SZY-1型雙折射測試儀電光調(diào)制信號源的改進(jìn)

摘要：從電路模塊化和程控的思想出發(fā)，對SZY-1型雙折射測試儀的信號發(fā)生器部分進(jìn)行了改進(jìn)。用單片機(jī)通過軟件編程產(chǎn)生方波信號，并用鍵盤控制其相位大小，取代了原來的硬件電路實現(xiàn)相位粗調(diào)和細(xì)調(diào)的方法。闡述了軟件設(shè)計流程，并對改進(jìn)后的電路進(jìn)行了仿真，結(jié)果性能良好。
關(guān)鍵詞：雙折射測試儀；單片機(jī)；移相；選頻

0 引言
    雙折射率是表征各向異性晶體光學(xué)特性的一個非常重要的光學(xué)參數(shù)，由材料的成分結(jié)構(gòu)以及生成條件等多種因素所決定，并且與波長有關(guān)。測量雙折射率的方法多樣，其中有最小偏向角法、棱鏡法、電光調(diào)制法、偏光干涉法等。SZY-1型雙折射率測試儀便是依據(jù)電光調(diào)制的方法設(shè)計的一種雙折射率測量系統(tǒng)。
    國內(nèi)折射率測試儀的開發(fā)歷時彌久。1987年，北京理工大學(xué)工程光學(xué)系研制的激光旋光雙折射測試儀通過鑒定并獲得機(jī)電部科技進(jìn)步獎。現(xiàn)在市面上的雙折射率測試儀主要有以下幾種：上海舒佳電氣有限公司生產(chǎn)的全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-10A、全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-22。其中全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-10A具有雙折射系數(shù)的線性解析度高達(dá)0．0lnm，可同時測量延遲軸和主軸兩個方向，基于光學(xué)相位差的雙折射系數(shù)顯示，一秒采樣時間等特點(diǎn)。全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-22具有可同時或獨(dú)立測量線性和周向雙折射系數(shù)，無需樣品旋轉(zhuǎn)，即可測量主軸和延遲軸的線性雙折射系數(shù)、圓周雙折射系數(shù)的旋轉(zhuǎn)角，一秒采樣時間，可選樣品旋轉(zhuǎn)臺，二維或三維顯示，可全自動操作等優(yōu)點(diǎn)。與此類似的還有一種PTC-4型應(yīng)力雙折射儀。但以上測量系統(tǒng)成本太高，不能達(dá)到一個較高的性價比。本文對北京大學(xué)無線電廠在1982年生產(chǎn)的一臺雙折射率測試儀的信號源部分進(jìn)行改進(jìn)，用單片機(jī)程控代替了原來的硬件調(diào)相電路，相位調(diào)節(jié)的范圍增大。

1 SZY-1型雙折射率測試儀存在的缺陷
    雙折射率測試儀是一種測量雙折射率的儀器。其本身由氦-氖激光管及電源、光具座、電光調(diào)制器等光學(xué)部分和光電調(diào)制器的交、直流調(diào)場電源、調(diào)制信號檢測、顯示及直流電壓測試等電路部分組成。
    該儀器采用激光-電光調(diào)制的方法，核心器件是電光調(diào)制器。經(jīng)高壓電路生成的可調(diào)直流電壓上加載一個同步載波信號，兩者共同輸入電光調(diào)制器用以對通過電光調(diào)制器的入射光的光程差進(jìn)行控制。其原理框圖如圖1所示。

    其中，同步信號產(chǎn)生的原理框圖如圖中虛線框中所示，分為信號產(chǎn)生、整形、分頻和移相、選頻輸出四部分。信號產(chǎn)生電路采用電容三點(diǎn)式振蕩器，產(chǎn)生f=36kHz的正弦波，然后經(jīng)過整形電路將邊緣緩慢變化的正弦波變成邊沿陡峭的矩形脈沖。信號的分頻是將36kHz的信號經(jīng)分頻器變成三路相位相差60°的6kHz的方波分別送入移相電路和基準(zhǔn)電路。移相電路是將信號的相位移動一個角度，以保證電壓穩(wěn)定性不因聯(lián)絡(luò)線連鎖跳閘、相繼退出而遭到破壞，可以明顯提高電壓穩(wěn)定極限。在移相電路前需要對原方波進(jìn)行積分以得到近似的正弦波。選頻輸出是將得到的移相信號加以選頻。因為振蕩電路的輸出有許多諧波，一般不需要都放大，所以要用選頻放大器選出所需要的頻率。通過選頻輸出的最終信號要與基準(zhǔn)信號進(jìn)行對比，以示相移的程度。
    經(jīng)過分析，原硬件電路設(shè)計復(fù)雜，而且功能模塊使用較少，有必要對原電路進(jìn)行改進(jìn)。

2 電光調(diào)制信號源改造方案
    同步信號源整體結(jié)構(gòu)改造框圖如圖2所示。

    新的設(shè)計方法是采用現(xiàn)在普遍使用的硬件和軟件結(jié)合的方法。首先由編程實現(xiàn)單片機(jī)產(chǎn)生兩路6kHz方波，一路送至示波器作為基準(zhǔn)，另外一路相對于基準(zhǔn)相位調(diào)節(jié)后送至選頻輸出模塊。相位粗調(diào)的兩鍵分別控制方波相對于基準(zhǔn)相位10°增加和減少；相位細(xì)調(diào)的兩鍵控制方波1°增加和減少。選頻輸出電路也在原來基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整。
2．1 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計
    設(shè)計的移相控制器選用STC89C52單片機(jī)為微處理器。8位單片機(jī)STC89C52具有高可靠性、超低價、低功耗且抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。它與8051單片機(jī)兼容，同時又有很多的改進(jìn)，工作電壓范圍寬，為3．4～6．0V，內(nèi)部看門狗電路經(jīng)過特殊處理，可省去外部看門狗，其電源抗干擾能力強(qiáng)。該系列單片機(jī)支持匯編語言和C語言編程。STC89C52的內(nèi)部帶有8kB的Flash程序存儲器和2kB的EEPROM，同時帶有512Byte的RAM，內(nèi)部有3個定時器／計數(shù)器，可進(jìn)行8、13和16位的定時／計數(shù)。
    利用2個定時器／計數(shù)器T0和T1，一個作為基準(zhǔn)方波電平的翻轉(zhuǎn)計數(shù)之用，另外一個作為相位延遲計數(shù)之用。這里按鍵采用中斷型。圖3單片機(jī)連接圖。

2．2 選頻電路設(shè)計
    選頻電路基本上采用原來的設(shè)計思想，經(jīng)鍵控調(diào)節(jié)后的方波信號經(jīng)電容C4積分后進(jìn)入晶體管Q1，Q1接成射隨器作為隔離級。在其發(fā)射級上串接有電位器RV1引至面板，通過控制Q2的基極電流，達(dá)到調(diào)節(jié)控制信號輸出幅度的目的。電感線圈TF1、電容C7等組成的諧振回路接在Q2的輸出回路中，并使其調(diào)諧在6kHz的頻率上，使信號的諧波成分很小，作為調(diào)制信號源輸出到電光調(diào)制器。如圖4所示。
    整個電路用到一些常用壓值的電壓如+15V、+5V。因此電源的設(shè)計可以采用傳統(tǒng)的變壓、整形、濾波、穩(wěn)壓的方法得到。由于這兩電源輸出的電流都小于1A，所以+15V電壓的獲得可以利用穩(wěn)壓芯片7815，而同理，單片機(jī)所需要的+5V電壓可采用7805電源模塊得到。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    主程序流程圖如圖5所示。

    安裝后，系統(tǒng)對鍵盤接入點(diǎn)的電平自動進(jìn)行檢測。當(dāng)按下key1鍵時即相位增加100，按下key2鍵則相位減少100，用參數(shù)1記錄兩按鍵的綜合效果值。當(dāng)按下key3鍵時相位增加10，按下key4鍵則相位減少10，用參數(shù)2記錄兩按鍵的綜合效果值。根據(jù)兩參數(shù)的值即可計算出最終移相。將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的延遲時間，即可得到相應(yīng)于基準(zhǔn)方波的另一路相移信號。

4 雙折射率測試儀改造實施與調(diào)試
    將連接好的電路進(jìn)行仿真，并對每一部位電路所產(chǎn)生的波形進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)完全符合原電路原理。調(diào)節(jié)相應(yīng)器件，波形也隨之發(fā)生變化，性能良好。仿真波形如圖6所示。

    焊接好的電路(不包含電源)如圖7所示。

5 結(jié)束語
    經(jīng)過長時間使用，改造后的雙折射測試儀信號源電路具有工作穩(wěn)定、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可在測量儀器中推廣使用。