高頻窄脈沖信號(hào)幅值測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

O 引 言
Z掃描是一種應(yīng)用于光學(xué)非線性測(cè)量的方法，使用這種方法可以測(cè)量光學(xué)材料非線性折射率的大小、正負(fù)以及非線性吸收系數(shù)。因?yàn)橥ㄟ^光學(xué)材料的激光能量大小與光電接收器轉(zhuǎn)換后獲得的電壓幅值成某種比例關(guān)系，因此通過測(cè)量光電接收器轉(zhuǎn)換后的電壓幅值就可以很方便地計(jì)算出光學(xué)材料的非線性折射率大小、正負(fù)以及非線性吸收系數(shù)。由于光脈沖的寬度較窄，其寬度約為幾個(gè)ns，因此通常采用高頻數(shù)字示波器測(cè)量其信號(hào)的幅值，然而高頻數(shù)字示波器雖然能夠得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是其價(jià)格昂貴，體積較大，不適合形成一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。本文給出的測(cè)量系統(tǒng)，采用高速并行A／D轉(zhuǎn)換的方法，不但能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出光電轉(zhuǎn)換后的電壓幅值的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過高速并行比較器基準(zhǔn)電壓的調(diào)節(jié)能自動(dòng)濾除不需要的數(shù)據(jù)，避免了PC機(jī)處理大量冗余數(shù)據(jù)，有效縮短了數(shù)據(jù)采集的周期。

l 測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
Z掃描測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，包括激光器、分光鏡、聚光透鏡組、被測(cè)樣品、反射鏡和光電轉(zhuǎn)換二極管。高頻窄脈沖信號(hào)幅值測(cè)量系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，如圖2所示。

(1)信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，通過樣品折射后的高斯光束經(jīng)反射鏡反射到光電二極管，光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，模擬電信號(hào)經(jīng)高速并行A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并送數(shù)據(jù)鎖存器鎖存。
(2)數(shù)據(jù)處理部分，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入數(shù)據(jù)鎖存器鎖存，單片機(jī)通過緩沖器讀取鎖存器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編碼。
(3)數(shù)據(jù)傳輸部分，經(jīng)編碼后的數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，由PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、打印、繪圖等操作。

2 硬件電路
測(cè)量系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89C52作為控制器，由信號(hào)轉(zhuǎn)換，信息處理，數(shù)據(jù)傳送三部分組成。
2．1 信號(hào)轉(zhuǎn)換
測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的對(duì)象是高頻窄光脈沖信號(hào)，光脈沖的平均寬度僅為4 ns，所以信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集電路均要采用具有高頻特性的電路，系統(tǒng)選用DETl0A／M高速光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器，DETlOA／M的工作頻率為1 GHz。并行A／D轉(zhuǎn)換器中的比較器選用MAX964ESE高速比較器，其上升沿典型值為2．3 ns，失調(diào)電壓為±2．0 mV，工作電壓：2．7，～5．5V，內(nèi)含4個(gè)比較器，圖3中給出了1片MAX964ESE的連接電路。從比較器輸出的信號(hào)送數(shù)據(jù)鎖存器，數(shù)據(jù)鎖存器采用高速、低功耗D觸發(fā)器74AC74。測(cè)量開始，通過P1．0將D觸發(fā)器的所有輸出端清“O”，當(dāng)光脈沖信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，在D觸發(fā)器的輸出端將出現(xiàn)與脈沖幅度相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。測(cè)量系統(tǒng)共使用了4片MAX964ESE，8片D觸發(fā)器74AC74，選擇了16個(gè)比較點(diǎn)，電壓范圍從450～900 mV，相鄰兩個(gè)比較點(diǎn)的電壓為30 mV。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確，基準(zhǔn)電壓由基準(zhǔn)電壓源TL431提供。