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[導(dǎo)讀]激光經(jīng)衍射光柵衍射后的光斑亮度比和透過率的測定是保證光盤驅(qū)動器等電子設(shè)備的質(zhì)量一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),采用高性能16位單片機(jī)SPCE061A創(chuàng)新地設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)波長650 nm激光衍射光柵測試儀器。主要設(shè)計(jì)了測試儀的小信號采樣及調(diào)理電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)以及相關(guān)的軟件程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對衍射光柵0級和1級光斑亮度比和光柵透過率測試誤差和均方差均滿足了光柵測試的精度和穩(wěn)定性要求,大大提高了測試的可靠性和效率。

O 引 言
   
激光衍射光柵是計(jì)算機(jī)光盤驅(qū)動以及消費(fèi)電子等設(shè)備中激光讀寫頭的關(guān)鍵部分。目前,專門用于測量激光衍射光柵參數(shù)的儀器還比較少見。DVD讀寫頭中用到的激光波長通常是650 nm,該設(shè)計(jì)采用650 nm的激光二極管LD(Laser Diode)作為衍射光柵源,結(jié)合高性能16位SPCE061A單片機(jī),設(shè)計(jì)了激光衍射光柵測試儀,主要測試衍射光柵0級和1級光斑亮度和光柵透過率,以提高衍射光柵質(zhì)量測試的精度和效率。

1 測試儀的工作原理
    激光衍射光柵測試儀工作原理框圖如圖1所示。測試儀的硬件包括四部分:激光二極管的驅(qū)動電路、小信號采樣及放大電路、LED顯示電路和單片機(jī)的最小外圍電路。系統(tǒng)顯示部分選用2塊4位的LED,采用動態(tài)掃描方式,各用1塊分別顯示光柵的光斑亮度比和透過率。

    測試原理:激光二極管驅(qū)動電路為激光二極管提供穩(wěn)定的合適的電壓電流,驅(qū)動激光二極管正常發(fā)光。光電探測器將經(jīng)光柵衍射后的光斑分別轉(zhuǎn)換成微弱的電流,該電流經(jīng)電流采樣及放大電路后得到符合A/D采樣范圍的電壓。該電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)的數(shù)字信號,將該數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,計(jì)算出光斑亮度比以及透過率的值,最后通過LED顯示出來。同時(shí),設(shè)置了重啟、清零、開始/保持、報(bào)警域值范圍設(shè)定等控制按鍵,以配合測試的進(jìn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 SPCE061A單片機(jī)的最小外圍電路

    測試儀MCU采用高性能16位SPCE061A單片機(jī),它具有7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和32個(gè)可編程的I/O口,可通過內(nèi)置在線仿真電路ICE(In-Circuit Emulator)接口在線調(diào)試。SPCE061A的開發(fā)是通過在線調(diào)試器PROBE實(shí)現(xiàn)的。它既是一個(gè)編程器(即程序燒寫器),又是一個(gè)實(shí)時(shí)在線調(diào)試器。用它可以替代在單片機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目的開發(fā)過程中常用的軟件工具——硬件在線實(shí)時(shí)仿真器和程序燒寫器。10位的單端ADC將GND與VREF之間的線性電壓轉(zhuǎn)換成2n個(gè)不同的數(shù)字量,即1 LSB=VREF/2n,該系統(tǒng)中1 LSB=2.5 V/1 024=2.4 mV。例如:假設(shè)從光探測器出來的電流為0.100 mA,經(jīng)10 kΩ電阻采樣后得到1 V電壓,則A/D轉(zhuǎn)換精度為2.4/1×100%=0.24%。再考慮到電流電壓轉(zhuǎn)換誤差、AD采樣誤差等,經(jīng)測試最后精度可以達(dá)到2%,基本可以滿足測試精度。
2.2 激光二極管的驅(qū)動電路
   
設(shè)計(jì)選用激光二極管型號為日本索尼公司的SDL6161RL,工作參數(shù)為:輸出波長為650 nm,工作電壓選用DC 5 V,閾值電流55 mA,工作電流為65 mA,出瞳功率為7 mw。激光二極管驅(qū)動電路如圖2所示。

    圖2中穩(wěn)壓管采用TL431,產(chǎn)生2.5 V穩(wěn)壓后,經(jīng)過電壓跟隨器AR1、電壓調(diào)整器AR2后得到一穩(wěn)定的電壓VREF送到AR3的正輸入端。從AR3出來的電流信號經(jīng)達(dá)林頓管的放大作用產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動電流,以達(dá)到激光二極管的工作電流需要。圖中R2=R3,AR3工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)下,由虛短概念可知,AR3的正輸入端和負(fù)輸入端的電壓相等,即:


    由于達(dá)林頓管的第一級工作在飽和狀態(tài),則

   
    因此只要給出合適的R6,R7,R10和R11便可得到所需的輸出電壓和電流。
2.3 小信號采樣及放大電路
    該系統(tǒng)具有兩路采樣通道,一路采樣0級光斑和未加光柵時(shí)激光直接照射探測器的信號,另一路采樣1級光斑光電轉(zhuǎn)換后的信號。從光探測器出來的是0.01~0.5 mA的微弱電流信號,而單片機(jī)的ADC轉(zhuǎn)換范圍是0~2.5 V。為了使A/D轉(zhuǎn)換的精度提高,必須對電流信號進(jìn)行電流一電壓轉(zhuǎn)換并將信號放大。
    一般來說,ADC轉(zhuǎn)換器在對量程范圍內(nèi)的中間值左右的轉(zhuǎn)換誤差最小。因此,設(shè)計(jì)時(shí)將所有電流信號都轉(zhuǎn)換為1 V左右的電壓信號。該系統(tǒng)需要測試的參數(shù)為光斑亮度比和光柵透過率,因此需要測量未加光柵前的探測器電流和加光柵后的兩個(gè)亮光斑產(chǎn)生的電流。而未加光柵前的電流大概為0.4~0.5 mA,0級光斑的電流大概為0.1~0.2 mA,而1級光斑的電流大概為0.01~0.05 mA,因此它們放大的倍數(shù)會有很大差別。其中測量0級光斑和未加光柵時(shí)激光的光探測器是同一個(gè),為了使兩者產(chǎn)生的電壓都在1 V左右,設(shè)計(jì)一個(gè)單刀雙擲開關(guān),以實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)。

3 測試儀的軟件設(shè)計(jì)
   
測試儀主程序流程圖如圖3所示。其中包括A/D轉(zhuǎn)換子程序、LED顯示子程序、外部按鍵中斷子程序。

    通過兩路A/D分別對0級和1級光斑轉(zhuǎn)換所得的電壓信號進(jìn)行采樣,為了提高采樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與可靠性,采用了數(shù)字濾波。每路數(shù)據(jù)采樣150次,去掉最大值和最小值之后再取平均值。每一種合格光柵,其光斑亮度比和透過率的值在一定的范圍內(nèi),如果超過這個(gè)范圍,說明該光柵參數(shù)不合格,儀器會顯示U或倒U來說明該參數(shù)是上溢還是下溢,方便了用戶。

4 測試結(jié)果與分析
   
對于10個(gè)光柵樣品,測試的1級和0級光斑亮度比數(shù)據(jù)如表1所示。每個(gè)相同樣品測5組數(shù)據(jù)。其中參考值為光柵廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)樣品值。


式(5)和式(6)中:δ為相對誤差;D為均方差;Ri為測量值;R為平均值;N為項(xiàng)數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,測試儀測試誤差小于2%,均方差小于2.2×10-3,完全滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語
    該設(shè)計(jì)利用高性能16位SPCE061A單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了DVD等設(shè)備用激光二極管衍射光柵測試儀,非常適用于小批量衍射光柵的測試。經(jīng)過實(shí)際測試驗(yàn)證,具有較高的穩(wěn)定性和精確度。具有溢出報(bào)警功能,同時(shí),該儀器成本低,體積小,檢測效率高,具有較高的推廣價(jià)值。

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