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光泵亚毫米波激光自动测量系统的研究 专业：无线电物理 硕士生：肖冬梅 指导老师：罗锡璋 摘要 基于目前光泵亚毫米波激光实验测量工作上的繁琐、困难及误差等问题，本 课题为小型光泵亚毫米波激光器的频谱特性研究而研制了一个以单片机为核心 的亚毫米波f p 干涉仪自动测量系统。该测量系统可由单片机独立对光泵亚毫米 波激光进行控制与测量，也可通过串行接口，将控制、测量及数据处理工作交给 计算机完成。系统实现了测量工作的真正自动化，并提高了测量的准确性和可靠 性。在实验上运用该系统对小型光泵n h 3 分子亚毫米波激光器的9 0 4 m 和 6 7 2 “m 两条谱线进行了测量，从而对测量系统的性能作了良好的验证，证明了 该测量系统完全能满足亚毫米波频谱特性实验研究的要求。 关键词：光泵亚毫米波激光，单片机，f - p 干涉仪，串行接c i ，频谱特性 a u t o m a t i c o p t i c a l l yp u m p e d s u b m i l l i m e t e r w a v el a s e rm e a s u r e m e n t s y s t e m m a j o r ：r a d i op h y s i c s n a m e ：x i a o d o n g m e i s u p e r v i s o r ：l u ox i z h a n g a b s t r a c t ak i n do fa u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mc o n n e c t e dw i t haf pi n t e r f e r o m e t e r w h i c hi su s e dt o s t u d y t h e s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fm i n i a t u r eo p t i c a l l yp u m p e d s u b m i l l i m e t e rw a v el a s e rh a sb e e nd e v e l o p e d i tc a nh e l pt os o l v et h ec o m p l e x i t y ， d i f f i c u l t y a n di n a c c u r a c yi nt h em e a s u r e m e n to fo p t i c a l l y p u m p e ds m m w l a s e r u s i n gas i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra s t h ec o r eo ft h i s s y s t e m ，i tc a nc o n t r o la n d m e a s u r et h es m m wl a s e rb yt h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r i n d e p e n d e n t l y h o w e v e r , t h et a s k so f c o n t r o l ，m e a s u r e m e n ta n d d a t a p r o c e s s i n g c a nb ed o n e b y a m i c r o c o m p u t e rw h e ni tw a sc o n n e c t e d t ot h i ss y s t e m b yt h es e r i a li n t e r f a c e w i t ht h i s s y s t e m ，n o to n l y t h em e a s u r e m e n to fs m m wl a s e rw a s r e a l l ya u t o m a t i c a l l y p e r f o r m e d ，b u ta l s oi t sa c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yw e r eg r e a t l yi m p r o v e d i nt h ea s p e c to f e x p e r i m e n ts t u d y ，t h i ss y s t e mw a su s e dt o m e a s u r es p e c t r a ll i n e so f9 0 4 1 x ma n d 6 0 7 me m i t t e db yam i n i a t u r eo p t i c a l l yp u m p e dn h 3f i rl a s e r a n dt h ep e r f o r m a n c e o ft h i s s y s t e mw a sv e r i f i e ds a t i s f a c t o r i l yb yt h i s m e a s u r e m e n t t h i sm e a s u r e m e n t p r o v e st h a tt h em e a s u r e m e n ts y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h e l a bs t u d yo f s m m w s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：o p t i c a l l yp u m p e ds u b m i l l i m e t e rw a v el a s e r ( o p s m m w l ) s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ， f pi n t e r f e r o m e t e r , s e r i a li n t e r f a c e ， s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s i l 第1 章弓 言 第1 章引言 1 1 光泵亚毫米波激光器的发展概况 亚毫米波( s m m w - s u b m i l l i m e t e rw a v e ) 或远红夕b ( f i r f a ri n f r a r e d ) 实质上指的 是同一电磁波段，该波段的波长范围一般认为是在2 5 m l m m 之间，频率从 1 2 t h z 。3 0 0 g h z ，波数从4 0 0 c m 。1 至1 0 c m o 的频谱区域。该波段介于微波和红外 光之间，是电磁波谱中最后被开发和利用的波段。虽然对亚毫米波的研究至今已 有一百多年的历史，但由于在这一区域一直缺乏有效的亚毫米波信号源( 一方面 微波器件很难工作在l m m 以下的波段；另一方面，红外技术的主要信号源一黑 体辐射在亚毫米波波段内辐射功率非常微弱，室温下仅为1 0 - t 7 一l f f l e w c m 2 h z 量 级1 ) ，以及探测器的灵敏度很低，缺乏灵敏的检测手段，导致了这一电磁波段 的研究发展缓慢，远远落后于可见光谱区和微波波段。 二十世纪六十年代以来，由于可见光、近红外和近紫外激光器的发展，人们 尽力试图用已有的激光器去产生亚毫米波相干辐射，终于利用两个近红外混频或 利用非线性器件( 通常用晶体) 作用于已有激光器上获得了亚毫米波相干源。然 而由于光电晶体的低透明度和混频二极管的低效率，使得所获的亚毫米波辐射源 效率极低。在h e n e 激光器发明2 1 以后，其应用向亚毫米波方向发展嘲，但当时 的输出功率只有几u w 量级，这与现在的光泵亚毫米波激光器所产生的功率要小 好几个数量级。t 9 7 0 年，美籍华裔学者张道源( t y c h a n g ) 等人首创的光泵亚毫 米波激光器【4 】，在一定程度上解决了这一波谱区长期缺乏有效辐射源的困难，从 此亚毫米波的研究、开发与利用进入了一个全新的发展时期。 张道源等人第一次报道的光泵亚毫米波激光器的激光介质采用c h 3 f ，泵浦 光源为连续波工作的可调谐c 0 2 激光器。随后，人们相继发现了许多新的激射 分子和新的谱线。据d o u g l a s 于1 9 8 9 年的统计，仅连续波工作的光泵亚毫米波 激光谱线就有4 2 1 8 条，包括9 5 种分子，波长从3 0 9 m 至3 0 3 0 9 m t ”。近年来又 有不少新的发现 6 - 1 0 1 ，包括本实验室秦家银等人发现的n h 3 分子的一条波长为 2 9 8 m 的新谱线n 和黄晓等人发现的c h 3 0 h 分子的一条波长为9 1 8 i x m 的新谱 线。根据最新报道，巴西u n c a m p 的e c c v a s o n c e l l o n 等人以连续波c 0 2 激光器作泵浦源，泵浦c h 3 0 h ，发现了2 4 条新谱线；泵浦c h z f 2 及同位素 第1 章引言 1 h 2 f 2 ，发现了2 0 0 条谱线( 波长为9 5 6 1 4 4 8 1 u m ) ；泵浦n 2 h 2 ，发现了1 2 7 条 谱线( 波长( 2 0 0 u m ) 。而美国标准局技术研究所的m t a c h i k w a 等人采用连续二 次泵浦方案，使产生的亚毫米波谱线大大增加 1 4 1 。对于连续工作模式的光泵亚毫 米波激光器，在5 - 5 0 w 的泵浦功率下，其谱线的输出功率在l o m w 量级 1 5 1 。已 经报道的最强的谱线是用c 0 2 激光器的9 p ( 3 6 ) 谱线泵浦c h 3 0 h 而产生的 1 1 8 8 “m 的亚毫米波谱线，在泵浦功率为1 1 0 w 时，t o b i n 得到连续亚毫米波输 出功率达8 0 0 m w i l “；m a n s f i e l d 等人采用亚毫米波谐振腔壁冷却和加入缓冲气体 h e ，及其泵浦功率为1 3 0 w 的条件下，得到连续亚毫米波输出功率达8 3 0 m w l ； 1 9 8 7 年，f a r h o o m a n d 和p i c k e t t 采用相似的系统，得到了1 2 5 w 的连续亚毫米 波输出功掣”j 。 光泵亚毫米波激光不但可以工作于连续波模式，还可工作于脉冲模式。 b e a u l i e n 于1 9 7 0 年研制成功的横向激励大气压( t e a 一一t r a n s v e r s e e x c i t e d a t m o s p h e r i c ) s e 作的c 0 2 激光器为光泵亚毫米波激光器提供了大功率泵浦源。用 大功率脉冲t e a c 0 2 激光器作泵浦源，亚毫米波辐射的脉冲峰值功率往往在k w 量级，最高的可达m w 量级1 9 l 。1 9 8 5 年，b e h n 等人用泵浦能量为3 2 0 j ，脉宽 为1 “s 的c 0 2 9 r ( 2 2 ) 谱线来泵浦重水获得的3 8 5 ”m 谱线的单脉冲输出能量达2 6 j ( 脉宽为i s ) 删i 。 另外，实用化的光泵亚毫米波激光不但要求具有大功率而且频率要求可调 谐。所以可调谐亚毫米波激光器的研究也得到广泛重视。人们通过研究和利用光 泵亚毫米波激光中的受激r a m a n 过程，产生出可在一定范围内调谐的亚毫米波 激光2 1 - 2 5 l 。i z a t t 等人利用c h 3 f 及其同位素为工作物质，泵浦出在2 2 0 - 6 1 0 9 m 波长范围内可调谐的多条亚毫米波激光谱线1 2 9 1 。z h u 等人利用同样的方法泵浦 n h 3 气体获得了波长更短( 6 0 1 5 0 m ) 的多条可调谐亚毫米波激光谱线1 。s c h a t z 等人用c 0 2 激光器泵浦n h 3 得到1 8 0 g h z 带宽范围内多条可调谐的脉冲激光谱 线 3 1 1 ，其峰值功率可达到1 0 0 m w ，脉冲能量达到1 7 j 口2 1 。s m a r c h e t t i 等嘲利用 窄线宽( o 5 g h z ) 高压连续可调激光器泵浦( 3 7 6 c m 。1 ) c h 3 f 得到连续可调激光谱 线。尽管迄今为止这些r a m a n 激光器的调制曲线还不平滑，但已经有可能利用 这些设备去覆盖几乎从4 0 p m 到1 2 5 0 m 连续的波长范围，用2 0 0 m j 的二氧化碳 激光能量产生约1 0 l x j 2 0 0 n s 5 0 0 恤j 1 2 0 0 n s 的远红外激光泵浦。近来，另一种可调 的脉冲远红外r a m a t l 激光器被研制出来。这种远红外h c ir a m a n 激光的频谱范 围是6 0 m 。1 6 0 m ，是由3 3 m 3 4 m 辐射泵浦出来的( 通过一个红宝石泵浦 染料激光器中的气态氢经过两次r a m a n 变化产生) 。 2 第1 章引言 1 2 亚毫米波测量技术现状 决定亚毫米波波长和频谱特性测量精度的因素，主要是三方面技术 l 、传感器( 亚毫米波探测器) 技术 2 、对传感器传送来的信号( 一般是电信号) 的处理技术 3 、f p 干涉仪的机械精度。 亚毫米波探测器将被测的亚毫米波信号转换为电信号，它的灵敏度和稳定性 在很大程度上决定了亚毫米波探测的精度。但是，对亚毫米波信号的测量不仅仅 是亚毫米波探测器就行了，必须用某种方式将探测器转换得到的电信号显示或记 录下来，这就是传感器信号处理技术。最简单的亚毫米波探测系统如图1 2 1 所 示。一般来说，对电信号处理技术并不能直接提高系统的灵敏度，但它设计的好 坏，直接决定了测量系统的实用性和方便性：另外，利用智能化的处理技术，可 以对传感器信号进行一些处理( 如信号的非线性处理、信号的温度补偿、数字滤 波、信号的导出等) 。在一定程度上可以认为它改善了探测器的性能。 s m m w 图1 2 i 最简单的亚毫米波探测系统 按探测机理的不同，工作于远红外的探测器有热探测器、光子探测器及势磊 犁探测器三大类3 5 1 。 热探测器又可以分为经典热探测器及热释电探测器两种类型。它的主要特点 是对多个波民范围均适用，但响应时间较慢，这类探测器多数工作于室温，也有 部分器件工作于低温。例如p u t l e y d 6 3 ”，k i n c h 和r o l l i n l 3 8 。以及g i g g e y 等e 3 9 j 研制的直流偏压i n s b 探测器其理论根据是r o l l i n t 4 0 j 指出的在液氦温度下及无 磁场时锑化铟( i n s b ) 中自由载流子吸收探测毫米和亚毫米波辐射的光电响应。其 它的热探测器还有高莱( g o l a y ) 探测器、锗测辐射热计等。 光子探测器，又称光导型探测器或量子探测器。其主要特点是器件必须低温 r 作，般对工作波长有一定的选择- 陆，响应速度快，灵敏度高，噪声低。例如 有光导探测器、窄带可调谐锑化铟探测器、g a a s 砷化镓光电导探测器等。 第1 章引言 现阶段应用最广泛的远红外激光器脉冲激光探测器是热释电探测器，它是六 十年代发展起来的一种利用热释电效应制成的新型热探测器，其工作原理是：当 亚毫米波入射探测器时，热释电材料吸收亚毫米波辐射，温度升高，产生电偶极 距的变化，然后产生电流，所产生的电流大小与热释电晶体的温度变化率成正比， 即探测器感受热能并将其转化为电信号输出【42 1 。它的特点是：( 1 ) 灵敏度高，响 应速度快，探测率高；( 2 ) 光谱响应范围非常宽，响应范围能扩展到整个红外区 域，可用于从可见光到红外波段激光的探测；( 3 ) 室温工作j 。因此它兼有了上 述两类探测器的优点。热释电探测器近年来发展较快，可以制作探测器的热释电 材料已有几十种之多，制成商品的品种也不少。 此外，超外差接收电路在毫米波和亚毫米波段得到广泛应用，它可能探测的 最小功率在0 t m m 波长处为2 1 0 。7 w h z “2 1 4 4 1 。例如采用约瑟夫逊结的超外差 接收机、j o s e p h s o n 结型探测器等。金属点接触式亚毫米波外差接收器是目前可 用于亚毫米波外差接收的器件，它具有快速的响应特性及高的灵敏度，但它结构 脆弱，性能也不尽理想。 总之，目前各种亚毫米波探测器尚不成熟，研制性能良好的探测器仍是许多 研究人员的努力目标，研究的主要趋向包括光予的量子计数器、用里德别尔格原 子进行检波、激子检波器等。 目前我们实验室检测亚毫米波用的传感器是热释电探测器。亚毫米波信号经 过法布里一珀罗( f p ) 干涉仪后，由热释电探测器检测，光信号由热释电探测器转 换成电信号后送入双踪记忆示波器显示。示波器是慢扫描记忆示波器，它能显示 出脉冲信号的轨迹线，然后由实验员读取示波器上信号峰值的示数，即f i r 信号 的大小。在实验过程中，为了测出f i r 谱线的频谱。必须连续多点地调节f p 干 涉仪的两平行光栅的间距。因此，整个测量过程的步骤是： 图1 2 - 2 亚毫米波激光的测量步骤 电信号的测量与处理技术随着电子器件的发展而不断地进步。随着大规模集 成电路技术的发展，电信号测量器件体积越来越小，测量精度越来越高，性能价 倍比越来越高：测景与处理技术朝着智能化的方向发展。 4 第l 章引言 计算机自问世以来，在短短的几十年问以其极高的性价比迅速普及起来，成 为科学研究的强有力辅助工具。自计算机普及以来，在测量系统中应用以计算机 为核心成为常用的手段。计算机成为测量系统的核心，使系统具有了较高的智能， 能够完成各种较复杂的测控动作，使系统操作方便并减轻了人的工作强度。八十 年代初，国内流行的是a p p l ei i 微机，当时研制的测量系统都是以a p p l ei i 为核心。为毫米波、亚毫米波测量而设计的微机系统也有报道【4 5 4 “，它们是根据 亚毫米波实际测量需要而设计的专用系统，其结构如图1 2 - 3 所示。 军妇 图1 2 3 以a p p l ei i 为核心 亚毫米波测量系统结构 它用a p p l ei i 计算机来控制系统的运 作。计算机通过接口及驱动电路来驱动步进电 机以带动涡轮杆系统，实现对f p 干涉仪栅网 间距的控制。接口电路将信号测得并将获得的 数据送入计算机。计算机负责数据的显示、打 印与作图等工作。 类似的亚毫米波测量系统还有由计算机 控制的s m m w 场分布测量仪h 7 1 等，它们的共 同特点是以计算机为测量控制中心，将以往由 人工操作仪器、手工记录数据及手工处理数据 转变为计算机自动测量和计算机辅助处理：具 有自动快速、高效等优点。大大减轻了测量的 工作强度，避免了人为因素造成的误差。使亚 毫米波研究员可把更多的精力用于设计实验 方案和分析实验结果，有力地促进了亚毫米波 的研究工作。 计算机发展日新月异，a p p l ei i 从八十年代中期开始，逐步被更先进的计 算机体系所代替。取而代之地是以i b m p c 为体系标准的p c 机。这以后设计的 测量系统多利用p c 机取代原来的a p p l ei i 的位置4 8 1 ，但系统结构在形式上没 有多大变化。 从七十年代末到现在是智能化器件飞速发展的年代。除了众所周知的汁算机 性能翻了几番之外，另一方面的技术单片机技术的发展也非常引人注目。 单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，即单片机，它在片芯片上 集成了中央处理器( c p u ) 、存储器( r a m r o m ) 、定时器以及各种输入输出( t o ) 接口。具有体积小、重量轻、具有很强的灵活性而且价格不高等优点】。单片机 第1 章引言 主要应用于控制领域，以单片机为主的嵌入式系统，以控制功能为目的。除在单 片机芯片中集成控制功能外，在外部相应有各种专用功能的外围接1 3 芯片与单片 机配套，实现各种各样的功能。可以独立工作，也可以通过串行1 2 1 联网。主要应 用于工业、家用电器、通信设备、商业营销、办公自动化及计算机外围设备、智 能仪表等方面【”l 。随着单片机技术的发展，其功能越来越强，在一些测控应用场 合，它已取代了计算机的位置，成为测控系统的中心。 在单片机流行之前，带计算机的测控系统以计算机为核心。全部测控动作由 计算机发出，所有智能化工作均由计算机实现，其与计算机连接的接口电路复杂， 体积大，通用性差。目前，以单片机为测控系统核心的测控系统将大部分的测控 动作纳入单片机管理的范围，系统的各个控制和测量动作均由单片机真接控制执 行。若系统带计算机，则计算机作为上位机，用于管理单片机采集到的数据，用 于增强系统的整体功能。这样的系统中，计算机与单片机连接十分简单，一般用 计算机串行端口( r s 2 3 2 ) 连接。在一些简单的测控应用场合，单片机系统自带 输入( 按键) 、输出( 显示) 功能，便可完成完整的测控系统，不再需要计算机 的介入。 然而，在很多较为复杂的应用场合，如亚毫米波频谱测量，其系统性能要求 较高，对系统的使用方便性有一定要求，要有良好的人机界面；而对数据处理方 面的要求也较高，不但要将测得的数据打印出来，还需要将数据记录、作图分析 等。这些工作单依靠单片机本身是难以实现的，带上计算机，让它协助处理这些 工作是一良好的解决方案。吴江、李丛等人曾研制了以单片机为测控核心的亚毫 米波自动测量系统【5 一”，其系统结构图如图1 2 4 所示。 6 图1 2 4以单片机为核心的亚毫米波自动测量系统结构 第1 章引言 它以8 0 3 1 单片机为测量系统核心，负责全部测量、控制动作的实施。计算 机作为选件与8 0 3 1 单片机配合，以灵活地进行系统参数配置等工作，并负责测 量数据的处理。该系统存在以下几个方面的不足：( 1 ) 抗干扰设计不理想，未能 有效地抵御脉冲光泵f i r 激光器在触发时造成的强烈电磁干扰，以致单片机在运 行过程中会出现显示错误和死机现象：( 2 ) 限于当时的器件条件，所选用的模数 转换器精度不够，并且输入电压范围限于0 一+ 5 v ，而当f i r 信号较强时，热释 电探测器输出有可能大于5 v ，并且信号是负脉冲，因此需要外加反相放大电路 对信号进行线性处理，包括线性放大和线性降压，这就增加了误差；( 3 ) 峰值保 持电路设计得粗略，不能很精确地捕捉到脉冲峰值数值，以致最后测量结果误差 较大：( 4 ) 与计算机的接口方面，由于在t t l 电平一r s 一2 3 2 电平转换上选用的 器件的局限性，没能很好地与计算机通信，影响了系统的灵活性；( 5 ) 显示器件 选用数码管，只能显示数字，不能方便直观地进行多个系统测量参数的设定与测 量结果的显示。正是由于以上诸方面的不足，使得这一测量系统并没有得到实际 应用，现在实验仍是采用人工测量读数和人工处理数据的方法。 因此本研究课题致力于开发研制一套实用的精确的亚毫米波自动测量系统。 1 3 本文的目的和内容 在以往的光泵脉冲亚毫米波激光器的实验研究上，直都是采用人工触发激 光器，人工记录示波器上读数的方法。每次实验都需要付出十分艰辛和繁重的劳 动，而每次对手工记录下的几百组数据又还需作相同过程的、繁琐的处理。并且 在实验误差方面，也存在主要的两方面人为误差： 第一，由于f i r 激光是脉冲工作的，信号持续时间很短，激光脉冲宽度约为 1 0 0 n s 。实验中用示波器显示产生的f i r 激光信号，虽然所用的示波器是慢扫描 示波器，它能显示出脉冲信号的轨迹线。但反映f i r 信号大小的是该轨迹线的峰 值，峰值持续时间很短，故峰值位置轨迹较淡。要在短时间内准确地用人的眼睛 读取示波器上信号峰值的示数无疑是对测量人员较高的要求，存在着较大的由人 的视觉判断失误所造成的误差。 第二在实验过程中，为了测出f i r 谱线的频谱，必须连续多点地调节f - p 干涉仪的两平行光栅的间距。通常，为测量出一条f i r 谱线，至少要重复“调节 f - p 平行光栅间距一触发激光器一读取并记录峰值示数”这个过程近百次，测量 的工作强度是比较大的，在调节f - p 平行光栅间距上也存在着较大的由人的操作 第t 章引言 所造成的误差。 本课题所研制的亚毫米波自动测量系统使脉冲式亚毫米波激光信号的测量 实现自动化把研究入员从费时费力的溺量工作中解脱出来：极大地减少了人工 干预，减少了由于人的操作和视觉判断等失误造成的测量误差，提高了测量精度； 设计了与计算机的连接，由计算机对测量结果进行后续处理，减少了人工的数据 校正和作图等工作，使研究人员能专心于对实验结果的研究分析，从而推动光泵 亚毫米波激光器的理论发展和完善；由于整个实验过程实验人员都不需进行过多 的干预，从而使实验人员远离强大的电磁场区域，减少了电磁场对人体的辐射。 具体来说，本文主要分为下述几个部分 第l 章为引言，简述了亚毫米波激光器的发展概况、亚毫米波激光测量技 术现状以及本文研究课题的提出和意义。 第2 章是全文的主体部分。首先介绍了本课题所设计的亚毫米波激光自动 测量系统结构及其工作原理，并根据系统结构图具体介绍了系统的各部分硬件电 路设计及其工作原理。并着重介绍了系统的抗干扰设计，然后详细介绍了硬件编 程设计的思想、方案以及程序流程，最后详细说明了计算机在系统中的作用，以 及计算机软件的设计。 第3 章介绍了光泵亚毫米波激光的实验装置及实验方法，使用本课题研制 的自动测量系统与f - p 干涉仪组成脉冲光泵亚毫米波波长自动测量系统，对皿毫 米波9 0 4 硅m 和6 7 2 l m 谱线进行了测量。从而对所设计的自动测量系统的性能 作了良好的实验验证。 第4 章是结束语，总结了本课题的研究结果，并指出存在的不足和下一步 工作的方向。 第2 章光泵亚毫米波激光自动测量系统 问题 第二章光泵亚毫米波激光自动测量系统 2 1 亚毫米波激光自动测量系统要解决的问题 目前条件下，脉冲工作的光泵亚毫米波激光测量中主要存在两个方面的误差 第一，实验测量使用的传感器是热释电探测器，实验产生的亚毫米波激光信 号由热释电探测器转换成电信号后送入示波器显示。由于f i r 激光是脉冲工作 的，信号持续时间很短，激光脉冲宽度约为l o o n s 。虽然所使用的示波器是慢扫 描示波器，它能显示出脉冲信号的轨迹线。但反映f i r 信号大小的是该轨迹线的 峰值，峰值持续时间很短，故峰值位置轨迹较淡。要在短时间内准确地用人的眼 睛读取示波器上脉冲信号峰值的示数无疑是对测量人员较高的要求，存在着较大 的由人的视觉判断失误所造成的误差。这是亚毫米波激光实验系统测量上现存的 问题一。 第二，在实验过程中，为了测出f i r 谱线的频谱，必须连续多点地调节f - p 干涉仪两平行光栅的距离。通常，为测量出一条f i r 谱线，至少要重复“调节 f p 平行光栅距离一触发激光器一读取并记录峰值示数”这个过程近百次，测量 的工作强度是比较大的，在调节f - p 平行光栅距离时也存在着由人的操作所造成 的误差。这是测量上存在的问题二。 本课题致力于解决上述问题，具体是下面两方面工作 【、实现脉冲式亚毫米波激光信号测量的自动化。使测量的各个步骤( 阋节 f - p 平行光栅距离触发激光器，读取示波器轨迹线的峰值，记录测量值) 实现 自动化，只要按下按钮，这些工作全部自动完成。把研究人员从费时费力的测 _ 晕= 工作中解脱出来，同时极大地减少了人工干预，减少了由于人的操作和视觉判 断等失误造成的测量误差，提高了测量精度。 2 、设计了与计算机的连接，良好的人机界面供使用者选择所需的测控动作 及参数，并且在测量读数结束后，将测量结果送回计算机，由计算机对这些结果 进行处理，包括数据的校正、显示、存储、打印、作图等工作，并建立专门的数 据库系统，存储测量结果，便于日后对实验数据的查询。减少了人工的数据校正 一 兰! 兰垄垂垩塞鲞鎏堂堂! 塑型量墨笙 和作图等工作，使研究人员能专心于对实验结果的研究分析，从而推动光泵亚毫 米波激光器的理论发展和完善。 2 2 亚毫米波激光自动测量系统结构及其工作原理 根据实际测量和数据处理的需要以及目前的条件，设计的光泵亚毫米波激光 自动测量系统的结构如图2 2 1 所示。 该系统以8 9 c 5 2 单片机为测量系统的核心，它负责全部测量工作，包括控 制外设动作，完成数据的传递、分析、处理，以及与计算机通信。其中计算机是 作为选件与单片机配合，以灵活地供使用者选择所需的系统测控动作及参数，并 且在测量读数结束后对测量结果进行处理，并建立专门的数据库系统，存储测量 结果。计算机在整个测量系统中不是必需的，若实验条件不允许，测量时可以不 用计算机。此时，单片机可以独立工作，实验员可以通过系统自带的键盘以及液 晶屏显示的菜单界面进行系统测控动作及参数的选择和设置，以及在测量结束后 翻查存储在非易失性静态存储器( s r a m ) 内的实验测量结果。另外，还可以在测 量结束后脱离光泵亚毫米波激光实验装置的状态下，将该系统单独接上计算机， 利用串行通信传输将测量系统存储器内的测量结果传回计算机，由计算机进行处 理。当然，实验员也可以在用系统自带的键盘及液晶显示屏翻查测量结果时进行 手工记录，以及手工处理记录得的数据。 l o 图2 2 1光泵亚毫米波激光自动测量系统结构图 第2 章光泵亚毫米波激光自动测量系统 在连接计算机的情况下，测量命令由计算机发出，并且由计算机提供良好的 人机界面供实验人员设置和选择所需的测控参数及动作。没置的参数包括：步进 电机的转动距离、每个光栅位置触发激光器测量的次数、每次触发激光器的时间 间隔、整个实验过程的总的测量次数( 即不同光栅位置采集点的个数) 等。可供 选择的测控动作包括：启动测量、暂停测量、结束测量、重新测量、保存测量结 果等。计算机将这些测控动作的控制命令通过串行口发送到单片机系统，单片机 系统接收并解释这些命令，根据命令执行相应的操作。在测量过程中，单片机完 成的工作包括：转动步进电机，触发激光器，进行模数转换，将测量结果从串行 口送回给计算机，并将测量结果、当前光栅的位置、这是第几次测量读数显示在 液晶显示屏上，以及存储在系统的存储器内。计算机在测量结束后，对本次实验 的测量结果进行处理，包括数据的校正、显示、存储、打印、作图等工作，并建 立专门的数据库系统存储测量数据。 在不连接计算机的情况下( 即单片机独立工作) ，测量命令由单片机发出。 所需设置和选择的测控参数及动作由实验员利用系统自带的键盘和液晶菜单界 面进行设置和选择。设置的参数及可供选择的测控动作与计算机控制界面上的相 同。单片机系统根据实验员键盘操作选择的测控动作，执行相应的操作。测量过 程中，单片机单独操作测量与连计算机一起操作测量的区别是在数据分析处理方 面，单片机单独操作时没有将测量结果送回计算机处理这一步骤，而其余操作与 连计算机一起工作时一样。实验结束后，若需要且实验条件允许，可以利用串行 线将存储在存储器上的实验数据通过串行通信方式传回给计算机处理。 亚毫米波激光自动测量系统的工作原理，是将热释电探测器转换得的电信 号，经过峰值保持电路，通过采样比较来获得反映脉冲信号大小的峰值数值；在 脉冲信号波峰到来之前的上升沿，峰值保持电路不断采样比较输出越来越大的脉 冲信号值，在波峰到来后，峰值保持电路将峰值数值保持在输出端上一段时间， 再通过模数转换a d 电路将模拟的峰值信号转换成数字信号，送入单片机进行 处理。这个峰值数值就反映了真正的亚毫米波激光信号的大小，也就是实验需要 的测最结果。 2 3 亚毫米波激光自动测量系统的硬件结构 图2 2 一i 实际上就是亚毫米波自动测量系统的硬件结构图。下面分别叙述各 部分电路的设计考虑及电路构成。 第2 章光泵亚毫米波激光自动删最系统 1 、单片机系统 该测量系统以单片机作为测量系统的核心，它负责完成数据的传递、分析、 处理，外设的控制，以及与计算机通信等功能。单片机选用了a t m e l 公司的 8 9 c 5 2 单片机悼“，8 9 c 5 2 内部有8 k 字节的程序存储器r o m 以及2 5 6 字节的数 据存储器r a m ，因此不需外扩程序存储器e p r o m ；8 9 c 5 2 有4 个8 位的输入 输出( i o ) 端口、3 个1 6 位定时( 或计数) 器( t c ) 、6 个中断源、1 个标准的串行通 信接口，满足了系统定时测最、及时中断进行读数、与计算机串行通信等功能的 需要。本系统8 9 c 5 2 电路连接图如图2 3 一l 所示。 数据总线d 7 ，d 0 图2 3 - 18 9 c 5 2 单片机系统连接图 8 位数据线d 7 d o 和低8 位地址线a 7 一a 0 共用8 9 c 5 2 的p 0 口，数据和地 址复用：高8 位地址a 1 5 a 8 由8 9 c 5 2 的p 2i s i 输出。在c p l d 内部进行1 6 位 地址泽码产生存储器的片选信号，以及在c p l d 内部对低8 位地址a 7 a 0 进行 地址锁存输出，而存储器的高位地址由单片机直接输出。存储器选用容量为8 k 的非易失性静态存储器d a l l a s l 2 2 5 y ，采用1 3 位地址寻址( a 1 2 a 0 ) 。 2 、c p l d 系统 本测量系统采用复杂的可编程逻辑器件( c p l d ) 实现地址译码、锁存，键盘 坝别电路，步进电机控制电路，液晶( l c d ) 显示屏控制电路。 复杂的可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 删，简称 c p l d ，是专指那些集成规模大于1 0 0 0 门以上的可编程逻辑器件。可编程逻辑器 件( p l d ) 能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和一个“或” 门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以，p l d 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。c p l d 规模比较大，适合于时序、 1 2 第2 章光泵亚毫米波激光自动测量系统 组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用i c 芯片。这样的 c p l d 实际上就是一个子系统部件。这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动 的特点。 系统设计中选用c p l d 有以下优点5 5 1 ： ( 1 ) c p l d 具有高度逻辑集成能力，集成度范围可达3 0 0 2 5 0 0 0 0 可用i q ，可 以很容易地在单个芯片上面集成现有逻辑，实现非常复杂的逻辑系统，减少了元 器件的使用，缩小了电路板的尺寸，不但降低了系统的成本，更重要的是能够提 高系统的性能、可靠性以及抗干扰能力； 但) c p l d 的大容量和多i o 引脚( 本系统选用的m a x 7 1 2 8 s 系列 s 6 1 8 4 引脚 的芯片有6 8 个i o 口) 更加扩大了其使用范围，方便单片机i o 口的扩展，有 利于将更大规模的电路实现在一块芯片中，这给系统集成带来了方便。 ( 3 ) c p l d 具备在线编程( i s p ) 功能，即通过一条称为b y t e b l a s t e r 的下载电缆， c p l d 芯片就能直接接受从计算机上传来的芯片构造码。当电路处于调试阶段 时，常常需要更改某一部分电路，此时无须将芯片断电，只需在计算机上修改电 路并重新进行编泽下载。c p l d 的在线可编程技术方便了电路的设计和修改。 f 4 1c p l d 速度高，性能好，器件内部逻辑阵列块中包含有提高速度的结构， 另外采用了当前延时最短的c m o s 工艺制造和连续互连结构提供了快速、一致 的信号延时，并通过改进片内电路来进一步提高系统性能。 f 5 ) c p l d 系统开发周期较短。c p l d 器件提供了快速、直观和易于使用的现 代化设计工具一一m a x p l u s 【i 。m a x + p l u s i i 【帅可编程逻辑开发软件提供 了一种与结构无关的设计环境，它使c p l d 设计者能方便地进行设计输入、快速 处理和器件编程。使用m a x + p l u s 【i ，设计者无需精通器件内部的复杂结构t 只需运用自己熟悉地输入工具( 如原理图输入或高级行为语言) 进行设计，通过 m a x + p l u s 【i 把这些设计转换成最终结构所需的格式。由于有关结构的洋细 知识已装入开发工具，设计者不需手工优化自己的设计，因此设计速度非常快， 显著地缩短了开发周期。 系统设计选用了c p l d 芯片e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 ，其电路连接图如图2 3 2 所示。 一里! 兰堂茎垩塞鲞垫堂堂皂垫型量至竺 图2 3 2c p l d 系统连接图 下面分别叙述c p l d 对各外部电路的控制及数据信号。c p l d 读八键盘的4 行4 列输入数据，通过逻辑运算判定按键按下情况，将按键值以及按键中断返回 给单片机处理：c p l d 对单片机输出的低位地址先进行锁存，等待高位地址到来 后，对1 6 位地址进行地址译码，产生各外设的片选信号，包括液晶、a d 芯片、 步进电机、存储器的片选信号：c p l d 并根据单片机输出的读写信号以及1 6 位 地址译码，输出各外设的控制信号，包括液晶的三位控制信号：r w 、r s 、c e ， 和a d 电路的三位控制信号：c s 、a 0 、r c ：根据单片机输出的要求步进电机 转动的步数，c p l d 输出相应的四位数字脉冲给步进电机；另外，对指示灯和蜂 呜器的控制都是通过一位高低电平来控制其亮灭和发声。 上述控制信号以及数据传输信号的实现，是通过在c p l d 内部进行逻辑设计 编程实现的，包括原理图设计以及v h d l 语言编程设计两种方式。原理图设计 与普通的电路图设计类似，通过设计各种元器件的连接完成。v h d l 语言是一种 硬件描述语言盯6 0 1 ，它描述了数字电路设计的行为、功能、输入以及输出。在语 法上，v h d l 与现代编程语言相似，但是它包含了许多与硬件有特殊关系的结构。 v h d l 将实体( 元件，电路或系统) 分成外部的可见部分( 实体名和连接) 和内 部的隐藏部分( 实体算法和实现) 。当定义了一个设计的实体以后，在其它的设 汁中如果需要这个实体可以对其进行调用。 图2 3 2 中的j t a g 是c p l d 的b y t e b l a s t e r 下载电缆接口，通过并行口连线 第2 章光泵亚毫米波激光自动测量系统 与计算机并行口连接。下载电缆使c p l d 具备在线编程功能，使c p l d 芯片能直 接接受从计算机上传来的芯片构造码。当电路处于调试阶段时，常常需要更改某 一部分电路，此时无须将芯片断电，只需在计算机上修改电路并重新进行编译配 置。c p l d 的在线可编程技术方便了电路的设计和修改。 3 、模数( a d ) 转换电路 模数转换电路将峰值保持电路保持在输出端上的模拟峰值信号转换为数字 信号，送入单片机进行分析处理。 系统设计选用了模数转换芯片a d l 6 7 4 6 ”，a d l 6 7 4 是快速、逐次比较 型、带保持器的1 2 位模数变换器。转换速度为1 5 1 s ，转换精度如0 5 ，电压 输入范围0 i o v 或一1 0 叶1 0 v ，是目前我国市场应用最广泛、价格适中的a d 变 换器。a d l 6 7 4 片内具有三态输出缓冲电路，因而可以直接与各种典型的8 位或 1 6 位微控制器相连且能与c o m s 及t t l 电平兼容。由于a d l 6 7 4 片内包含高 精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况 下完成一切a d 转换功能，应用非常方便。 模数转换电路的原理图如图2 3 3 所示。 图2 3 + 3a d 转换电路原理图 峰值信号在进入模数转换前先经过一个由运放m c l 4 5 8 构成的电压跟随器。 这里，电压跟随器的作用是提高模数转换电路的输入阻抗，减小, a d d 转换芯片 对输入信号的衰减，从而提高了a d 转换的采样精度，并且也起到隔离噪声干 扰的作用。 a d t 6 7 4 的电路设计中，模拟量输入量程选择了1 0 v 量程输入端口( i o v 。、) 电压输入范围可以为0 t o y ，因此当f i r 信号较强时也可以正确转换。 第2 章光泵亚毫米波激光自动测量系统 a d l 6 7 4 是1 2 位模数变换器，输出1 2 位数码，而由于8 9 c 5 2 是8 位的微 处理器，数据总线宽度只有8 位，因此在电路设计中，a d l 6 7 4 的数据输出格式 设计为单字节输出，即只有高8 位或低4 位有效输出，这由数据输出格式选择信 号引脚设置( 1 2 8 脚= 0 v ) 。单字节的数据输出格式是由a o 引脚控制字节选择的， 当微处理器读取转换结果时，需分两次进行：先读取高8 位、后读取低4 位，分 别由a o = o 及a o = 1 来控制。除此之外，a d l 6 7 4 还有双字节输出格式( 1 2 8 脚= 5 v ) ，即1 2 条数据线同时有效输出。 在电路设计中，微处理器采用中断的方式读取a d l 6 7 4 的转换结果，利用 a d 转换结束信号s t a t u s 向8 9 c 5 2 微处理器发出外部中断请求信号i n t 0 。 4 、峰值保持电路 亚毫米波实验系统用的f i r 激光器是脉冲工作的，信号持续时间很短，而信 号峰值反映信号的大小，为保证a d 转换电路正确工作，故需峰值保持器，通 过采样比较来获得信号的峰值数值。峰值保持电路原理图如图2 3 4 所示。 图2 3 4 峰值保持电路原理图 本电路是反馈式峰值保持电路6 j ，起到保持模拟信号电压峰值的作用，它把 信号瞬变的最大峰值存贮在保持电容器c 【o 里。电路中的o p 放大器t l 0