關(guān)于激光功率計的變換與顯示電路

本文介紹了激光功率計的變換與顯示電路，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時顯示出來，同時具有精度高、線性好、工作穩(wěn)定的特點。

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

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、計數(shù)率計電路、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一路輸出到計數(shù)率計電路，另一路直接作為計數(shù)輸出，計數(shù)輸出可直接送入定標器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。激光功率計的變換與顯示電路結(jié)構(gòu)框圖見圖1。該電路安裝在標準雙寬NIM插件里，在一個雙寬NIM插件里安裝了兩個相對獨立的工作通道，能同時對兩路激光功率計輸出的信號進行采集變換與顯示。

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的測量與數(shù)據(jù)采集的要求，設(shè)計了緩沖放大器，其輸入信號為0～2V。主要由緩沖級與放大兩部分組成。緩沖級是由LF356構(gòu)成的一個跟隨器。放大級由增益粗調(diào)和細調(diào)兩級構(gòu)成。兩級均采用運算放大器LF356構(gòu)成。增益粗調(diào)分為×1、×10、×100三檔，×1檔通過選擇開關(guān)來選擇，×10、×100檔可通過增益調(diào)節(jié)跳線器Jumper進行選擇和設(shè)置。增益細調(diào)級放大倍數(shù)調(diào)節(jié)可通過改變電位器的阻值實現(xiàn)，增益調(diào)節(jié)范圍0～10倍。放大級基本電路結(jié)構(gòu)見圖2。第一級放大倍數(shù)可通過J3、J4兩個跳線器的選擇進行調(diào)節(jié)；第二級放大倍數(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轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的脈沖信號輸出，脈沖信號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。它由1.9V基準電壓、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、計數(shù)率計電路

為了簡單直觀，并實時地指示V-F轉(zhuǎn)換電路輸出信號頻率的變化趨勢，也即實時指示激光功率的變化趨勢，采用了計數(shù)率計電路方案。它是對單位時間內(nèi)輸入的脈沖進行計數(shù)，給出正比于輸入脈沖頻率的輸出電壓。計數(shù)率計電路是基于電流脈沖對電容C充電，而電容C又經(jīng)過與其相并聯(lián)的R放電，通過測量電容充放電平衡時流經(jīng)電阻R的電流，或兩端的電壓，來實現(xiàn)脈沖平均計數(shù)率的測量。

圖4給出了簡單的RC電路，假定信號源產(chǎn)生平均計數(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，每個電流脈沖包含的電荷為Q?？梢钥闯?，每來一個脈沖，電容兩端充有電荷Q，因為平均計數(shù)率為N，則單位時間內(nèi)電容上的充電電荷為NQ，電容C上的電荷同時會通過電阻R泄放。當電容充放電平衡時，流過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數(shù)率N。考慮到測量的精度與電路的實現(xiàn)，簡單的RC電路并不能完全滿足要求，從而設(shè)計了二極管泵電路（圖5a）和改進的二極管泵電路（圖5b）等原理電路，可用來構(gòu)成計數(shù)率計電路。

設(shè)計的計數(shù)率計電路是一個改進的二極管泵電路，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為信號源內(nèi)阻。當輸入脈沖到來時通過內(nèi)阻Ri及D1向C1充電，在輸入脈沖過后，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，不是一個恒定的量。如果輸入脈沖計數(shù)率為N，則每單位時間向C充電的電荷為（Vi-V平均）C1N，充放電平衡時，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)計計數(shù)率計電路時采用改進后的二極管泵電路，基本原理如圖5b所示。它采用運算放大器構(gòu)成積分器，A點的電位始終接近于零（虛地），使輸出V平均的變化與Vi對C1和C的充電幾乎無關(guān)，每次脈沖作用時，C上的電荷增量Q恒定，此時每單位時間向C充電的電荷為QN，充放電平衡時，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間內(nèi)的計數(shù)分6檔顯示，由LED指示。甄別顯示電路（圖6）。主要由運算放大器LM339構(gòu)成，當輸入電位（在此輸入電壓由計數(shù)率計電路的輸出給出）大于相應(yīng)甄別單元預(yù)置電位時，該甄別單元輸出變?yōu)楦唠娖?，?qū)動相應(yīng)的指示LED亮。

3、結(jié)束語

設(shè)計并調(diào)試完成的激光功率計的變換與顯示電路測量精度高，工作性能可靠，穩(wěn)定性好，且各項技術(shù)指標達到了設(shè)計要求。