基于AD采樣的激光穩(wěn)頻自動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)

張 珍

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

為長(zhǎng)期有效的探測(cè)到高空鈉層熒光，必須使脈沖染料激光器的輸出激光波長(zhǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定在鈉原子的共振波長(zhǎng)上。但由于溫度、氣壓、振動(dòng)等原因，染料激光器在工作時(shí)波長(zhǎng)很容易偏離這一數(shù)值。通常采用人工手動(dòng)調(diào)整波長(zhǎng)的方式，但這不僅增加了激光器運(yùn)行的復(fù)雜程度，還會(huì)造成人為誤差因素，影響探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

激光器在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用十分廣泛，如在共振熒光激光雷達(dá)和差分吸收激光雷達(dá)中，都要求使用可調(diào)諧脈沖激光器，脈沖染料激光器就是其中最常用的一種［1］。在這類激光雷達(dá)中，不僅要求脈沖染料激光器的波長(zhǎng)能準(zhǔn)確地調(diào)整到被探測(cè)原子分子的吸收波長(zhǎng)上，而且要求它一經(jīng)調(diào)定就長(zhǎng)期穩(wěn)定不變。后一要求通常很難達(dá)到。目前，在工程應(yīng)用上，一般是采用在激光雷達(dá)工作過(guò)程中定期地對(duì)其輸出波長(zhǎng)進(jìn)行人為的校正調(diào)整。校正調(diào)整越頻繁，激光雷達(dá)探測(cè)精度越高。這種辦法不僅非常麻煩，而且在兩次校正調(diào)定之間，激光雷達(dá)的探測(cè)精度也會(huì)受到波長(zhǎng)漂移的影響。

1 激光穩(wěn)頻自動(dòng)控制的需求分析

由于激光器產(chǎn)生的激光與基準(zhǔn)源進(jìn)行比較，獲得一個(gè)與激光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，要想獲得此模擬信號(hào)大小，必須采用模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）對(duì)其進(jìn)行量化，將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后，再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理與分析，最后反饋控制激光器的發(fā)射激光波長(zhǎng)。不僅如此，由于激光的脈沖寬度為數(shù)十納秒（～10ns），其激發(fā)的共振熒光也在幾個(gè)微秒以內(nèi)，因此，必須采用高速AD轉(zhuǎn)換才能準(zhǔn)確獲得此脈沖信號(hào)的峰值。

2 激光穩(wěn)頻自動(dòng)控制的方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)頻自動(dòng)控制，我們使用一種原子分子穩(wěn)頻的脈沖染料激光器，該激光器采用一種原子分子頻率基準(zhǔn)源對(duì)輸出脈沖染料激光進(jìn)行鑒頻和穩(wěn)頻。提供該激光器的穩(wěn)頻方法，該方法通過(guò)微處理器對(duì)鑒頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理獲得激光頻率偏離的誤差信號(hào)，通過(guò)反饋控制光柵轉(zhuǎn)角，達(dá)到將脈沖染料激光器的輸出頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定在原子分子頻率基準(zhǔn)的目的。穩(wěn)頻電路采用智能控制，而不采用通常的差分或鎖相模擬電路控制，提高了穩(wěn)頻激光器的抗干擾能力和自動(dòng)化程度，有利于提高它在共振熒光和差分吸收激光雷達(dá)中應(yīng)用的效果［2］。其原理框圖如圖1所示。

圖1 脈沖染料激光器原子穩(wěn)頻原理框圖

其原理為：從染料激光器的輸出光中分出一小部分送入鈉原子共振泡中，共振泡輸出信號(hào)的大小代表染料激光器的波長(zhǎng)與鈉原子共振波長(zhǎng)的一致程度。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和適當(dāng)延時(shí)后，送入采樣保持電路，將原子共振泡脈沖輸出信號(hào)的峰值變成相應(yīng)的直流信號(hào)。該直流信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)不停地通過(guò)該直流信號(hào)的變化來(lái)判斷染料激光器的波長(zhǎng)與鈉原子共振波長(zhǎng)的相對(duì)關(guān)系，并通過(guò)快速控制染料激光器的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)元件，使染料激光器的波長(zhǎng)一直處在與鈉原子共振波長(zhǎng)一致的狀態(tài)。

3 激光穩(wěn)頻自動(dòng)控制電路中元器件的選取

AD781采用低功耗八腳小型DIP封裝，非常適用于高密度布局電路。AD781能在700ns時(shí)間內(nèi)跟蹤輸入信號(hào)并達(dá)到滿量程，其保持誤差僅為0.01μV／μs，并具有很好的線性和優(yōu)良的直流和動(dòng)態(tài)性能。因此AD781也非常適合12bit和14bit高速采樣保持放大器。AD781是一種完整的采樣保持放大器，它內(nèi)含保持電容，無(wú)需外接元件與外部調(diào)整。AD781采樣保持放大器在精度和速度方面十分適用于12bit AD轉(zhuǎn)換器。它具有快速的采樣和保持建立時(shí)間，并有良好的驅(qū)動(dòng)能力，因此AD781適用于快速、高精度的AD應(yīng)用場(chǎng)合。

經(jīng)過(guò)ADC量化后的數(shù)字量要送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理與分析，由于CPU與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設(shè)之間按串行方式傳輸，因此，在串行接口中，必須要有接收移位寄存器（串→并）和發(fā)送移位寄存器（并→串）。為了完成上述串行接口的任務(wù)，串行通信接口電路一般由可編程的串行接口芯片、波特率發(fā)生器、EIA與TTL電平轉(zhuǎn)換器以及地址譯碼電路組成。其中，串行接口芯片隨著大規(guī)模繼承電路技術(shù)的發(fā)展，通用的同步（USRT）和異步（UART）接口芯片種類越來(lái)越多，它們的基本功能是類似的，都能實(shí)現(xiàn)上面提出的串行通信接口基本任務(wù)的大部分工作，且都是可編程的。使用這些芯片作為串行通信接口電路的核心芯片，會(huì)使電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。使用MAX232芯片可以將PC機(jī)串行口的RS－232C電平轉(zhuǎn)換為TTL標(biāo)準(zhǔn)電平。對(duì)于TTL電平轉(zhuǎn)換器則采用了RS－485通信芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 硬件制作與軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

此次設(shè)計(jì)的硬件部分在Protel DXP 2004環(huán)境中實(shí)施，首先根據(jù)每個(gè)芯片的特性繪制電路原理圖及元器件封裝，然后由原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表，最后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)表繪制PCB板。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為Kiel51軟件編程、asm匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言、編程器和Labview軟件編程設(shè)計(jì)［3］等。其中圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW的出現(xiàn)為串口調(diào)試與數(shù)據(jù)分析帶來(lái)了極大方便。

5 基于AD采樣的激光穩(wěn)頻自動(dòng)控制電路的自動(dòng)穩(wěn)頻測(cè)試

綜合上面軟硬件部分的設(shè)計(jì)該原子穩(wěn)頻脈沖染料激光器已經(jīng)正常運(yùn)行。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該穩(wěn)頻方法十分有效。首先，使用該穩(wěn)頻器后，一個(gè)晚上可以不用人為調(diào)整染料激光器的波長(zhǎng)。其次，從激光雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)來(lái)看，一個(gè)晚上的穩(wěn)定性非常優(yōu)越，比人為調(diào)整時(shí)信號(hào)信號(hào)隨調(diào)整者變化好得多。另外為了檢驗(yàn)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)是否準(zhǔn)確，在觀察波長(zhǎng)調(diào)節(jié)期間，當(dāng)每次波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)整好后，根據(jù)平時(shí)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行兩者對(duì)比，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)最大誤差范圍不超過(guò)0.2格，這也就是人眼能調(diào)節(jié)的最大靈敏度范圍，如果不仔細(xì)調(diào)節(jié)，手動(dòng)調(diào)節(jié)誤差要比0.2格大得多。通過(guò)采用上述這些技術(shù)措施，既提高了鈉層熒光激光雷達(dá)的性能，又提高了其自動(dòng)化和實(shí)用化程度，為晝夜連續(xù)觀測(cè)提供了保障。

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，在越來(lái)越多的領(lǐng)域都用到了AD采樣、串口通信以及激光技術(shù)來(lái)傳輸信號(hào)，它們與一般的技術(shù)相比有一個(gè)最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是傳輸速度快，能更好的對(duì)議器設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，能夠提高工作效率。因此在以后的發(fā)展中AD采樣和串口通信會(huì)在越來(lái)越多的設(shè)備中被用到。在實(shí)際應(yīng)用中。我們可以充分利用串口通信、AD采樣使其完成遠(yuǎn)程監(jiān)控、工業(yè)勘測(cè)等多種功能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)軍事國(guó)防等。同時(shí)將LabVIEW軟件開發(fā)與串口通信結(jié)合設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制硬件設(shè)備，不僅能節(jié)約大量開發(fā)時(shí)間和減少硬件成本，還可以為今后的系統(tǒng)升級(jí)留有很大空間，同時(shí)還使得系統(tǒng)具有很好的可移植性。

1 陳楊骎，楊曉華.激光光譜測(cè)量技術(shù)［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社.2006年第1版

2 程學(xué)武，李發(fā)泉，宋娟等.原子分子穩(wěn)頻的脈沖染料激光器及其穩(wěn)頻方法［P］.中國(guó)，發(fā)明專利.申請(qǐng)?zhí)枺?00510019816.X

3 楊樂(lè)平，李海濤，肖相少等.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社.2001