聲光調制驅動源數字線性電壓控制技術研究

張文靜，趙冬娥，馬巧梅，張 斌

(中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

隨著激光技術的快速發(fā)展和優(yōu)質聲光晶體材料的開發(fā)，基于布拉格衍射效應的聲光調制技術與器件已得到廣泛應用.例如，利用聲光調制器產生雙頻激光束，通過表面等離子體相位檢測法測量液體的折射率［1］.由于激光具有很好的單色性、方向性，利用激光作為顯示光源，可以方便地實現三色合成的激光顯示系統(tǒng).該系統(tǒng)利用聲光調制器響應速度快(ns 級)的特點，可以用來調制激光光強，使其達到一定的灰度等級［2-4］.自從1964年研制出第一臺激光外差干涉儀以來，使激光外差干涉測量技術得到了快速發(fā)展，聲光調制技術與器件在其中發(fā)揮了比較重要的作用［5-9］.為了配合快速發(fā)展的激光大屏幕圖文顯示技術，滿足激光外差干涉技術的需要，開展了數字線性聲光調制驅動源研究，實現了聲光調制器對激光束光強的調制隨控制電壓的線性變化，從而使經過聲光調制器調制的激光束的光強具有一定的灰度等級［10-11］.聲光調制器主要由激光源、聲光器件和驅動電源三部分組成.驅動源發(fā)射的射頻功率信號輸入到聲光器件，該器件將電信號轉換成超聲信號并作用于聲光介質，在聲光介質中利用超聲波產生的對光束衍射的“立體光柵”和激光的相干性可以快速有效地控制激光束的頻率、方向和強度［5］.

本文著重介紹了數字線性聲光調制驅動源數字電壓控制器的組成、設計原理、實驗結果以及線性電壓補償原理和實現方法.

1 設計要求及電路設計

聲光調制驅動源數字電壓控制器主要由單片機控制系統(tǒng)，顯示驅動電路及LED 顯示器，48 路數字控制模擬電子開關，48 級灰度選擇電路和48組電阻分壓器及數字電壓控制接口電路等組成，其原理框圖如圖1 所示.

圖1 硬件電路原理結構框圖Fig.1 Frame of hardware circuit

1.1 設計要求

如圖1 所示，本研究把線性灰度聲光調制器驅動電源的控制電壓0～5 V(D.C.)分為48 級檔次電壓.當灰度選擇電路未動作時，4 位LED 均顯示0，此時數字電壓控制接口電路輸出電壓為0.1 V;當灰度選擇按鈕第1 次動作時，4 位LED顯示L-01，此時數字電壓控制接口電路輸出電壓為0.1 V;當灰度選擇按鈕第2 次動作時，4 位LED 顯示L-02，此時數字電壓控制接口電路輸出電壓為0.2 V;依次類推，當灰度選擇按鈕第48次動作時，4 位LED 顯示L-48，此時數字電壓控制接口電路輸出電壓為4.8 V.

1.2 灰度選擇電路設計

灰度選擇電路由48 組電阻分壓電路，六片數字控制的模擬電子開關電路CD4051，1 個4.7 K的上拉電阻和一個自復按鈕組成.其中自復按鈕一端接地，另一端和與AT89C51 連接的上拉電阻連接.在設計中，為了使CD4051 更好地發(fā)揮多路電子開關的性能，應注意三方面內容:通斷切換方式，減小導通電阻和消除抖動引起的誤差.通斷切換方式有“先斷后通”與“先通后斷”，為避免發(fā)生兩個通道短接的現象，本研究中采用的是“先斷后通”.CD4051 的導通電阻(RON)隨電源電壓(UDD)和輸入模擬電壓(U)的變化而變化，例如當UDD=5 V，USS=0 V，UEE=0 V 時，RON=280 Ω，且RON隨U 的變化比較明顯;而當UDD=12 V，USS=0 V，UEE=0 V 時，RON=100 Ω，且RON隨U的變化較緩慢.可見，適當提高CD4051 的UDD有利于減小RON的影響.本研究中UDD=12 V，USS=0 V，UEE=0 V，利用0～5 V 的數字信號控制0～5 V 的模擬信號.多路模擬電子開關在通道切換時也與機械開關類似，存在著抖動過程，消除抖動的常用方法有兩種:一種是硬件方法，另一種是軟件方法，從實施方便考慮，本研究采用了軟件除抖方法，即用軟件延時的方法來消除抖動.

1.3 顯示驅動電路設計

顯示驅動電路由4 位共陰的7 段數碼管LED和8 位串行LED 顯示驅動芯片MAX7219 組成.MAX7219 是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器，可驅動8 位共陰極LED，且集BCD碼譯碼器、多路掃描儀、段驅動和位驅動電路于一體，內含8 ×8 位雙口靜態(tài)SRAM.MAX7219 與8 位數字的7 段數碼管LED 連接，通過串行數據線DIN，時鐘信號線CLK 和數據鎖存信號LOAD與AT89C51 單片機連接.

2 程序設計

2.1 主程序設計

根據硬件電路及程序設計要求，采用MCS-51匯編指令完成相應的程序設計.程序設計的思路是首先對MAX7219 進行初始化，然后對4 位LED進行測試，檢測每個數碼管的7 段顯示是否正常，即讓4 個LED 顯示4 個8，500 ms 后顯示4 個0，最后進入等待灰度等級選擇電路動作狀態(tài)，此時聲光調制器的控制電壓輸入端不選通48 級檔次電壓的任何一個.系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2 所示.

對MAX7219 進行初始化，主要包括對LED的模式，顯示亮度，掃描數碼管個數的限制和關閉模式等的確定.本研究中對LED 的工作模式選擇不譯碼模式，此模式下LED所顯示的字型與16 進制代碼的對應關系如表1 所示.

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.2 Flow chart of system main program

表1 LED 顯示的字型與16 進制代碼的對應關系Tab.1 LED display font and 16 hxadecimal code

2.2 MAX7219 操作時序分析

MAX7219 是典型的具有SPI 串行接口的顯示驅動芯片［12］.本研究中的微處理器采用AT89C51，由于AT89C51 沒有提供同步串行總線的相關硬件接口，單片機AT89C51 和SPI 接口的MAX7219 所有操作均由軟件模擬SPI 時序的方法完成.

MAX7219 的工作時序如圖3 所示.由圖3 可知，MAX7219 的串行數據是以16 位數據包的形式從DIN 輸入，傳輸的數據包格式如表2 所示.軟件模擬SPI 時序的工作主要包括加載數據信號的產生，串行時鐘的產生和數據的輸入.

圖3 MAX7219 的操作時序圖Fig.3 Operating sequence diagram of MAX7219

表2 MAX7219 傳輸的數據包格式Tab.2 Transmission format of the data packet of MAX7219

2.3 軟件模擬時序的SPI

從MAX7219 的工作時序圖可見，數據在線的狀態(tài)在時序脈沖CLK 的上升沿進入MAX7219 的移位寄存器，而在鎖存信號LOAD 上升沿，移位寄存器的數據才能進入MAX7219 的內部寄存器.如果沒有時鐘信號的配合，數據在線的狀態(tài)不會進入MAX7219 的寄存器，而LOAD 信號在空閑期間是高電平，不可能出現鎖存信號，數據在線的狀態(tài)變化不可能影響到MAX7219 的內部寄存器的值.因此，顯示的內容不會因數據在線的狀態(tài)發(fā)生變化而導致顯示錯誤［11］.MAX7219 與單片機AT89C51 之間的數據包傳送的程序流程圖如圖4 所示.

圖4 軟件模擬SPI 時序的流程圖Fig.4 Flow chart of shoftware simulation of SPI sequence

3 實驗及結果分析

實驗裝置由中心波長為650 nm 的半導體激光器及其驅動電源，工作頻率為149 MHz 聲光調制器及數字線性聲光調制驅動源，手動精密旋轉臺，光功率計等組成.實驗中，通過對精密旋轉臺旋轉適當的角度，使聲光調制器工作在布拉格衍射狀態(tài)，分別對其0 級衍射光和+1 級衍射光的光功率進行了測試，測試結果如圖5 所示.圖5 所示的黑色五星符為0 級衍射光功率與數控電壓的關系曲線，黑色星號為+1 級衍射光功率與數控電壓的關系曲線.由圖5 可見，由于聲光器件具有固有的非線性特性，決定了衍射光強與線性控制電壓的非線性關系，其線性相關系數為92.68%.通過線性補償方式，可以提高線性相關系數，把0～5 V 的直流電壓變?yōu)橄噜彊n次電壓差為0.1 V的48 級檔次電壓Ui(i=1，2，3，…，48)，即電壓線性變化的梯度為

圖5 0級和+1 級衍射光強度與數字控制電壓關系曲線Fig.5 Dependence of diffraction light intensity on digital control voltage

由實驗得到與之對應的48 級光功率的灰度值Pi(i=1，2，3，…，48)，光功率灰度值(P)與電壓(U)的線性回歸滿足方程

當U1=0.1 V，U48=4.8 V 時，由式(2)可得到P1=0.033 8，P48=0.370 3，由此可以得到光功率變化的梯度

由式(3)及P1=0.033 8 可得到在此基礎上，由式(2)可計算出由此可以得到線性補償電壓.例如，當檔次電壓時，取當檔次電壓時，取依次類推，即可得到48級檔次電壓U1，U2，U3，…，U48，此處的48 級檔次電壓具備了線性補償功能.最后，通過調整48 組電阻分壓器的阻值，即可得到具有線性補償功能的48 級線性控制電壓.補償后衍射光強與線性控制電壓的線性相關系數可達98%，衍射效率提高了7%.

4 結束語

在基于表面等離子體共振法測量溶液濃度的實驗中，利用布拉格效應的聲光調制器的0 級衍射光作為傳感光束，+1 級衍射光作為參考光束.為了使兩光束有一個合適的強度，以獲得良好的測量效果，采用數字線性聲光調制驅動源，其技術性能達到了設計要求，經過改進灰度等級可由48 級提高到256 級.把聲光調制技術，單片機技術，數字控制模擬電子開關技術和線性補償技術相融合，實現了聲光調制的數字化和線性化，在激光大屏幕圖文顯示和激光外差干涉技術等領域具有廣泛的應用.

［1］Nelson S G，Johnston K S，Yee S S.High sensitivity surface plasmon resonance sensor based on phase detection［J］.Sensors and Actuators，1996，B(35-36):187-191.

［2］趙新亮，林嫵媚，曹益平，等.激光顯示中聲光調制器的非線性實時校正［J］.光電工程，2005，32(4):66-69.Zhao Xinliang，Lin Wumei，Cao Yiping，et al.Real-time correction of nonlinearity of acousto-optic modulator in laser display［J］.Opto-Electronic Engineering，2005，32(4):66-69.(in Chinese)

［3］趙增鳳，朱林泉，楊敏.大屏幕激光掃描顯示系統(tǒng)光強調制技術研究［J］.電力學報，2007，22(3):294-297.Zhao Zengfeng，Zhu Linquan，Yang Min.Research on the modulation of the luminous intensity of large screen laser display system［J］.Journal of Electric Power，2007，22(3):294-297.(in Chinese)

［4］江雄，宗德蓉，孫祖紅，等.激光顯示中聲光調制器的研究［J］.光學儀器，2007，29(5):50-54.Jiang Xiong，Zong Derong，Sun Zuhong，et al.Study on acousto-optic modulator in laser display［J］.Optical Instruments，2007，29(5):50-54.(in Chinese)

［5］霍雷，曾曉東，馮吉吉王君，等.激光外差干涉中聲光器件非互易特性研究［J］.光電子·激光，2011，22(12):1765-1768.Huo Lei，Zeng Xiaodong，Feng Zhejun，et al.Nor-reciprocal characteristics of acousto-optic devices in laser heterodyne［J］.Journal of Optoelectronics·Laser，2011，22(12):1765-1768.(in Chinese)

［6］霍雷，曾曉東.激光外差干涉中聲光器件的非均勻聲場特性［J］.光學精密工程，2011，19(10):2386-2392.Huo Lei，Zeng Xiaodong.Nor-uniform sound field distribution of acousto-optic device in laser heterodyne interferometry［J］.Optics and Precision Engineering，2011，19(10):2386-2392.(in Chinese)

［7］劉喚喚，曾曉東，程寅，等.布拉格聲光衍射場光強空間分布不均勻的研究［J］.電子科技，2010，23(3):1-3.Liu Huanhuan，Zeng Xiaodong，Cheng Yin，et al.Study of inhomogeneous spatial distribution of scattering light intensity of Bragg acousto-optic interaction［J］.Electronic Sci.＆ Tech.，2010，23(3):1-3.(in Chinese)

［8］霍雷.基于布拉格聲光衍射場的光強非均勻空間分布研究［J］.應用光學，2010，31(1):161-163.Huo Lei.Inhomogeneous spatial distribution of scattering light intensity based on Bragg acousto-optic diffraction field［J］.Journal of Applied Optics，2010，31(1):161-163.(in Chinese)

［9］Sanderson T，Ume C，Jarzynski J.Experimental and numerical results for intensity modulatedlaser ultrasonics［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1998，104 (4):2207-2212.

［10］李先梅，艾毅智.線性灰度聲光調制驅動源的研制［J］.壓電與聲光，2001，23(6):422-425.Li Xianmei，Ai Yizhi.Research on linear gray scale acoustooptic modulation driving source［J］.Piezoelectrics ＆ Acousto Optics，2001，23(6):422-425.(in Chinese)

［11］徐霞，余成波，涂巧玲.一種線性聲光調制驅動電源的研制［J］.激光雜志，2005，26(2):77-78.Xu Xia，Yu Chengbo，Tu Qiaoling.Research on linear scale acoustooptic modulation driving source［J］.Laser Journal，2005，26(2):77-78.(in Chinese)

［12］房向榮.單片機I2C 總線和SPI 接口總線復用方法研究［J］.微電機，2011，44(7):112-115.Fang Xiangrong.SCM system I2C bus and SPI interface multiplexing method research［J］.Micromotors，2011，44(7):112-115.(in Chinese)