高精度光學(xué)斬波器對(duì)光信號(hào)的調(diào)制 - 全文

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

在光測(cè)量應(yīng)用中，有時(shí)需要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以便光電變換后的選頻放大和相干檢測(cè)。我們可以使用光學(xué)斬波器來(lái)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。光學(xué)斬波器通過(guò)控制葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片周期性地阻斷光源發(fā)出的連續(xù)的光，從而把光信號(hào)調(diào)制成等時(shí)斷續(xù)的光信號(hào)。

在光學(xué)研究中，有時(shí)候要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，而待測(cè)的光信號(hào)可能很微弱，而且受到很多信號(hào)的干擾，甚至出現(xiàn)干擾信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于待測(cè)光信號(hào)的情況。此時(shí)如果知道有用信號(hào)的頻率值，就可以使用鎖相放大器來(lái)測(cè)量這些淹沒(méi)在噪聲中的信號(hào)。而光學(xué)斬波器可以為鎖相放大器提供參比信號(hào)。光學(xué)斬波器通過(guò)對(duì)光學(xué)信號(hào)的調(diào)制，將光輻射信號(hào)調(diào)制成交變信號(hào)，輸出與調(diào)制頻率同步的參考電壓方波，從而為鎖相放大器提供一個(gè)準(zhǔn)確的參比信號(hào)，以便鎖相放大器能夠識(shí)別出有用的微弱信號(hào)。使用光學(xué)斬波器進(jìn)行的一個(gè)單光路實(shí)驗(yàn)的過(guò)程如圖 1所示。

圖 1 單光路實(shí)驗(yàn)過(guò)程

由于光學(xué)斬波器既能對(duì)被測(cè)光進(jìn)行調(diào)制外，又能同時(shí)輸出與調(diào)制頻率同步的參考電壓方波，作為鎖定放大器的參考信號(hào)，所以光學(xué)斬波器特別適用于采用鎖定放大器的激光、光學(xué)或微波測(cè)量系統(tǒng)。

1.2 項(xiàng)目背景

目前市面上成熟的光學(xué)斬波器產(chǎn)品主要有：美國(guó)斯坦福研究系統(tǒng)公司的 SR540；美國(guó)Signal Recovery公司（前EG&G公司）包括Model 650系列（651－1，652－1，652－2），Model 197，Model 198A；英國(guó)Scitec公司Model-300C系列（300CD、 310CD、320CD、340CD、350CD、360C）、Model-C995；美國(guó)TTI公司C-995光學(xué)斬波器； 日本HORIBA公司的ACH-C。這些產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定度都很高，它們的主要技術(shù)指標(biāo)如表 1。

表 1主流光學(xué)斬波器技術(shù)參數(shù)

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)只看到哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動(dòng)檢測(cè)與過(guò)程控制系統(tǒng)研究所研究的HIT-3型光學(xué)斬波器，可在20Hz～6kHz的頻率范圍對(duì)被測(cè)光進(jìn)行調(diào)節(jié)，頻率穩(wěn)定性：《0.1%。由于光學(xué)斬波器很高的穩(wěn)定性、可靠性，才能被市場(chǎng)認(rèn)同，現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)的光學(xué)斬波器并未被廣泛推廣。

現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中用的光學(xué)斬波器都是進(jìn)口的，價(jià)格較貴，而且購(gòu)買不方便。現(xiàn)在借這次機(jī)會(huì)來(lái)研究光學(xué)斬波器，制作出光學(xué)斬波器并將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，取代目前實(shí)驗(yàn)室的光學(xué)斬波器。

二、需求分析

2.1 功能要求

光學(xué)斬波器對(duì)斬波穩(wěn)定度要求很高，這就要求光學(xué)斬波器的機(jī)械部分精度要高，需要選用機(jī)械性能較好的電機(jī)，采用一般的電機(jī)是難以達(dá)到這個(gè)穩(wěn)定度的。其次，系統(tǒng)要求的斬波的范圍很廣，要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠比較高，同時(shí)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)葉片的孔數(shù)，增大斬波的范圍。系統(tǒng)對(duì)斬波速度有要求，這要求系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析時(shí)要考慮系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。要求能實(shí)現(xiàn)外部時(shí)鐘（TTL電平）的同步斬波。這要求系統(tǒng)能夠根據(jù)外部的參考信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的鎖定。在控制光學(xué)斬波器斬波頻率時(shí)，為了能夠快速穩(wěn)定速度，需要通過(guò)負(fù)反饋，經(jīng)過(guò)PID算法控制斬波電機(jī)轉(zhuǎn)速；因此需要實(shí)時(shí)測(cè)定斬波電機(jī)的速度，及時(shí)反饋給MCU，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。實(shí)際使用時(shí)需要用LCD顯示相關(guān)信息，需要建立一個(gè)顯示系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

斬波穩(wěn)定度達(dá)到千分之一；

斬波速度鎖定時(shí)間 《 5 seconds ；

斬波速度可調(diào)，范圍為10Hz-5KHz ；

實(shí)現(xiàn)外部時(shí)鐘（TTL電平）同步斬波 ；

LCD顯示斬波速度，顯示精度為1mHz ；

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)

為了提高斬波頻率精確度，并保證其穩(wěn)定性，我們選擇了步進(jìn)電機(jī)。相比于普通直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)能更好地控制轉(zhuǎn)速。在非超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響；每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。只要控制好脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，就能達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到精確調(diào)速的目的。

對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)可以使用L297配合L298來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而使得MCU能夠很方便地通過(guò)PWM波來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。L297是意大利SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號(hào)，可用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如下圖2所示，具體驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖見(jiàn)圖3。

圖3 L297配合L298驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

圖4 具體驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖

斬波扇葉設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要在一個(gè)比較大的頻率范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以把葉片設(shè)計(jì)為內(nèi)圈和外圈葉縫數(shù)目不一樣，這樣可以很方便地?fù)Q用各個(gè)檔位，根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇使用內(nèi)圈或者外圈。葉片的設(shè)計(jì)圖如圖4所示，當(dāng)使用低頻時(shí)使用內(nèi)圈，高頻段時(shí)使用外圈。葉片要求孔徑的精度很高，保持葉片斬波輸出的方波信號(hào)的均勻性，所以葉片要求的加工精度很高。為了避免由于旋轉(zhuǎn)時(shí)離心對(duì)斬波器的影響，葉片不宜太重，因此需要盡可能減小葉片的厚度。

圖5斬波器斬波扇葉設(shè)計(jì)圖樣

轉(zhuǎn)速控制機(jī)理

為了精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到穩(wěn)定斬波的目的，并能快速穩(wěn)定斬波頻率，需要一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使用PID算法便能很好滿足這一要求。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制器根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量，進(jìn)而對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確的控制。

應(yīng)用PID算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行的調(diào)速系統(tǒng)如下圖5所示，r（k）為電機(jī)轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值，y（k）為當(dāng)前測(cè)得值，兩者之差e（k）被反饋給PID控制器，MCU對(duì)e（k）進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，輸出調(diào)整值u（k），進(jìn)而調(diào)整y（k），使之與r（k）逐步接近。

圖6電機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制系統(tǒng)

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

控制MCU的選擇

本實(shí)例對(duì)MCU的基本要求：

需要定時(shí)器產(chǎn)生PWM波，用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

實(shí)時(shí)測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。

進(jìn)行快速PID運(yùn)算，及時(shí)調(diào)整輸出PWM波頻率，快速穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。

可用LCD擴(kuò)展口，顯示斬波頻率設(shè)定與實(shí)測(cè)值。

擴(kuò)展輸入鍵盤，用以對(duì)斬波頻率的設(shè)定和PID算法各參數(shù)的設(shè)定。

保留通訊接口，便于與上位機(jī)相連。

可通過(guò)USB或者串行口與PC機(jī)連接，便于實(shí)際運(yùn)行調(diào)試。

綜合考慮系統(tǒng)需求與成本，愛(ài)特梅爾公司的8位微控制器ATmega128A1是比較理想的選擇。ATmega128A1擁有128KB的Flash，8KB的SRAM，可以存儲(chǔ)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了達(dá)到精確控制，PID算法的實(shí)現(xiàn)需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，剛好需要用到256KB的存儲(chǔ)空間。而且為了精確控制轉(zhuǎn)速，需要反饋的信息進(jìn)行大量的計(jì)算，因此對(duì)MCU的性能也有較高的要求，ATmega128A1的速度能達(dá)到32MHz，將大大縮小計(jì)算的花銷。

步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)

設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如下圖7所示，具體驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖見(jiàn)圖8。

圖7 L297配合L298驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

圖8 具體驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖

硬件整體架構(gòu)

整體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)流程

測(cè)速及顯示程序流程圖如10所示。

（a）顯示程序流程圖 （c）定時(shí)器T1溢出中斷流程圖

主程序流程圖如圖11所示。

圖11 主程序流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

斬波穩(wěn)定度達(dá)到千分之一；

斬波速度鎖定時(shí)間 《 5 seconds ；

斬波速度可調(diào)，范圍為10Hz-5KHz ；

實(shí)現(xiàn)外部時(shí)鐘（TTL電平）同步斬波 ；

LCD顯示斬波速度，顯示精度為1mHz ；