基于SPCE061A的激光衍射光柵測試儀設(shè)計(jì)

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。