基于SPCE061A的激光衍射光柵測試儀設計

1 測試儀的工作原理
    激光衍射光柵測試儀工作原理框圖如圖1所示。測試儀的硬件包括四部分：激光二極管的驅動電路、小信號采樣及放大電路、LED顯示電路和單片機的最小外圍電路。系統(tǒng)顯示部分選用2塊4位的LED，采用動態(tài)掃描方式，各用1塊分別顯示光柵的光斑亮度比和透過率。

    測試原理：激光二極管驅動電路為激光二極管提供穩(wěn)定的合適的電壓電流，驅動激光二極管正常發(fā)光。光電探測器將經光柵衍射后的光斑分別轉換成微弱的電流，該電流經電流采樣及放大電路后得到符合A／D采樣范圍的電壓。該電壓經A／D轉換后得到相應的數(shù)字信號，將該數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理，計算出光斑亮度比以及透過率的值，最后通過LED顯示出來。同時，設置了重啟、清零、開始／保持、報警域值范圍設定等控制按鍵，以配合測試的進行。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 SPCE061A單片機的最小外圍電路
    測試儀MCU采用高性能16位SPCE061A單片機，它具有7通道10位電壓模／數(shù)轉換器(ADC)和32個可編程的I／O口，可通過內置在線仿真電路ICE(In－Circuit Emulator)接口在線調試。SPCE061A的開發(fā)是通過在線調試器PROBE實現(xiàn)的。它既是一個編程器(即程序燒寫器)，又是一個實時在線調試器。用它可以替代在單片機應用項目的開發(fā)過程中常用的軟件工具——硬件在線實時仿真器和程序燒寫器。10位的單端ADC將GND與VREF之間的線性電壓轉換成2n個不同的數(shù)字量，即1 LSB=VREF／2n，該系統(tǒng)中1 LSB=2．5 V／1 024=2．4 mV。例如：假設從光探測器出來的電流為0．100 mA，經10 kΩ電阻采樣后得到1 V電壓，則A／D轉換精度為2．4／1×100％=0．24％。再考慮到電流電壓轉換誤差、AD采樣誤差等，經測試最后精度可以達到2％，基本可以滿足測試精度。
2．2 激光二極管的驅動電路
    設計選用激光二極管型號為日本索尼公司的SDL6161RL，工作參數(shù)為：輸出波長為650 nm，工作電壓選用DC 5 V，閾值電流55 mA，工作電流為65 mA，出瞳功率為7 mw。激光二極管驅動電路如圖2所示。

    圖2中穩(wěn)壓管采用TL431，產生2．5 V穩(wěn)壓后，經過電壓跟隨器AR1、電壓調整器AR2后得到一穩(wěn)定的電壓VREF送到AR3的正輸入端。從AR3出來的電流信號經達林頓管的放大作用產生足夠大的驅動電流，以達到激光二極管的工作電流需要。圖中R2=R3，AR3工作在深度負反饋狀態(tài)下，由虛短概念可知，AR3的正輸入端和負輸入端的電壓相等，即：

    由于達林頓管的第一級工作在飽和狀態(tài)，則

   
    因此只要給出合適的R6，R7，R10和R11便可得到所需的輸出電壓和電流。
2．3 小信號采樣及放大電路
    該系統(tǒng)具有兩路采樣通道，一路采樣0級光斑和未加光柵時激光直接照射探測器的信號，另一路采樣1級光斑光電轉換后的信號。從光探測器出來的是0．01～0．5 mA的微弱電流信號，而單片機的ADC轉換范圍是0～2．5 V。為了使A／D轉換的精度提高，必須對電流信號進行電流一電壓轉換并將信號放大。
    一般來說，ADC轉換器在對量程范圍內的中間值左右的轉換誤差最小。因此，設計時將所有電流信號都轉換為1 V左右的電壓信號。該系統(tǒng)需要測試的參數(shù)為光斑亮度比和光柵透過率，因此需要測量未加光柵前的探測器電流和加光柵后的兩個亮光斑產生的電流。而未加光柵前的電流大概為0．4～0．5 mA，0級光斑的電流大概為0．1～0．2 mA，而1級光斑的電流大概為0．01～0．05 mA，因此它們放大的倍數(shù)會有很大差別。其中測量0級光斑和未加光柵時激光的光探測器是同一個，為了使兩者產生的電壓都在1 V左右，設計一個單刀雙擲開關，以實現(xiàn)不同的放大倍數(shù)。

3 測試儀的軟件設計
    測試儀主程序流程圖如圖3所示。其中包括A／D轉換子程序、LED顯示子程序、外部按鍵中斷子程序。

    通過兩路A／D分別對0級和1級光斑轉換所得的電壓信號進行采樣，為了提高采樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與可靠性，采用了數(shù)字濾波。每路數(shù)據(jù)采樣150次，去掉最大值和最小值之后再取平均值。每一種合格光柵，其光斑亮度比和透過率的值在一定的范圍內，如果超過這個范圍，說明該光柵參數(shù)不合格，儀器會顯示U或倒U來說明該參數(shù)是上溢還是下溢，方便了用戶。

4 測試結果與分析
    對于10個光柵樣品，測試的1級和0級光斑亮度比數(shù)據(jù)如表1所示。每個相同樣品測5組數(shù)據(jù)。其中參考值為光柵廠家提供的標準樣品值。

式(5)和式(6)中：δ為相對誤差；D為均方差；Ri為測量值；R為平均值；N為項數(shù)。試驗結果表明，測試儀測試誤差小于2％，均方差小于2．2×10-3，完全滿足設計要求。

5 結語
    該設計利用高性能16位SPCE061A單片機實現(xiàn)了DVD等設備用激光二極管衍射光柵測試儀，非常適用于小批量衍射光柵的測試。經過實際測試驗證，具有較高的穩(wěn)定性和精確度。具有溢出報警功能，同時，該儀器成本低，體積小，檢測效率高，具有較高的推廣價值。