關(guān)于激光功率計(jì)的變換與顯示電路

本文介紹了激光功率計(jì)的變換與顯示電路，該電路的主要功能是直接指示激光功率的大小。該電路把由激光功率計(jì)輸出的模擬電壓量變?yōu)閿?shù)字脈沖輸出，并且把輸出脈沖的頻率實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)具有精度高、線性好、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)。

在原子核物理實(shí)驗(yàn)中，需用激光發(fā)生裝置產(chǎn)生一定能量的激光對(duì)原子光電截面進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)要求知道激光發(fā)生裝置產(chǎn)生的激光功率。為了簡(jiǎn)捷方便地了解激光功率的大小，在實(shí)驗(yàn)中使用了激光功率計(jì)。它的輸出為一個(gè)模擬電壓量，該模擬電壓的幅度隨激光功率的變化而變化，為了便于實(shí)驗(yàn)人員實(shí)時(shí)觀測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并研制了本電路。電路的主要功能是把由功率計(jì)輸出的模擬電壓變?yōu)榕c之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字脈沖輸出。該脈沖可以直接被記錄下來(lái)，脈沖頻率正比于功率計(jì)輸出模擬電壓的大小，即正比于激光的功率，同時(shí)該電路也實(shí)時(shí)顯示出輸出脈沖信號(hào)頻率的大小。

1、電路基本構(gòu)成

電路主要由緩沖放大電路、V-F轉(zhuǎn)換電路、計(jì)數(shù)率計(jì)電路、甄別顯示電路等4部分組成。V-F轉(zhuǎn)換電路的輸出脈沖信號(hào)一路輸出到計(jì)數(shù)率計(jì)電路，另一路直接作為計(jì)數(shù)輸出，計(jì)數(shù)輸出可直接送入定標(biāo)器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。激光功率計(jì)的變換與顯示電路結(jié)構(gòu)框圖見圖1。該電路安裝在標(biāo)準(zhǔn)雙寬NIM插件里，在一個(gè)雙寬NIM插件里安裝了兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的工作通道，能同時(shí)對(duì)兩路激光功率計(jì)輸出的信號(hào)進(jìn)行采集變換與顯示。

2、主要單元電路原理介紹

2.1、緩沖放大器

為了滿足不同幅度信號(hào)的測(cè)量與數(shù)據(jù)采集的要求，設(shè)計(jì)了緩沖放大器，其輸入信號(hào)為0～2V。主要由緩沖級(jí)與放大兩部分組成。緩沖級(jí)是由LF356構(gòu)成的一個(gè)跟隨器。放大級(jí)由增益粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩級(jí)構(gòu)成。兩級(jí)均采用運(yùn)算放大器LF356構(gòu)成。增益粗調(diào)分為&TImes;1、&TImes;10、&TImes;100三檔，&TImes;1檔通過(guò)選擇開關(guān)來(lái)選擇，×10、×100檔可通過(guò)增益調(diào)節(jié)跳線器Jumper進(jìn)行選擇和設(shè)置。增益細(xì)調(diào)級(jí)放大倍數(shù)調(diào)節(jié)可通過(guò)改變電位器的阻值實(shí)現(xiàn)，增益調(diào)節(jié)范圍0～10倍。放大級(jí)基本電路結(jié)構(gòu)見圖2。第一級(jí)放大倍數(shù)可通過(guò)J3、J4兩個(gè)跳線器的選擇進(jìn)行調(diào)節(jié);第二級(jí)放大倍數(shù)由電位器R115調(diào)節(jié)。

2.2、V-F轉(zhuǎn)換電路

它是本電路中的關(guān)鍵部分，它把輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的脈沖信號(hào)輸出，脈沖信號(hào)的頻率與輸入模擬電壓成正比。在此采用LM331構(gòu)成V-F轉(zhuǎn)換器。LM331是一種通用集成電路，十分適于用作電壓頻率轉(zhuǎn)換，其輸出脈沖信號(hào)的頻率精確地正比于輸入電壓，它具備電壓頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)。它由1.9V基準(zhǔn)電壓、電流開關(guān)、比較器、雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器等構(gòu)成。V-F轉(zhuǎn)換電路的基本電路圖見圖3。V-F轉(zhuǎn)換電路將電壓輸入轉(zhuǎn)換為頻率輸出，輸出頻率由下式得出

2.3、計(jì)數(shù)率計(jì)電路

為了簡(jiǎn)單直觀，并實(shí)時(shí)地指示V-F轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)頻率的變化趨勢(shì)，也即實(shí)時(shí)指示激光功率的變化趨勢(shì)，采用了計(jì)數(shù)率計(jì)電路方案。它是對(duì)單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，給出正比于輸入脈沖頻率的輸出電壓。計(jì)數(shù)率計(jì)電路是基于電流脈沖對(duì)電容C充電，而電容C又經(jīng)過(guò)與其相并聯(lián)的R放電，通過(guò)測(cè)量電容充放電平衡時(shí)流經(jīng)電阻R的電流，或兩端的電壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖平均計(jì)數(shù)率的測(cè)量。

圖4給出了簡(jiǎn)單的RC電路，假定信號(hào)源產(chǎn)生平均計(jì)數(shù)率為N的輸入電流脈沖Ii(t)，Ii(t)具有恒定的幅度和寬度，每個(gè)電流脈沖包含的電荷為Q?？梢钥闯?，每來(lái)一個(gè)脈沖，電容兩端充有電荷Q，因?yàn)槠骄?jì)數(shù)率為N，則單位時(shí)間內(nèi)電容上的充電電荷為NQ，電容C上的電荷同時(shí)會(huì)通過(guò)電阻R泄放。當(dāng)電容充放電平衡時(shí)，流過(guò)R的放電電流I平均=NQ∝N，R上產(chǎn)生的壓降的平均值V平均=NQR，因此可以從輸出電壓讀出脈沖計(jì)數(shù)率N?？紤]到測(cè)量的精度與電路的實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的RC電路并不能完全滿足要求，從而設(shè)計(jì)了二極管泵電路(圖5a)和改進(jìn)的二極管泵電路(圖5b)等原理電路，可用來(lái)構(gòu)成計(jì)數(shù)率計(jì)電路。

設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)率計(jì)電路是一個(gè)改進(jìn)的二極管泵電路，二極管泵電路的基本原理見圖5a，它由二極管D1和D2、定量電容C1、積分電容C及電阻R組成，圖中Ri為信號(hào)源內(nèi)阻。當(dāng)輸入脈沖到來(lái)時(shí)通過(guò)內(nèi)阻Ri及D1向C1充電，在輸入脈沖過(guò)后，D1截止，C1上的電荷經(jīng)D2和C放電，通常有C C1，C1放電到穩(wěn)態(tài)，原來(lái)充貯在C1上的電荷重新分布到電容C。C在每次充電后它的兩端電壓就升高，如果C和R兩端的電壓升為V平均，則C1放電到穩(wěn)態(tài)時(shí)也V平均，則每次從C1轉(zhuǎn)移到C的電荷Q為(Vi-V平均)C1，由于V平均的存在，每次在C上電荷的增量Q隨著V平均的增加而減少，不是一個(gè)恒定的量。如果輸入脈沖計(jì)數(shù)率為N，則每單位時(shí)間向C充電的電荷為(Vi-V平均)C1N，充放電平衡時(shí)，充電電流與放電電流必相等，即(Vi-V平均)C1N=I平均=V平均/R，則V平均=[NRC1/(1+NRC1)Vi]，由此可見，V平均和N的關(guān)系存在非線性，為了改善二極管泵電路的非線性，在設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)率計(jì)電路時(shí)采用改進(jìn)后的二極管泵電路，基本原理如圖5b所示。它采用運(yùn)算放大器構(gòu)成積分器，A點(diǎn)的電位始終接近于零(虛地)，使輸出V平均的變化與Vi對(duì)C1和C的充電幾乎無(wú)關(guān)，每次脈沖作用時(shí)，C上的電荷增量Q恒定，此時(shí)每單位時(shí)間向C充電的電荷為QN，充放電平衡時(shí)，有QN=I平均=V平均/R，從而使電路的輸出電壓與輸入脈沖計(jì)數(shù)率成線性關(guān)系。

2.4、甄別顯示電路

本單元電路將單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)分6檔顯示，由LED指示。甄別顯示電路(圖6)。主要由運(yùn)算放大器LM339構(gòu)成，當(dāng)輸入電位(在此輸入電壓由計(jì)數(shù)率計(jì)電路的輸出給出)大于相應(yīng)甄別單元預(yù)置電位時(shí)，該甄別單元輸出變?yōu)楦唠娖?，?qū)動(dòng)相應(yīng)的指示LED亮。

3、結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并調(diào)試完成的激光功率計(jì)的變換與顯示電路測(cè)量精度高，工作性能可靠，穩(wěn)定性好，且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。