激光計(jì)時(shí)裝置設(shè)計(jì)

錢 儂

（蘇州大學(xué)物理科技與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

激光具有相干性、單色性、方向性等很多優(yōu)良性質(zhì).激光器種類繁多，分氣體、固體和其他激光器（如準(zhǔn)分子等）.我們用的較多的是氣體激光器，它工作物質(zhì)均勻一致，保證了激光束的優(yōu)良光束質(zhì)量，使大部分的氣體激光器能產(chǎn)生接近高斯分布的光束模式.譜線范圍廣，有數(shù)百種氣體可以產(chǎn)生激光，已經(jīng)觀測(cè)到的激光譜線接近萬(wàn)余條，既能連續(xù)又能脈沖工作，且效率高，輸出激光功率大，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國(guó)防、材料加工、醫(yī)療、測(cè)量、能源、通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在這里設(shè)計(jì)利用He－Ne激光器來進(jìn)行發(fā)射和PY1接收放大，利用分頻器對(duì)時(shí)基信號(hào)進(jìn)行分頻計(jì)時(shí).

實(shí)驗(yàn)1.前置放大.

本系統(tǒng)中，由于激光接收頭得到的信號(hào)比較微弱，而且存在背景及接收器本身有源和無源電路產(chǎn)生的噪聲，所以必須增加高增益和低噪聲的前置放大器，進(jìn)行濾波、放大、修整.一般情件況下，可用運(yùn)算放大器來完成，在這里選用HA17324四運(yùn)放.圖1是HA17324運(yùn)放的工作電路圖，圖2是四運(yùn)放的內(nèi)部框圖.工作原理是PY1檢測(cè)到信號(hào)后，由PY12腳輸出很微弱的電信號(hào)，經(jīng)低通濾波后送到IC10腳，信號(hào)進(jìn)行一級(jí)消噪放大，此放大倍數(shù)很小，放大后信號(hào)從8腳輸出，由電容C8耦合到IC的6腳做二級(jí)信號(hào)放大，提高了穩(wěn)定性和抗干擾性.IC的另外兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成窗口式電壓比較器，當(dāng)IC的7腳電壓在Ua和Ub之間時(shí)，IC的1腳和14腳均無輸出；當(dāng)7腳電壓大于Ub時(shí)，IC的14腳輸出高電平，當(dāng)7腳電壓小于Ua時(shí)，IC的1腳輸出高電平.經(jīng)過D1D2互相隔離及邏輯或的作用從P點(diǎn)輸出控制脈沖信號(hào).其中R11用于設(shè)定窗口的閾值電平，調(diào)節(jié)R11可調(diào)節(jié)檢測(cè)器的靈敏度.HA17324各引腳的實(shí)測(cè)工作電壓如表1.（用MF47型萬(wàn)用表測(cè)得）

表1

圖1

圖2

通過測(cè)量可知，放大器有信號(hào)輸入時(shí)，它的1腳和14腳輸出3.8V脈沖信號(hào).

實(shí)驗(yàn)2.門控電路和連接電路.

門控電路是由與非門和反相器構(gòu)成，電路如圖3，其中加入了連接電路圖4.門控電路輸入信號(hào)端接收從前置放大電路傳來的信號(hào).如為高電平，三極管導(dǎo)通，微小繼電器通電工作，常閉開關(guān)斷開，下一三極管導(dǎo)通，在A點(diǎn)產(chǎn)生低電平“0”，經(jīng)反相器再與控制信號(hào)進(jìn)入與非門，可在控制信號(hào)端加一高電平信號(hào)（可直接接在電源上，這樣在開啟裝置時(shí)就有高電平輸入），與非之后再經(jīng)過一個(gè)反相器后，信號(hào)L送入下一級(jí).如果輸入信號(hào)處于低電平的情況下，不能使三極管導(dǎo)通，繼電器不能工作，常閉開關(guān)閉合，A是高電平，最后得到信號(hào)L為“0”.

圖3

圖4

設(shè)計(jì)如圖4的一個(gè)連接電路，是為了使電路相互隔離，互相獨(dú)立，這樣既可以使電路模塊化，可以使它們不互相影響，還可以起到保護(hù)電路的目的.電路如右圖所示，它通過一微小繼電器在不同信號(hào)下控制電路工作，其中，調(diào)節(jié)Rb可以使三極管飽和導(dǎo)通.

實(shí)驗(yàn)3.鐘控電路部分.

鐘控電路是此計(jì)時(shí)裝置的又一組成模塊，它是由計(jì)時(shí)電路、編譯碼電路、顯示電路和控制電路組成.主要起到記錄時(shí)間、顯示時(shí)間和開機(jī)清零的作用.下面分別介紹一下電路.

（1）振蕩電路.

該系統(tǒng)中采用石英晶體振蕩器.石英晶體等效電路符號(hào)和阻抗頻率特性如圖5所示.

圖5

由阻抗頻率響應(yīng)可知，石英晶體的選頻特性非常好，它有一個(gè)極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率fs，且等效品質(zhì)因素Q值很高.只有頻率為fs的信號(hào)最易通過，而其他頻率的信號(hào)均會(huì)被衰減.石英晶體振蕩器電路如圖6所示，圖中并聯(lián)在兩個(gè)反相器輸入、輸出間的電阻R的作用是使反相器工作在線性放大區(qū).R的阻值，對(duì)于TTL門電路通常在0.7～2kΩ之間；對(duì)于CMOS門則常在10～100MΩ之間.電路中，電容C1用于兩個(gè)反相器間的耦合，而C2的作用，則是抑制高次諧波，以保證穩(wěn)定的頻率輸出.電容C2的選擇應(yīng)使2πRC2fs≈1，從而使RC2并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在fs處產(chǎn)生極點(diǎn)，以減少諧振信號(hào)損失.C1的選擇應(yīng)使C1在頻率為fs時(shí)的容抗可以忽略不計(jì).下左圖的振蕩電路是另一種接法，它僅取決于石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fs，而與電路中的R、C的數(shù)值無關(guān).這是因?yàn)殡娐穼?duì)fs頻率所形成正反饋?zhàn)顝?qiáng)而易于維持振蕩.

圖6

選用8～16pf微調(diào)電容，以對(duì)振蕩頻率作微量調(diào)整.從精度考慮，振蕩頻率越高，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度就越高，但這樣會(huì)使分頻器的級(jí)數(shù)增加.所以，要確定好振蕩頻率和分頻器級(jí)數(shù)還有分頻的次數(shù).此設(shè)計(jì)中100kHz振蕩頻率需要將它變成周期為1s的脈沖信號(hào)，為此，需對(duì)它進(jìn)行5級(jí)十分頻實(shí)現(xiàn)，采用五片C180同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器組成分頻器.如圖7，當(dāng)控制端EN＝1時(shí)，CP上升沿到來時(shí)計(jì)數(shù)；CP＝0時(shí)，EN下降沿到來時(shí)計(jì)數(shù).Cr為正脈沖置零端，QD為十分頻輸出，將十分頻器串聯(lián)起來，如圖7所示.由QD5得到周期為1s的秒信號(hào)，由QB5得到周期為0.4s的秒信號(hào)，在此設(shè)計(jì)中，我們要的就是周期為1s的秒信號(hào)，即QD5的輸出端信號(hào).

圖7

（2）編碼﹑譯碼顯示電路.

前面利用石英晶體振蕩電路來輸出頻率一定的脈沖，利用分頻器得到所需的時(shí)基信號(hào)脈沖，再把此脈沖加到計(jì)數(shù)電路上.脈沖送到4518構(gòu)成的二進(jìn)制編碼電路，每輸入一個(gè)脈沖.輸出腳就進(jìn)一位.輸出的BCD碼經(jīng)過解碼電路驅(qū)動(dòng)LED顯示.電路圖如圖8所示.

圖8

（3）單穩(wěn)態(tài)延時(shí)控制電路.

控制電路的主要作用是自動(dòng)控制編碼﹑譯碼顯示電路的開啟、清零，為下次測(cè)量做準(zhǔn)備.它是用一片555電路做成的.它內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化原理如下圖所示，由3個(gè)阻值為5kΩ的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電BJT T以及緩沖器G組成，如圖9

圖9

圖10

圖中RD為復(fù)位輸入端，當(dāng)RD 為低電平時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出V0（3腳）為低電平.因此在正常工作時(shí)，應(yīng)將其接高電平.由圖可知，當(dāng)5腳懸空時(shí)，比較器C1和C2的比較電壓分別為2／3 Vcc和1／3 Vcc.555定時(shí)器作成的單穩(wěn)態(tài)電路如圖10所示，電路中RP、R2、C1決定延時(shí)清零時(shí)間，在上面的控制電路中，其工作原理是：當(dāng)3腳輸出為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，則繼電器工作，常開閉合，電源就導(dǎo)通，控制編碼﹑譯碼顯示電路開啟工作；反之，當(dāng)3腳輸出為低電平時(shí)，三極管截止，繼電器不工作，電源斷開.

總圖：激光計(jì)時(shí)裝置電路涉及到光電轉(zhuǎn)換電路PY1﹑運(yùn)算放大電路﹑門控電路﹑連接電路﹑時(shí)鐘振蕩電路﹑分頻電路﹑編碼和譯碼顯示電路和控制電路等幾個(gè)方面，設(shè)計(jì)起來比較復(fù)雜，但在設(shè)計(jì)過程中始終貫穿模塊化的理念，不同模塊相互之間的聯(lián)系盡可能的少（可用連接電路連接），一個(gè)模塊在邏輯上盡可能獨(dú)立，有完整單一的功能.在這個(gè)設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)用于小球在液體中下落的計(jì)時(shí)，具體的電路框如圖11.

圖11

首先來介紹上面的部分，由于已經(jīng)在前面具體的介紹了各個(gè)模塊電路，這里就不在重復(fù)了.根據(jù)電路框圖，具體如下：小球下落過程中，擋一下上面激光束（圖12），上端接收器接收到信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)過放大，進(jìn)入隔離電路和主控門電路，之后控制可控硅導(dǎo)通（在電源和可控硅之間有一個(gè)繼電器2，它是常閉的），從而使時(shí)鐘電路工作，再把時(shí)鐘信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器累加，最后進(jìn)行編碼，譯碼和顯示.這個(gè)階段是小球下落進(jìn)行計(jì)時(shí)的過程.

圖12

在小球到達(dá)下面激光束時(shí)，下端接收器收到信號(hào)（圖13），輸出一個(gè)脈沖，進(jìn)行放大.然后信號(hào)一路傳給三極管，三極管導(dǎo)通，則繼電器2工作，常閉開關(guān)斷開，可控硅斷開，則時(shí)鐘電路停止工作；還有一路是接555延時(shí)控制電路，延時(shí)一段時(shí)間后，控制三極管導(dǎo)通，繼電器3通路，常開開關(guān)閉合，譯碼顯示電路延時(shí)清零.具體的工作電路如下.

在上面的這些電路中，可控硅起到關(guān)鍵作用，有必要介紹一下.可控硅是一種控制器件，它可以控制開關(guān)，可以用微小的功率控制較大的功率，在隨動(dòng)系統(tǒng)中有廣泛的作用.它有三個(gè)腳組成，即陽(yáng)極 A、陰極C和控制極G.當(dāng)控制極電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)（一般為幾十mA），陰極與陽(yáng)極之間導(dǎo)通，且管壓降很小，約為1.0V.可控硅一旦導(dǎo)通后，控制極不再起作用，保持導(dǎo)通狀態(tài)，若想要斷開，應(yīng)將陽(yáng)極電流減小到某一數(shù)值或加反電壓.

激光計(jì)時(shí)裝置的設(shè)計(jì)主要是為了適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)研究的需要，它能夠解決以前實(shí)驗(yàn)中的系統(tǒng)誤差問題，大大提高實(shí)驗(yàn)的效率.如果加以改進(jìn)，這個(gè)裝置還可以用于其他很多方面.比如說交通，報(bào)警，體育等等方面，具有很大的開發(fā)利用價(jià)值.

在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，由于激光束通過液體時(shí)會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，方向不集中，造成激光束不易對(duì)準(zhǔn)，PY1不易檢測(cè)到.可通過可降低發(fā)射管的限流電阻（150Ω降至20Ω）提高發(fā)射功率，同時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)放R11閾值電平靈敏度，可得到滿意效果.這同時(shí)也給了筆者一個(gè)啟發(fā)，即用在倉(cāng)庫(kù)里作為近物點(diǎn)的煙感報(bào)警器時(shí)，可降低發(fā)射管的限流電阻，降低發(fā)射功率至接收臨界點(diǎn)，達(dá)到有煙霧使激光束發(fā)生散射現(xiàn)象時(shí)可迅速報(bào)警的目的.

圖13

1 秦誠(chéng).醫(yī)用電子學(xué)及實(shí)驗(yàn)（第1版）.北京：原子能出版社，1992.

2 最新集成電路應(yīng)用大全（第1版）.北京：北京希望電腦公司，1995.

3 電子報(bào)（95年合訂本）.成都：成都大學(xué)出版社，1995.

4 康華光.電子基礎(chǔ)－數(shù)字部分（第5版）.北京：高等教育出版社，2006.