基于256級(jí)灰度線性聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

蔡睿博,張志偉,2,周 森

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引言

基于布喇格衍射效應(yīng)的多灰度線性聲光調(diào)制器(AOM)在激光大屏幕圖文顯示、激光外差干涉技術(shù)和其他高精度測量等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。如在基于光外差干涉技術(shù)檢測微弱超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，利用布喇格效應(yīng)的聲光調(diào)制器產(chǎn)生頻率不同的兩束光，可通過調(diào)節(jié)具有256級(jí)數(shù)字調(diào)控電壓的線性聲光調(diào)制器來控制兩束光，使其獲得合適的強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的檢測效果。由激光器、聲光器件和驅(qū)動(dòng)源組成的聲光調(diào)制系統(tǒng)，可有效地測試聲光調(diào)制器的性能。本實(shí)驗(yàn)中，使用雙路、非易失、256級(jí)及低溫度系數(shù)的數(shù)字可變電阻器DS3902為主的恒流源電路，將0～5 V分為256級(jí)的輸入電壓，作用于聲光調(diào)制的驅(qū)動(dòng)電源，可改變通過聲光調(diào)制器的一級(jí)衍射光的光強(qiáng)[1-2]。

1 聲光調(diào)制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 聲光調(diào)制原理

經(jīng)由電聲換能器產(chǎn)生的超聲波作用于聲光晶體時(shí)，將使聲光晶體的光學(xué)性質(zhì)(折射率)發(fā)生周期性的變化，成為等效于超聲波波長的光柵，當(dāng)激光以布喇格角θB入射到聲光晶體時(shí)，將發(fā)生布喇格衍射，產(chǎn)生的衍射光路[3-5]如圖1所示。圖中，Ii為入射光強(qiáng)，Ks為超聲波波矢。布喇格衍射的工作方式具有衍射光強(qiáng)分布不對(duì)稱的特點(diǎn)，只有0級(jí)和+1級(jí)(或-1級(jí))衍射光，且可通過改變輸入電壓的方式調(diào)節(jié)在0級(jí)和+1級(jí)(或-1級(jí))衍射光上的入射光能量。由光的電磁理論可以證明，對(duì)于頻率為ω的入射光，以θB入射到經(jīng)頻率為Ω的超聲波作用的聲光晶體時(shí)，其布喇格衍射的+1級(jí)(或-1級(jí))衍射光的頻率為ω+Ω(或ω-Ω)。相應(yīng)的0級(jí)和+1級(jí)衍射光強(qiáng)分別為

(1)

(2)

式中φ為光通過聲光介質(zhì)后，由折射率變化引起的附加相移。當(dāng)控制入射超聲功率來改變?chǔ)諘r(shí)，就可達(dá)到控制0級(jí)與+1級(jí)衍射光功率的目的。

圖1 布喇格聲光衍射

1.2 聲光調(diào)制系統(tǒng)

基于聲光效應(yīng)原理設(shè)計(jì)搭建的聲光調(diào)制系統(tǒng)，主要部分由激光器、聲光調(diào)制器件、驅(qū)動(dòng)源及光功率計(jì)組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中受微機(jī)和單片機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)源可改變對(duì)聲光調(diào)制器件的輸入功率達(dá)到多灰度聲光調(diào)制的目的。當(dāng)激光束以θB入射到聲光調(diào)制器時(shí)，就會(huì)發(fā)生布喇格衍射，產(chǎn)生兩束光功率互補(bǔ)的衍射光，當(dāng)通過數(shù)字電壓控制電路給驅(qū)動(dòng)源輸入線性電壓時(shí)，就會(huì)使兩束衍射光的光功率發(fā)生一定規(guī)律變化[6]。使用以數(shù)字電位器DS3902為主的恒流源電路，可在輸入電壓0～5 V的變化范圍內(nèi)，得到256個(gè)線性變化的電壓以及與其相對(duì)應(yīng)的光功率，并通過對(duì)聲光器件性能的理論分析驗(yàn)證了實(shí)際測量數(shù)據(jù)的可靠性，之后利用經(jīng)過處理的測量結(jié)果選擇一個(gè)合適的數(shù)字電壓控制電路，就可實(shí)現(xiàn)256級(jí)灰度的線性聲光調(diào)制器的設(shè)計(jì)。在數(shù)字電壓控制電路原有功能的基礎(chǔ)上添加灰度等級(jí)的選擇與顯示功能，使多灰度線性聲光調(diào)制器在大屏幕顯示與在光外差干涉系統(tǒng)中更易得到應(yīng)用。

圖2 聲光調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 數(shù)字電壓控制電路設(shè)計(jì)原理

2.1 數(shù)字電位器的使用

DS3902是一款雙路、非易失(NV)、256級(jí)、低溫度系數(shù)的數(shù)字可變電阻器，它可在2.4～5.5 V的寬電源范圍內(nèi)工作，通過I2C兼容的串行接口與器件通信。DS3902可產(chǎn)生雙路256級(jí)的線性數(shù)字電阻，滿足實(shí)驗(yàn)需求，又因其具有低成本、小尺寸的特點(diǎn)，使其能替代傳統(tǒng)機(jī)械式電位器，成為理想的實(shí)驗(yàn)儀器。數(shù)字電位器DS3902與單片機(jī)AT89C52接口電路如圖3所示。其中2、3管腳分別接單片機(jī)P1.0與P1.1接口，4、5管腳相互連接并接地，7管腳空置，8管腳接+5 V電源。將電路連接并寫入程序后，1管腳H0與GND間的電路等效于電阻R(H0)，其大小為0～15 kΩ，其阻值由輸入的程序決定，6管腳H1功能與1管腳相似，可產(chǎn)生0～50 kΩ的電阻R(H1)。

圖3 DS3902與單片機(jī)AT89C52的連接電路圖

2.2 恒流源電路

恒流源是模擬集成電路中廣泛使用的一種單元電路,在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)給數(shù)字電位器供給恒定電流時(shí)可產(chǎn)生與之相對(duì)應(yīng)的電壓，調(diào)節(jié)恒流源電流的大小可得電壓范圍，通過單片機(jī)控制的數(shù)字電位器阻值可決定最終所得電壓值，因?yàn)閿?shù)字電位器DS3902阻值隨著輸入的數(shù)字信號(hào)線性變化，所以最終所得電壓是線性變化的，通過256個(gè)檔次的線性輸入電壓可觀察記錄激光在聲光調(diào)制器調(diào)制下的衍射光對(duì)線性電壓做出的響應(yīng)。由運(yùn)算放大器CA3140、12 V的基準(zhǔn)電壓源、電阻、三極管9015(9013)和數(shù)字電位器組成的正恒流源電路如圖4所示。輸出電流為

(3)

式中β1,β2分別為2個(gè)三極管的電流放大系數(shù)?？赏ㄟ^改變R0控制電流I，因?yàn)棣?和β2皆為150，數(shù)字電位器H0端口的最大電阻為15 kΩ，所需電壓為0～5 V，所以電流為0.333 mA，R0=7.5 kΩ。

圖4 恒流源電路

為使后續(xù)電路對(duì)已調(diào)好固定幅值電路不產(chǎn)生影響，可使用電壓跟隨器，使在輸入、輸出電壓相等時(shí)不影響恒流源電路，而因?yàn)?.333 mA的電流無法驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器，則使用射極跟隨器，在不影響恒流源電路時(shí)對(duì)電路中電流進(jìn)行放大，達(dá)到驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器的目的。

2.3 電壓調(diào)制電路

由于256個(gè)檔次電壓作用于聲光調(diào)制器產(chǎn)生的一級(jí)衍射光強(qiáng)的變化呈非線性，所以需要對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)制，使在256個(gè)檔次電壓下衍射光功率的變化呈線性。恒流源電路的輸出電壓為

(4)

改變R0與R3及256個(gè)檔次的數(shù)字電阻器R，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)制。

CD4051相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān)，使用單片機(jī)對(duì)CD4051的A、B、C 3個(gè)通道輸入不同的地址碼，可接通需要的通道，進(jìn)而控制對(duì)應(yīng)規(guī)格的R0與R3，確定同一檔位數(shù)字電壓，達(dá)到電壓調(diào)制的目的。CD4051的結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。

圖5 CD4051芯片結(jié)構(gòu)及引腳功能

2.4 控制電路

控制電路由矩陣按鍵輸入部分及數(shù)碼管顯示部分組成，通過按鍵對(duì)單片機(jī)輸入不同檔次的數(shù)字電壓來控制數(shù)字電位器的阻值，并用數(shù)碼管顯示當(dāng)前檔次，進(jìn)而改變聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓，達(dá)到控制激光束通過聲光調(diào)制器后所產(chǎn)生的一級(jí)衍射光強(qiáng)度的目的，控制電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 控制電路結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)數(shù)字電位器性能進(jìn)行測試,數(shù)字電位器DS3902的阻值為0～15 kΩ,為方便數(shù)據(jù)采集和整理，我們?cè)诨叶鹊燃?jí)均勻變化下采集了64組數(shù)據(jù)，當(dāng)采用恒流源電路(見圖4)時(shí)，其輸出電壓與數(shù)字電位器的變化等級(jí)如圖7所示。由圖可知，輸出電壓隨灰度等級(jí)的提高而呈線性變化，使用線性變化的電壓增強(qiáng)了對(duì)聲光調(diào)制器性能測量的可靠性與準(zhǔn)確性。

圖7 電壓與灰度等級(jí)的變化關(guān)系

使用由633 nm的半導(dǎo)體激光器、149 MHz聲光調(diào)制器、線性聲光調(diào)制驅(qū)動(dòng)源及光功率計(jì)等組成的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)聲光調(diào)制驅(qū)動(dòng)源的工作性能進(jìn)行研究分析，半導(dǎo)體激光器通過聲光介質(zhì)產(chǎn)生的激光束為0級(jí)光，然后給聲光調(diào)制驅(qū)動(dòng)源通電使其工作，產(chǎn)生149 MHz的射頻功率信號(hào)，并通過電聲換能器作用于聲光晶體，使其產(chǎn)生一個(gè)等效于聲波波長間距的衍射光柵，通過對(duì)固定聲光器件的精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌龋孤暪庹{(diào)制器工作在布喇格衍射狀態(tài)[7-8]。輸入電壓不同時(shí)，對(duì)聲光調(diào)制器影響也不同，而輸入電壓是隨著數(shù)字電位器阻值的變化而變化的，使用256級(jí)的數(shù)字電位器DS3902，可在0～5 V內(nèi)產(chǎn)生256個(gè)線性變化的電壓，通過按鍵控制產(chǎn)生所需等級(jí)的電壓，進(jìn)而改變聲光調(diào)制的工作狀態(tài)，使激光通過聲光調(diào)制器后由布喇格衍射產(chǎn)生的0級(jí)光與+1級(jí)光功率發(fā)生改變，其+1級(jí)光功率在線性電壓下的變化如圖8所示。

圖8 光功率在線性電壓下的變化

由圖7、8可知，在線性電壓變換下，+1級(jí)光功率是非線性的，且其光功率的變化規(guī)律與式(1)相對(duì)應(yīng)，從另一個(gè)方面證明了數(shù)據(jù)可靠性與穩(wěn)定性。

為了使衍射光功率在數(shù)字調(diào)制電壓具有良好的線性關(guān)系，使衍射光功率的灰度變化范圍達(dá)到最大，線性相關(guān)系數(shù)為98.76%時(shí)數(shù)字調(diào)制電壓為0.3～5.0 V，用最小二乘法可獲得該區(qū)間的+1級(jí)(或-1級(jí))衍射光功率P與此區(qū)間數(shù)字調(diào)制電壓U的線性回歸方程為

P=0.352U-0.070 8

(5)

由圖8可知，在0.1 V≤U≤0.3 V時(shí)，聲光調(diào)制器光功率無變化，則數(shù)字調(diào)制電壓最小值Umin=0.3 V，最大值Umax=5 V，而其對(duì)應(yīng)+1級(jí)(或-1級(jí))衍射光功率最小值及最大值分別為Pmin=0.027 mW，Pmax=1.502 mW，由此可得衍射光功率灰度值的變化梯度ΔP=0.024 8。

由Pmin及ΔP可得線性衍射光功率為P′1=0.027 mW，P′2=0.051 8 mW，P′3=0.076 6 mW，…，P′64=1.589 4 mW。在此基礎(chǔ)上，由式(5)算出U′2=0.348 3 V,U′3=0.418 8 V,…，U′64=4.786 9 V，再通過式(4)及對(duì)數(shù)據(jù)分析可知，在恒流源電路下，使R0=8.25 kΩ，R3=3.2 kΩ，可產(chǎn)生使用最小二乘法所得電壓，再次測量可得光功率與灰度等級(jí)間的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 光功率與灰度等級(jí)之間的關(guān)系

由圖9可知，經(jīng)過最小二乘法處理過的電壓可改善衍射光功率與灰度等級(jí)的線性度，此時(shí)其線性相關(guān)系數(shù)為99.30%。因聲光晶體具有非線性特性，故輸入電壓均勻變化增長已不能滿足其線性補(bǔ)償?shù)男枨?。為此，我們可將灰度等?jí)分成幾個(gè)階段，并通過調(diào)節(jié)R0使每個(gè)階段中的衍射光功率與灰度等級(jí)都呈線性，再通過調(diào)節(jié)R3使各個(gè)線性階段處于同一條直線上。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中光功率增長速度的分析，將256個(gè)灰度等級(jí)分成4個(gè)階段：

1) 1～48級(jí)。此時(shí)，R0=8.6 kΩ，R3=4 kΩ。

2) 49～128級(jí)。此時(shí)，R0=10.5 kΩ,R3=5.4 kΩ。

3)129～168級(jí)。此時(shí)，R0=11 kΩ，R3=5.9 kΩ。

4) 169～256級(jí)。此時(shí)，R0=9 kΩ，R3=3.1 kΩ。

將4個(gè)階段的R0與R3分別代入式(4)中，并協(xié)同具有256級(jí)的數(shù)字電位器R來確定不同灰度等級(jí)的調(diào)制電壓，此時(shí)經(jīng)過數(shù)字調(diào)制的電壓已具備線性補(bǔ)償功能，補(bǔ)償后,衍射光功率與灰度等級(jí)間的線性相關(guān)系數(shù)為99.91%。圖10為線性補(bǔ)償前后衍射光功率與灰度等級(jí)的關(guān)系。

圖10 +1級(jí)衍射光強(qiáng)灰度值隨灰度等級(jí)變化

由圖10可知，與線性補(bǔ)償前相比，線性補(bǔ)償后衍射光功率與灰度等級(jí)的線性相關(guān)度高。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，補(bǔ)償后衍射光功率與灰度等級(jí)的線性相關(guān)系數(shù)為99.91%，比補(bǔ)償前提高了1.15%。在衍射光功率的變化范圍內(nèi)，線性變化的衍射光功率的灰度等級(jí)達(dá)到了256級(jí)。

4 結(jié)束語

本文使用了具有256個(gè)檔次的數(shù)字電位器DS3902為核心的恒流源電路，在0～5 V的輸入電壓范圍內(nèi)，通過對(duì)各個(gè)檔次的數(shù)字電壓進(jìn)行調(diào)制，使線性補(bǔ)償后衍射光功率與數(shù)字調(diào)制電壓的線性相關(guān)系數(shù)可達(dá)99.91%，比補(bǔ)償前提高了1.15%，衍射光功率的灰度等級(jí)達(dá)到了256級(jí)。在激光外差干涉測量領(lǐng)域，利用具有256級(jí)灰度等級(jí)的線性聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)的聲光調(diào)制器，數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)對(duì)0級(jí)光與+1級(jí)光的光功率匹配，完成激光外差干涉納米測量。