SZY-1型雙折射測試儀電光調制信號源的改進

摘要：從電路模塊化和程控的思想出發(fā)，對SZY-1型雙折射測試儀的信號發(fā)生器部分進行了改進。用單片機通過軟件編程產生方波信號，并用鍵盤控制其相位大小，取代了原來的硬件電路實現相位粗調和細調的方法。闡述了軟件設計流程，并對改進后的電路進行了仿真，結果性能良好。
關鍵詞：雙折射測試儀；單片機；移相；選頻

0 引言
雙折射率是表征各向異性晶體光學特性的一個非常重要的光學參數，由材料的成分結構以及生成條件等多種因素所決定，并且與波長有關。測量雙折射率的方法多樣，其中有最小偏向角法、棱鏡法、電光調制法、偏光干涉法等。SZY-1型雙折射率測試儀便是依據電光調制的方法設計的一種雙折射率測量系統(tǒng)。
國內折射率測試儀的開發(fā)歷時彌久。1987年，北京理工大學工程光學系研制的激光旋光雙折射測試儀通過鑒定并獲得機電部科技進步獎。現在市面上的雙折射率測試儀主要有以下幾種：上海舒佳電氣有限公司生產的全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-10A、全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-22。其中全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-10A具有雙折射系數的線性解析度高達0．0lnm，可同時測量延遲軸和主軸兩個方向，基于光學相位差的雙折射系數顯示，一秒采樣時間等特點。全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-22具有可同時或獨立測量線性和周向雙折射系數，無需樣品旋轉，即可測量主軸和延遲軸的線性雙折射系數、圓周雙折射系數的旋轉角，一秒采樣時間，可選樣品旋轉臺，二維或三維顯示，可全自動操作等優(yōu)點。與此類似的還有一種PTC-4型應力雙折射儀。但以上測量系統(tǒng)成本太高，不能達到一個較高的性價比。本文對北京大學無線電廠在1982年生產的一臺雙折射率測試儀的信號源部分進行改進，用單片機程控代替了原來的硬件調相電路，相位調節(jié)的范圍增大。

1 SZY-1型雙折射率測試儀存在的缺陷
雙折射率測試儀是一種測量雙折射率的儀器。其本身由氦-氖激光管及電源、光具座、電光調制器等光學部分和光電調制器的交、直流調場電源、調制信號檢測、顯示及直流電壓測試等電路部分組成。
該儀器采用激光-電光調制的方法，核心器件是電光調制器。經高壓電路生成的可調直流電壓上加載一個同步載波信號，兩者共同輸入電光調制器用以對通過電光調制器的入射光的光程差進行控制。其原理框圖如圖1所示。

其中，同步信號產生的原理框圖如圖中虛線框中所示，分為信號產生、整形、分頻和移相、選頻輸出四部分。信號產生電路采用電容三點式振蕩器，產生f=36kHz的正弦波，然后經過整形電路將邊緣緩慢變化的正弦波變成邊沿陡峭的矩形脈沖。信號的分頻是將36kHz的信號經分頻器變成三路相位相差60°的6kHz的方波分別送入移相電路和基準電路。移相電路是將信號的相位移動一個角度，以保證電壓穩(wěn)定性不因聯絡線連鎖跳閘、相繼退出而遭到破壞，可以明顯提高電壓穩(wěn)定極限。在移相電路前需要對原方波進行積分以得到近似的正弦波。選頻輸出是將得到的移相信號加以選頻。因為振蕩電路的輸出有許多諧波，一般不需要都放大，所以要用選頻放大器選出所需要的頻率。通過選頻輸出的最終信號要與基準信號進行對比，以示相移的程度。
經過分析，原硬件電路設計復雜，而且功能模塊使用較少，有必要對原電路進行改進。

2 電光調制信號源改造方案
同步信號源整體結構改造框圖如圖2所示。

新的設計方法是采用現在普遍使用的硬件和軟件結合的方法。首先由編程實現單片機產生兩路6kHz方波，一路送至示波器作為基準，另外一路相對于基準相位調節(jié)后送至選頻輸出模塊。相位粗調的兩鍵分別控制方波相對于基準相位10°增加和減少；相位細調的兩鍵控制方波1°增加和減少。選頻輸出電路也在原來基礎上進行了調整。