基于高速AD的激光扫描高频信号幅值测量系统设计

Z扫描是一种应用于光学非线性测量的方法，使用这种方法可以测量光学材料非线性折射率的大小、正负以及非线性吸收系数。因为通过光学材料的激光能量大小与光电接收器转换后获得的电压幅值成某种比例关系，因此通过测量光电接收器转换后的电压幅值就可以很方便地计算出光学材料的非线性折射率大小、正负以及非线性吸收系数。由于光脉冲的宽度较窄，其宽度约为几个ns，因此通常采用高频数字示波器测量其信号的幅值，然而高频数字示波器虽然能够得到准确的数据，但是其价格昂贵，体积较大，不适合形成一个独立的光学测量系统。本文给出的测量系统，采用高速并行A／D转换的方法，不但能够实时检测出光电转换后的电压幅值的数据，同时通过高速并行比较器基准电压的调节能自动滤除不需要的数据，避免了PC机处理大量冗余数据，有效缩短了数据采集的周期。  

1 测量系统总体结构  

Z扫描测量系统如图1所示，包括激光器、分光镜、聚光透镜组、被测样品、反射镜和光电转换二极管。高频窄脉冲信号幅值测量系统组成如图1所示，系统主要包括三个部分，如图2所示。



  
(1)信号转换部分，通过样品折射后的高斯光束经反射镜反射到光电二极管，光电二极管将光信号转换成模拟电信号，模拟电信号经高速并行A／D转换器转换为数字信号，并送数据锁存器锁存。  
(2)数据处理部分，经A／D转换后的数字信号送入数据锁存器锁存，单片机通过缓冲器读取锁存器的数据，并将数据编码。  
(3)数据传输部分，经编码后的数据传送给PC机，由PC机进行存储、打印、绘图等操作。  

2 硬件电路  

测量系统采用ATMEL公司的AT89C52作为控制器，由信号转换，信息处理，数据传送三部分组成。  

2．1 信号转换  

测量系统测量的对象是高频窄光脉冲信号，光脉冲的平均宽度仅为4 ns，所以信号转换电路和数据采集电路均要采用具有高频特性的电路，系统选用DETl0A／M高速光电二极管作为光电转换器，DETlOA／M的工作频率为1 GHz。并行A／D转换器中的比较器选用MAX964ESE高速比较器，其上升沿典型值为2．3 ns，失调电压为±2．0 mV，工作电压：2．7，～5．5V，内含4个比较器，图3中给出了1片MAX964ESE的连接电路。从比较器输出的信号送数据锁存器，数据锁存器采用高速、低功耗D触发器74AC74。测量开始，通过P1．0将D触发器的所有输出端清“O”，当光脉冲信号出现时，在D触发器的输出端将出现与脉冲幅度相对应的数据。测量系统共使用了4片MAX964ESE，8片D触发器74AC74，选择了16个比较点，电压范围从450～900 mV，相邻两个比较点的电压为30 mV。为保证测量的准确，基准电压由基准电压源TL431提供。  

2．2 信号处理  

AT89C52通过74LS244读取数据锁存器74AC74输出的16位并行信号，对数据进行甄别，剔除干扰信号，将数据进行编码后存入数据存储器。图4给出了信号处理部分原理图。  


  
2．3 数据信号传输部分  

测量系统没有安排专门的显示器，因此测量数据无法直接观察，这是因为数据较多，小屏幕LCD显示屏不能满足观察要求。系统采用将数据传送给PC机的方法，由PC机完成数据的制表、绘图等工作。系统与PC机串行通信采用RS 232C接口，通信速率为4 800 b／s。  

3 软件设计  

测量系统的软件分为两部分，一是单片微机部分，单片微机的软件设计采用模块化设计的方法，主要分为如下几个软件模块：主程序、数据采集、数据处理和通信。由于单片微机的主要功能是控制，并不承担大量的数据运算，所以软件采用汇编语言编程，图5所示是主程序模块和通信模块流程图。由于系统采集的是离散的微弱信号，因此必须对数据进行甄别处理，系统采用较为简单的数字滤波方法——程序判断法，剔除了干扰信号。

  
软件的另一部分是PC机部分，PC机部分软件主要是串口通讯程序，串口通讯程序使用VC++中的MSComm控件来编译串口通讯的应用程序，采用MSComm32．OCX控件，其特点是操作简单，功能强大。  

使用控件的属性进行串口的设置，使用控件的事件驱动进行串口响应，使用控件的方法完成串行口接收和发送数据。其主要属性、事件如下：  

CommPort：表示通信端口coml，com2的名字；  
Settings：设置波特率、校验位、数据位、停止位；  
ParityReplace：当发生奇偶校验错误时，设置并返回替换数据流中的一个非法字符；  
PortOpen：用于打开和关闭串；  
InBufferSize：设置并返回接收缓冲区的大小，以字符为单位；  
Rthreshold：设置并返回接收时产生的OnComm事件数；  
NULLDiscard：设置是否忽略发送0(NULL)字符；  
InputMode：设置并返回接收类型，ComInput—Mo．deText是字符方式，CornlnptltModebinary是二进制方式；  
InputLen：设置并返回从接收缓冲区读取的字符。  

4 实验结果分析  

通过Z扫描系统获得的光脉冲信号，在高频数字示波器上显示的图像如图6所示，通过观察并统计，其宽度约为4～5 ns，幅值在650～950 mV之间变化。  

  
采用本测量系统得到的一组数据如表1所示。将这些数据转换后得到如图7所示的脉冲信号，其幅值与高频数字示波器上显示的图像信号的幅值完全吻合，说明测量系统测量的数据准确。测量系统相邻两个比较点的电压为30 mV。光脉冲的幅值变化范围为：700～950 mV，因此其测量误差约为：±3％～±5％。  

5 结 语  

由于Z扫描光学测量系统仅需要获取光脉冲信号的幅值，不难看出本文所给出的设计完全可以达到Z扫描实验系统对数据采集的要求。由此使Z扫描实验系统大大简化，并且可以实时采集数据。当然由于并行A／D需要的硬件较多，所以其幅值的分辨率较低，如需进一步提高分辨率，降低误差，则要增加硬件。