轉(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。測量開始，通過P1．0將D觸發(fā)器的所有輸出端清“O”，當光脈沖信號出現(xiàn)時，在D觸發(fā)器的輸出端將出現(xiàn)與脈沖幅度相對應的數(shù)據(jù)。測量系統(tǒng)共使用了4片MAX964ESE，8片D觸發(fā)器74AC74，選擇了16個比較點，電壓范圍從450～900 mV，相鄰兩個比較點的電壓為30 mV。為保證測量的準確，基準電壓由基準電壓源TL431提供。

2．2 信號處理

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

2．3 數(shù)據(jù)信號傳輸部分

測量系統(tǒng)沒有安排專門的顯示器，因此測量數(shù)據(jù)無法直接觀察，這是因為數(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機的方法，由PC機完成數(shù)據(jù)的制表、繪圖等工作。系統(tǒng)與PC機串行通信采用RS 232C接口，通信速率為4 800 b／s。

3 軟件設計

測量系統(tǒng)的軟件分為兩部分，一是單片微機部分，單片微機的軟件設計采用模塊化設計的方法，主要分為如下幾個軟件模塊：主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和通信。由于單片微機的主要功能是控制，并不承擔大量的數(shù)據(jù)運算，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，因此必須對數(shù)據(jù)進行甄別處理，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。

軟件的另一部分是PC機部分，PC機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用程序，采用MSComm32．OCX控件，其特點是操作簡單，功能強大。

使用控件的屬性進行串口的設置，使用控件的事件驅(qū)動進行串口響應，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：設置波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位；

ParityReplace：當發(fā)生奇偶校驗錯誤時，設置并返回替換數(shù)據(jù)流中的一個非法字符；

PortOpen：用于打開和關閉串；

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

Rthreshold：設置并返回接收時產(chǎn)生的OnComm事件數(shù)；

NullDiscard：設置是否忽略發(fā)送0（NULL）字符；

InputMode：設置并返回接收類型，ComInput―Mo．deText是字符方式，CornlnptltModebinary是二進制方式；

InputLen：設置并返回從接收緩沖區(qū)讀取的字符。

4 實驗結果分析

通過Z掃描系統(tǒng)獲得的光脈沖信號，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，其寬度約為4～5 ns，幅值在650～950 mV之間變化。

采用本測量系統(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，其幅值與高頻數(shù)字示波器上顯示的圖像信號的幅值完全吻合，說明測量系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)準確。測量系統(tǒng)相鄰兩個比較點的電壓為30 mV。光脈沖的幅值變化范圍為：700～950 mV，因此其測量誤差約為：±3％～±5％。

5 結 語

由于Z掃描光學測量系統(tǒng)僅需要獲取光脈沖信號的幅值，不難看出本文所給出的設計完全可以達到Z掃描實驗系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的要求。由此使Z掃描實驗系統(tǒng)大大簡化，并且可以實時采集數(shù)據(jù)。當然由于并行A／D需要的硬件較多，所以其幅值的分辨率較低，如需進一步提高分辨率，降低誤差，則要增加硬件。

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