测控技术与仪器论文

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1、北京信息科技大学毕毕 业业 设设 计计（ （论论文）文） 题题 目：目：脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究 学学 院：院：仪器科学与光电工程学院 专专 业：业：测控技术与仪器（光机电一体化） 学生姓名：学生姓名：王荷叶班级班级/ /学号：学号：测 0801/2008010662 指导老师指导老师/ /督导老师督导老师: : 祝连庆教授 起止时间起止时间: :2002 年 2 月 20 日至 2002 年 6 月 07 日 摘要I摘摘 要要光纤激光器具有免调节、免维护、高稳定性等优点，利用光电传感器技术和单片机控制技术相结合的方式来测量激光功率的方案，是非常普遍和有效的一种方式，并且光纤激光器也

2、被广泛应用于低功率的打标、雕刻等，同时向更高功率的金属和陶瓷的切割、焊接方面发展。本课题分析了脉冲光纤激光器的基本原理，并且详细指出了测量并显示激光功率的思路和所需考虑的问题，通过调试并分析系统的设计结构，最终完成对光纤激光器整体功率进行检测及显示。论文工作主要体现在以下几个方面：（1）对采集的激光信号的滤波,放大电路。（2）通过峰值保持电路将交流信号转化为直流的、峰峰值信号。（3）STC89C52 单片机部分的设计与软件编程。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。关键词：关键词：光纤激光器；PIN 光电管；ST

3、C89C52 单片机；功率 AbstractIIAbstractOptical fiber laser with avoided adjustment, free maintenance, high stability and other advantages, using photoelectric sensor technology and single-chip microcomputer control technology to measure the way of the combination of the laser power solution, is very common

4、 and effective way, and optical fiber laser is also widely used in low power marking, sculpture, etc, and at the same time to a higher power of metal and ceramic cutting, welding aspect development.This issue analyzes the pulse optical fiber laser fundamental principle and detailed measure and displ

5、ay pointed out the laser power train of thought and required consider problems, through the commissioning and analysis the design of the system structure, finally complete the whole of optical fiber laser power detection and display.The thesis work is mainly reflected in the following areas:(1) Coll

6、ected laster signal fitering, amplification circuit.(2) Peak hold circuit to AC signals DC, peak to peak signal.(3) STC89C52 microcontroller part of the design and software programming. The system circuit design reasonable, stable, the performance good, detection speed, simple calculation, easy to d

7、o real-time control, and in the measurement precision can reach industry practical requirement.Keywords: Fiber laser; PIN phototub; STC89C52 singlechip; Power目录III目目 录录摘摘 要要.IABSTRACT.II目目 录录.III第一章第一章 绪论绪论.11.1 课题背景及发展现状.11.2 课题研究的意义.21.3 课题研究的内容.2第二章第二章 光纤激光器光功率计的原理与设计光纤激光器光功率计的原理与设计.32.1 光纤激光器原理结

8、构.32.1.1 光纤激光器的原理 .32.1.2 光纤激光器的结构 .32.1.3 光纤激光器的分类 .32.2 脉冲光纤激光器光功率计总体设计方案.5第三章第三章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计.73.1 硬件电路的总体设计.73.1.1 功率计检测系统构成 .73.1.2 系统核心芯片的选用 .73.2 功率计检测系统硬件电路.93.2.1 信号采集系统 .103.2.2 信号放大滤波 .123.2.3 信号的峰值保持 .133.2.4 A/D 数模转换 .143.2.5 显示电路 .153.2.6 供电电路 .153.2.7 报警输出电路 .15第四章第四章 系统软件设计系统软件设计

9、.164.1 系统软件.164.2 基于 KEIL 软件编程.164.3 软件控制主程序.17第五章第五章 系统试验与调试系统试验与调试.195.1 实验平台搭建.195.2 实验调试及分析.195.2.1 信号的滤波 .195.2.2 信号的放大 .195.2.3 信号的峰值保持 .205.2.4 单片机处理及显示部分 .205.2.5 系统整体调试效果图 .21目录IV第六章第六章 总结与展望总结与展望.22结结 束束 语语.23参考文献参考文献.24脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究1第一章第一章 绪论绪论1.11.1 课题背景及发展现状课题背景及发展现状随着光通信网络及相关领域技术的飞

10、速发展，光纤激光器技术正在不断向广度和深度方面推进，将为光纤激光器的设计提供新的对策和思路。尽管目前多数类型的器件仍处于实验室研制阶段，但已经在实验室中充分显示其优越性。目前光纤激光器的开发研制正向多功能化、实用化方向迈进，可以预见，光纤激光器必将在未来光通信、军事、工业加工、医疗等领域中发挥重要的作用。脉冲光纤激光器在最近几年成为研究和关注的热点，但光纤激光器并非新生事物，就在激光器诞生后的第二年即 1961 年，美国光学公司(American Op tical Corporation )的 E.Snitzer 采用灯泵浦 0.012 英寸(约 304m)和 32m 两种直径的光纤(纤芯材料

11、是掺 Nd3+钡冕玻璃( bariumcrown glass),包层是苏打-石灰-硅酸盐材料，观察到了中心波长为 1.06m 的受激辐射现象，这是国际上最早报道的光纤激光器。1964 年 C.J.Koester 和 E.Snitzer 又发表了多组份玻璃光纤中的光放大结果。不久以后，光纤激光器被用于光学信息处理方面的工作，但由于当时条件的限制，此后光纤激光器的发展基本停滞不前。进入 21 世纪后，高功率双包层光纤激光器的发展突飞猛进，最高输出功率记录在短时间内接连被打破，前单纤输出功率(连续)已达到 2000W 以上。IPG( photonics)公司凭借在 2000 年获得的1 亿美元的风险

12、投资异军突起，展示了各式光纤激光器和放大器:S、C、L 波段的各种光纤放大器、高功率的 EDFA、拉曼光纤激光器和双波长拉曼光纤激光器。它推出一系列的掺 Yb 高功率光纤激光器，现在输出功率有直到 50kW 的产品可供选择。德国的 IPHT 也有极高的研发和制造水平，它们也加入到新产品的市场竞争中来。现在已经有多台千瓦级光纤激光器在美国、欧洲、亚洲投入到工业加工或科学研究中。国内从 20 世纪 80 年代开始这个领域的研究工作，如上海光机所、清华大学、华中科技大学、中国科学技术大学、天津大学以及邮电部和电子部所属的一些研究单位，在光纤激光器、放大器和相关器件的研究中都取得了一定的进展。国内掺

13、Yb3 +双包层光纤激光器的研究起步较晚。南开大学开展掺镱双包层光纤激光器的研究工作，并取得了一系列的科研成果，特别是在双包层光纤光栅方面取得了开创性成果。上海光学精密机械研究所则在光纤激光器研制方面开展了许多重要的工作，经过对抽运光的整形，大大提高了耦合效率，报道的百瓦量级的掺镱双包层光纤激光器，实现了高达 70%的光转换效率。中国兵器装备研究院报道单纤功率突破 1kW。但总的来说，国内研究滞后国外几年时间，关键性制约因素是缺乏自主研制光纤制作设备和开发高功率泵浦半导体激光器的能力。2003 年南开大学报道了利用脉冲泵浦获得 100kW 峰值功率的调 Q 脉冲,以及得到的 60nm 可调谐的

14、调 Q 脉冲。2004 年 12 月 3 日，烽火通信报道，继推出激光输出功率达 100W 以上的双包层掺镱光纤后，经过艰苦的攻关再创佳绩，将该类新型光纤的输出功率成功提高至 440W，达到国际领先水平。这是烽火通信在特种光纤领域迈出的重要一步，同时也是我国在高功率激光器用光纤领域的重大突破。掺镱双包层光纤激光器是国际上新近发展的一种新型高功率激光器件，由于其具有光束质量好、效率高、易于散热和易于实现高功率等特点，近年来发展迅速，并已成为高精度激光加工、激光雷达系统、光通信及目标指示等领域中相干光源的重要候选者。双包层掺镱激光器的主要激光增益介质脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究2是双包层掺镱

15、光纤，因此双包层掺镱光纤的性能直接决定了该类激光器的转换效率和输出功率。烽火通信作为国内唯一一家进行双包层掺镱光纤研究的单位，在成功推出输出功率达 100W 以上的完全可商用的双包层掺镱光纤产品后，又加大的研发力度，使得其输出功率实现 440W 以上，达到国际领先水平。1.21.2 课题课题研究的意义研究的意义光纤激光器的的研究有着十分深远的意义，光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻、激光打标、激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接） 、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。光纤激光的工业

16、应用从低功率的打标、雕刻(十瓦、百瓦级)向更高功率的金属和陶瓷的切割、焊接等方面发展 (千瓦到万瓦级)，在汽车工业和船舶工业中结构，紧凑、使用方便的高功率光纤激光器具有巨大的市场潜力，但要成功取代常规工业激光器则依赖于它能获得优良的光束质量、更低的价格以及企业良好的售后服务。因为随着光纤激光器应用范围的不断拓宽，其发展的意义也会越来越重，在不久的将来，随着激光技术的日趋成熟稳定，其应用也会更加贴近人们的日常生活，更加具有普遍性。所以说在未来对于光纤激光器研究的意义是十分重要的。本论文的光功率计的设计主要是对光纤激光器整体功率进行检测并显示，在此基础上再进行反馈控制半导体激光器的驱动电源。由于时

17、间和能力问题功率反馈部分没有完成。所以课题的设计与研究是围绕光纤激光器光功率计展开的。1.31.3 课题研究的内容课题研究的内容该课题主要是根据光纤激光器的功能特点，研究方向是设计一个可以通过 PIN 光电二极管将激光器发出的不同频率的激光信号采集下来，通过转化为电信号，数字信号，以及通过单片机软件编程实现功率显示在数码管上的设计。这是本课题的基本设计思路，完成脉冲光纤激光器光功率的显示需要以下几个重要内容进行设计研究：（1）对激光信号的采集，将光信号转化为电信号。（2）对激光信号进行滤波、放大。（3）对该信号进行峰值保持，将交流信号转化为直流信号。（4）通过 AD 转换将模拟信号转换为数字信

18、号。（5）通过单片机将数字信号进行分析处理。（6）通过软件编程实现激光信号功率可以最终显示在数码管上。（7）设置报警装置。对于该系统的功能是最终实现光功率的显示，通过具体的细化分析研究之后，就可以进行整个系统的初步构架了。原理图设计完之后，经过分析论证，MATLAB 软件仿真，经过反复检测没有问题，方可进行电路板的制作，最后就是对元器件的排版焊接和电路板的调试。上述的基本操作过程就是脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究的初步方向内容以及要实现的基本功能。激光信号的频率在 20kHz-200kHz 的范围内,测量的激光信号的范围是 18kHz-22kHz 的频率。 脉冲光纤激光器光功率计的设计与研

19、究3第二章第二章 光纤激光器光功率计的原理与设计光纤激光器光功率计的原理与设计2.12.1 光纤激光器光纤激光器原理结构原理结构2.1.1 光纤激光器的原理光纤激光器的原理光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来，光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性。在短期内，光纤激光器将主要聚焦在高端用途上随光 纤激光器的普及，成本的降低以及产能的提高，最终将可能会替代掉全 球大部分高功率 CO2 激光器和绝大部分 YAG 激光器。当泵浦光通过光纤时，纤芯中的稀土离子吸收泵浦光，跃迁到激光上能级，产生粒子数反转。反转后

20、的粒子在自发辐射光子或者特别注入的光子诱导下以受激辐射跃迁到激光下能级，同时发射出与诱导光子相同的光子，这样的过程雪崩般发生，于是发射出激光。这就是光纤激光器的基本原理。选择在光纤中掺稀土离子构成光纤激光器，因而能方便地采用成本低廉的、工艺较为成熟的半导体激光器作为泵浦光源。2.1.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构光纤激光器的基本结构由增益介质、谐振腔与泵浦源组成。增益介质为掺有稀土离子的光纤芯，掺杂光纤放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进入光纤，经准直光学系统和滤波器得到输出激光。从理论上来说，只有泵浦源和增益光纤是构成光纤激光器的必须组件，而谐振腔并非

21、必不可缺的组件。谐振腔的选模和增加增益介质长度的作用在光纤激光器中是可以不用的，因长光纤本身可以非常长 ,从而获得很高的单程增益，而光纤的波导效应又可以起到选模的作用。但实际应用中人们一般希望使用较短光纤，所以多数情况下采用谐振腔，以引入反馈。光纤激光器的一般结构如图 2.1 所示。泵浦光有源光纤激光输出高反光栅低反光栅图 2.1 光纤激光器的一般结构2.1.3 光纤激光器的分类光纤激光器的分类光纤激光器种类繁多 ,按照不同的标准可以分成若干种类，具体分类如表 2.1 所示。脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究4表 2.1 光纤激光器的分类分类方法种类按输出模式分类单模光纤激光器和多模光纤激光器

22、按光波波段分类S 波段 (1 2801 350nm)、 C 波段 (1 5281 565nm) 和 L 波段(1 5611 620nm)按谐振腔结构分类F - P 腔、 WDM 谐振腔、 光纤光栅谐振腔等按工作机制分类上转换光纤激光器和下转换光纤激光器按工作方式分类脉冲激光器和连续激光器按掺杂元素分类掺饵 ( Er3 +)、 钕 (Nd3 +)、 镨 ( Pr3 +)、 钬 (Ho3 +)镱 (Yb3 +)、铥 ( Tm3 +)等按增益介质分类稀土类掺杂光纤激光器、 非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器和塑料光纤激光器等下面以双包层光纤激光器为例进行原理的分析，MOPA 式脉冲双包层光纤激光器

23、主要是把种子光源藕合进入双包层光纤的纤芯,在光纤同端或异端以大功率 LD 泵浦,后经声光调制器将激光能量集中到宽度较窄的脉冲中，从而提高光脉冲的峰值功率，就能得到的单脉冲能量较高、平均输出功率较大、调谐范围广、光束质量好的激光光束。对于连续工作的光纤激光器 ,光纤本身就是工作物质,一般采用结构简单的一腔结构 ,这样无需在腔内放置其它光学元件就可以获得高功率的激光输出。但如果从应用目标出发时,连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低,脉冲工作的光纤激光或许更为有用。脉冲双包层光纤激光器是一种新型激光器 ,和普通的固体激光器相比,双包层光纤激光器具有很高的“表面积-体积”比,散热效果好,具有很高

24、的转换效率和很低的阂值。双包层结构使泵浦光有较大的可入射面积,当光沿纤芯传播时,泵浦掺杂纤芯将产生亮度很高,而且光束质量接近衍射极限的激光输出。双包层光纤激光器在产生高平均功率脉冲激光方面有相当大的潜力 ,它们可以成为替代某些调 或锁模激光器的另一种高效多用途激光器。脉冲双包层光纤激光器在通讯、医学、工业加工、生物学等领域有很大的应用价值。双包层光纤激光器是由同心的纤芯，内包层，外包层以及保护层组成，内包层和外包层有同心的圆截面结构，双包层的直径远大于纤芯的 r 结构，纤芯中掺入稀土元素与单模光纤纤芯一样，具有很大的折射率，其用来传输单模信号光，内包层具有和普通光纤的纤芯相同的材料，它的折射率

25、处于纤芯和外包层之间，用来传输多模泵浦光，外包层的折射率最小，内包层和纤芯构成一个大的纤芯，用来传输泵浦光，其以折线方式反复穿过纤芯并被掺杂吸收，这样在纤芯中传播光的比例就会增加，它的光源使用多个多模激光激光二极管 LD 组成。双包层光纤激光器原理图如图 2.2 所示。脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究5图 2.2 双包层脉冲光纤激光器原理图 固态激光器一直都是近几年国内外激光器领域研究的主要产品之一，由于它的功率输出反映着激光器输出的稳定特性，所以对其功率的研究就显得尤为重要了。在很多全固体激光器中，其输出光功率稳定性都在20左右，制约其性能的因素有很多方面，如有激光器腔内倍频晶体、激光器的

26、温度控制精度、激光器工作电流的稳定性、增益介质等。如果单靠提高激光器控温精度必然导致激光器成本的大幅度提高，如果激光器本身的性能已达到技术参数要求，则进一步通过控制来调节半导体激光器工作电流从而降低输出光功率的振荡和超调是一种很好的解决方法。在光纤激光器系统中，半导体激光器起到泵浦原的作用，维持它的输出功率的稳定性尤为重要，半导体激光器受到微小的电流和温度变化的影响时，将导致半导体激光器输出功率的波动，也就是半导体激光器的输出功率不稳定。要保证它的稳定性，就需要设计一个控制系统来监控半导体激光器的发光状况，控制半导体激光器的驱动电流以保持半导体激光器功率输出的稳定，所以半导体激光器输出功率的稳

27、定性是急待解决的问题。本论文的光功率计的设计主要是对光纤激光器整体功率进行检测并显示。再此基础上再进行反馈控制半导体激光器的驱动电源。由于时间和能力问题功率反馈部分没有完成。本课题的整体设计与研究是围绕光功率计的检测与显示来展开的。2.22.2 脉冲光纤激光器光功率脉冲光纤激光器光功率计总体设计方案计总体设计方案脉冲光纤激光器光功率的设计，是利用 pin 光电二极管采集由激光器发出的不同频率的微弱激光信号，并将其转化为电压信号，通过完整的带通滤波电路进行滤波，将不必要的外界光引起的干扰杂波滤掉，然后将得到的微弱的电压信号，通过放大电路进行放大， （本课题所需放大 50 倍） ，为了得到更加准确

28、的实验效果，该测试系统中我选择加入峰值保持电路，将交流转化为直流，让单片机可以一直采集到被放大的微弱电压信号的峰峰值。经过峰值保持后的直流信号，可以直接被AD0804 数模转换器接收，将该模拟信号转变为数字信号，以便单片机进行识别，通过对单片机进行软件编程，在其内部将其转化为可以显示在数码管上的功率值，最终通过数码管显示，在整个系统的最后加入报警系统，可以使该课题的设计更加的完整，以便在数码管上显示的功率值超出了预设的最大功率值，系统会自动报警。 光功率计检测与显示系统框图如图 2.3 所示。激光器发出激光信号PIN 光电管采集信号峰值保持电路保持信号对该信号进行滤波放大设置报警控制装置89C

29、52 单片机分析处理AD0804数模转换LED 数码管显示功率值图 2.3 光功率计检测与显示系统框图通过上面的系统框图的设计最终可以实现功率计的显示，通过单片机的软件编程设定当功率值超过设定的 10W 的上限值时，在系统中的报警系统的蜂鸣器将会启动发出“嘟 嘟”的响声。 在完成了基本的设计构想后，同时也存在一定的问题以待解决，如在光信号的采集、放大、滤脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究6波过程中，需要设计一套比较完善的放大滤波电路，其中为避免噪声计外界干扰，对于放大滤波电路的设计要求精度要高。在通过单片机进行编程的过程中，软件的编程是比较复杂的一个环节，以及峰值保持电路的稳定性是否能够保证单

30、片机可以稳定的采集到放大信号的峰峰值等问题。解决的方法和措施：1.找到比较完整的，并且通过多级放大滤波来解决噪声和干扰的问题，或者通过直接接入模块已解决类似问题。2.在进行软件程序编程之前，需要比较深入的了解单片机编程的基本方法和技巧，熟练掌握单片机编程的特点。3.初步设计的整体电路中我没有在信号采集，放大滤波后加入峰值保持电路，而是通过 A/D 转换直接进行了模拟信号到数字信号的转换，后经过分析可知，这样单片机不能够直接采样到峰值，所以我又增加了一个峰值保持电路的环节，目的是通过峰值保持电路可以将交流转换为直流，并稳定的保持住，这样做能够更加充分的保证单片机采样到稳定的峰值，使得噪声以及外部

31、干扰降到最低。脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究7第三章第三章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计3.13.1 硬件电路的总体设计硬件电路的总体设计3.1.1 功率计检测系统构成功率计检测系统构成通过光电探测器模块采集激光信号，由于激光信号比较微弱需要对其进行信号滤波放大，然后通过峰值保持电路对脉冲信号进行处理以便单片机采集到峰值，将采集到的峰值信号通过 A/D 数模转换器将模拟信号转换为单片机可以识别的数字信号，由单片机对采集的信号进行运算处理从而得到功率值，在数码管上完成对激光功率的显示，在系统中设置报警系统，在功率值超出规定值报警系统启动。硬件电路系统设计总体框图如图 3.1 所示。PIN

32、GPIN 光电管以 OPA234为核心的放大电路以 NE5532为核心的峰值保持A/D0804 转换STC89C52 单片机蜂鸣器报警装置光纤激光器以 LM741为核心的滤波电路LED 数码管显示图 3.1 硬件电路系统设计总体框图 3.1.2 系统核心芯片的选用系统核心芯片的选用STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 系统可编程 Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案 。具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节RAM

33、，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KBEEPROM，MAX810 复位电路，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口。另外 ，STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz，6T/12T 可选。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要

34、的大部分部件： CPU、内存、内部和外部总 线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究8备当中。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业

35、标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。STC89C52最小系统电路如图3.2所示。图 3.2 STC89C52 最小系统电路 1.时钟电路STC89C52 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 RXD 和 TXD 分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。时钟电路如图 3.3 所示。（a）方式时钟内部电路 （b）外部方式时钟电路图 3.3 时钟电路内部方式的时钟电路如图 3.3(a) 所示，在 RXD 和 TXD 引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz 之间选

36、择，电容值在 530pF 之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图 3.3（b）所示，RXD 接地，TXD 接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12MHz 的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟 P1 和 P2，供单片机使用。如图示，RXD 接地，TXD 接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12MHz 的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟 P1和 P2，供单片机使用。RXD 接地，TXD 接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉

37、冲宽度，一般采用频率低于 12MHz 的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟 P1 和 P2，供单片机使用。本课题的单片机部分的时钟电路采用的是（b）方式时钟外部电路 RXD 接地，TXD 接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12MHz 的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟 P1 和 P2，供 STC89C52 单片机使用。脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究92.复位电路（1）复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把 PC 初始化为 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序。除了进入系统

38、的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。（2）复位信号及其产生RST 引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续 24 个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为 6MHz 的晶振，则复位信号持续时间应超过 4us 才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图 3.4 所示。 图 3.4 复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的 S5P2 时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操

39、作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。复位电路如图 3.5 所示。（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位图 3.5 复位电路上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图 3.5（a）所示。这佯，只要电源 Vcc 的上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与 Vcc电源接通而实现的，其电路如图 3.5（b）所示。而按键脉冲复位则是利用 RC 微分电路产生的正脉冲来实现的。其电路如图 3.5（c）所示。上述电路图中的电阻、电容参数适用于 6MHz

40、晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于 2 个机器周期。本系统的复位电路采用图 3.5（a）上电复位方式。3.23.2 功率计检测功率计检测系统硬件电路系统硬件电路通过激光器发出不同频率的激光信号，由 pin 光电二极管采集由激光器发出的不同频率的微弱激光信号，并将其转化为电压信号，通过完整的带通滤波电路进行滤波，将不必要的外界光引起的脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究10干扰杂波滤掉，然后将得到的微弱的电压信号，通过放大电路进行放大课题需要的是两级放大 50倍，为了得到更加准确的实验效果，该测试系统中我选择加入峰值保持电路，将交流转化为稳定的直流，让单片机可以一直采集到被放大的微弱电压信号的

41、峰峰值。经过峰值保持后的直流信号，可以直接被 AD0804 数模转换器接收，将该模拟信号转变为数字信号，以便单片机进行识别，通过对单片机进行软件编程，在其内部将其转化为可以显示在数码管上的功率值，最终通过数码管显示，在整个系统的最后加入报警系统，可以使该课题的设计更加的完整，以便在数码管上显示的功率值超出了预设的最大功率值，系统会自动报警。3.2.1 信号采集系统信号采集系统信号采集:在激光信号的采集过程中需要用到光敏二极管进行激光的采集，由于光敏二极管包含 P-N 结型，PIN 结型，雪崩型，以及肖特基型二极管，因为是采集激光信号，所以光电管的速度要快，因此在这里我提出两套不同的方案：方案一

42、：由于考虑到课题的要求，光电管采集速度要快，采用雪崩二极管进行激光信号的采集,雪崩击穿是在电场作用下，载流子能量增大，不断与晶体原子相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对。 雪崩二极管是一种负阻器件，特点是输出功率大，但噪声也很大。雪崩噪声是雪崩二极管振荡的噪声远高于其它振荡器的主要原因。所以我们就要加强总体设计的第二个环节信号的放大滤波过程，以便尽可能减小、削弱噪声及干扰。方案二：在上述的光电二极管的 PN 结中间掺入一层浓度很低的 N 型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称

43、 I 层，因此这种结构成为 PIN 光电二极管。I 层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在 I 层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在 I 层两侧是掺杂浓度很高的 P 型和 N 型半导体，P 层和 N 层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。通过插入 I 层，增大耗尽区宽度达到了减小扩散分量的目的，但是过大的耗尽区宽度将延长光生载流子在耗尽区内的漂移时间，反而导致响应变慢，因此耗尽区宽度要合理选择。通过控制耗尽区的宽度可以改变 PIN 观点二极管的响应速度。（1）PN 结的光电效应光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的 PN 结

44、二极管，如下图。由光电二极管作成的光检测器的核心是 PN 结的光电效应。当 PN 结加反向偏压时，外加电场方向与PN 结的内建电场方向一致，势垒加强，在 PN 结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到 PN 结上，且光子能量 hv 大于半导体材料的带隙 Eg 时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上形成一个电子空穴对。 在耗尽区，在内建电场的作用下电子向 N 区漂移，空穴向 P 区漂移，如果 PN 结外电路构成回路，会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号。当射光子能量小于 Eg 时，不论入射光有多强光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足式

45、 3.1（3.1）gcEhcc 为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。 以 Si 为材料的光电二极管,c=1.06m；以 Ge 为材料的光电二极管，c=1.60m。 利用光电效应可以制造出简单的 PN 结脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究11光电二极管。但这种光电二极管结构简单，无法降低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。 PIN 光电二极管是在掺杂浓度很高的 P 型、N 型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为 I 层。在外加反向偏置电压作用下，I 层中形成很宽的耗尽层。由于 I 层吸收系数很小，入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而

46、产生大量的电子空穴对，因此大幅度提高了光电转换效率。另外，I 层两侧的 P 层、N 层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。 首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换。其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。 SiPIN 光电二极管的波长响应范围为 0.51m。GePIN 和 InGaAsPIN 光电二极管的波长响应范围约为 11.7m。（2）响应度 响应度是描述光检测器能量转换效率的一个参量。它定义为式 3.2 (3.2)/(24. 1PL0rWAhveRR其中，P0为入射到光电二极管上的光功率；Ip 为所产生的

47、光电流。它的单位为 A/W。（3）量子效率量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即： =(光电转换产生的有效电子-空穴对数)/入射光子数 它定义为式3.3（3.3）ehfRhfPIinp/e/其中,e 为电子电荷，其值为 1.610-19 C。它定义为式 3.4（3.4）24. 1hfeR式中, 单位取 m。可见，光电检测器的响应度随波长的增大而增大。可以看出，响应度、量子效率随着波长的变化而变化。为提高量子效率，必须减少入射表面的反射率，使入射光子尽可能多地进入 PN 结同时减少光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区内

48、被充分吸收。（4）响应速度响应速度是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间），光电二极管在接收机中使用时通常由偏置电路与放大器相连，这样检测器的响应特性必然与外电路相关。图 4 为检测器电路及其等效电路，其中 CPN 为检测器的结电容；Rb 为偏置电阻；Ra、Ca 分别为放大器的输入电阻和输入电容；Rs 为检测器的串联电阻，通常只有几欧，可以忽略。 影响响应速度的主要因素有： 检测器及其有关电路的 RC 时间常数，设它造成的脉冲前沿上升时间为：。要提高响应速度，就要降低整个电路的时间常数。从检测器本身来看，就要尽可能RC降低结电容。 它定义为式 3.5 (3.5)WAC

49、PN式中， 为材料的介电常数，A 为结面积，W 为耗尽区厚度。载流子漂移通过耗尽区的渡越时间，设上升时间为：，光电二极管的响应速度主要受到耗尽区内的载流子在电场作用下的漂dr移通过所需时间(即渡越时间)的限制。渡越时间,它定义为式 3.6脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究12（3.6）ddrvWt式中，vd 为光身载流子的漂移速度。漂移运动的速度与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比于电场强度，当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟，设上升时间为：di。耗尽区外产生的载流子一部分复合，一部分扩散到耗尽区，被电路吸收。由于扩散速度比漂移速度慢得多，因此

50、，这部分载流子会带来附加时延，会使输出电信号脉冲拖尾加长。总的上升时间定义为式 3.7（3.7）212di22(）drRCr光检测器的功能 光检测器的主要功能是将光信号转换为电信号。光检测器是光接收模块的重要部件。目前光纤通信系统中使用的光检测器主要是移相开关二极管，即 PIN 二极管。PIN 二极管对低频信号具有整流作用，而对高频信号，却只有阻抗作用。阻抗值的大小决定于中间层。当中间层为正偏时，因为有载流子注入中间层，器件呈低阻；而当中间层处于零偏或反偏时，器件呈高阻。从而可以用于信息的检测。光检测器的一个重要性质就是接收灵敏度，它是外入光信号使接收器工作必须具有的最小功率。应该指出，接收器

51、灵敏度是针对一定范围的光波长而言的。 光纤通信系统对光检测器的要求：（1）在工作波长上光电转换效率高，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流。（2）响应速度快，线性好及频带宽，使信号失真尽量小。（3）噪声低，器件本身对信号的影响小。（4）体积小、寿命长、高可靠、工作电压低等。3.2.2 信号放大滤波信号放大滤波 （1）信号的滤波 本课题中，对于采集到的激光信号的分析处理是十分重要的环节，它的效果直接影响下面环节的进行，当 PIN 光电管采集到激光器发出的激光信号的同时，把微弱的激光信号转化为微弱的电信号，在这个转换的过程中肯定掺杂着各种外界光的杂波，从而影响实验结果。在这里滤波的作用将

52、会显得至关重要，由于激光器发出的频率在 20kHz-200kHz 的范围内，而我选择测量的是 18kHz-22kHz 的范围内的信号来进行测量，相对于其它的光波激光信号的频率较高，所以我决定选用带通滤波器来完成滤波的任务，带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLC circuit)。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生 。当滤波器的上截止频率与下截止频率之间的间隔超过近似为 2 的比值时，该带通滤波器可认为是宽带型的。滤波器的设计此时可以化为低通滤波器与

53、高通滤波器的级联。滤波器的设计技术条件也可以化为高通条件和低通条件两个独立的因素，并根据条件分别设计高通和低通滤波器将之级联以满足设计要求。其中，由于对归一化低通滤波器进行阻容变换并应用高通条件，即可得到所需高通滤波器，所以问题归结为设计合适的低通滤波器。由于题中测量的是激光信号的功率计的显示，所以在信号的输入端理论上应该只有激光信号的频率可以通过，从而通过带通滤波器滤掉周围光线频率的干扰（太阳光光以及日光灯等） ，脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究13所以这里对于滤波的要求就显得比较重要，因 为滤波的效果好坏直接影响 实验结果的准确度，所以这是整个设计电路的重要一环。下图就是 带通滤波器设计

54、的电路图，从图中可以看出为了有效地完成滤波的任务，需要确定一些电阻的 阻值，因为课题所要的是 18-22kHz 由以计算出：中心频率 fc=20kHz，带宽 BW=4kHz,以及增益 GAIN=2，电容值 C 选择 103 电容，通过计算可知R1=2k，R2=100，R3=8k 确定后，根据以下电路图搭接电路，完成滤波部分的设计，并进行调试。信号滤波电路如图 3.6 所示。 图 3.6 信号滤波电路（2）信号的放大对前面采集到的激光信号滤波后，该电压信号还是比较微弱的，所以为了达到设计的基本要求还需要对滤波后的微弱信号进行放大，从课题的实际需要出发，需要将电压信号放大 50 倍。通过两级放大将

55、电压信号放大 50 倍，这里需要的元器件包括：精密运放 OPA234，主要阻值为1k，5k，10k 的电阻及 103 电容，导线若干根据放大滤波电路的要求进行放大滤波电路的设计与连接。 信号放大电路如图 3.7 所示。图 3.7 信号放大电路3.2.3 信号的峰值保持信号的峰值保持峰值保持是该课题的十分重要的创新点，也是课题设计的重要环节，它的作用是将放大滤波后的交流信号转化为直流信号，使直流信号一直保持在交流信号的峰峰值，峰值保持电路可以跟随输入信号变化并能将最大值记忆下来的电路，通过它可以使输入信号一直保持直流和峰峰值的稳定状态。模拟信号进行A/D转换时，从启动到转换结束 输出数字量，需要

56、一定的转换时间（100us） ，在这个时间内模拟信号需要保持不变，否则转换精度没保证造成转换误差，为了避免这种误差，在脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究14A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，在转换后又能跟踪输入信号的变化，所以峰值保持电路的功能就是跟踪脉冲信号，直到输入信号达到峰值，然后再进入保持状态，并保持输入信号的峰值不变，直到复位，再回到跟踪状态。在实际的电路设计中最好采用的是，高速窄脉冲的峰值保持电路，对于激光器而言在信号发生器输入电压时信号是微弱的，一般来讲是 10mv 左右的微弱电压信号，该信号在数字示波器上显示时，波形的干扰是十分明显的，所以选用高速窄脉冲的峰值保持电路时，

57、即使脉冲激光信号波形存在干扰，峰值保持电路依然可以通过自身对窄脉冲信号的保持起到很好的作用。 峰值保持电路主要由比较器、寄存器、模拟开关或传轴门等组成，寄存器中内容的初值为零，当输入信号大于初值时, 比较器输出控制信号, 打开模拟开关传输门, 将信号送人寄存器寄存并输出。当输入信号小于或等于寄存器中初值时, 比较器关闭模拟开关传输门, 寄存器保留当前送入的最大信号作为输出。本课题峰值保持电路如图 3.8 所示。图 3.8 峰值保持电路 3.2.4 A/D 数模转换数模转换A/D 转换：通过 A/D 数模转换器将脉冲信号转换为单片机可以识别的数字信号。所谓 A/D 转换器就是模拟/数字转换器（A

58、DC） ，是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号输入端可以 是传感器或转换器的输出，而 ADC 的数字信号也可能提供给微处理器。它的主要电气特性如下：工作电压：5V，即 VCC5V。模拟输入电压范围：05V，即0Vin5V。分辨率：8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0255之间。转换时间：100us（fCK640kHz 时） 。转换误差：1LSB。参考电压：2.5V，即 Vref2.5V。ADC0804的管脚图如图3.9所示。脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究15：图 3.9 AD0804 管脚图3.2.5 显示电路显示电路本课题采用三位一体 L E D 数码管显示所测距离值，数

59、码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的 P2 口，位码输出端口分别为单片机的 P3.4、P3.2、P3.3 口,数码管位驱运用 PNP 三极管 S9012 三极管驱动。显示电路采用 3 位共阳 LED 数码管。单片机输出的功率值给数码管显示出示值，LED 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，了解 LED 的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。将多只 LED 的阴极连在一起即为共阴式，而将多只 LED 的阳极连在一起即为共阳式，以共

60、阴式为例，当然，LED 的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将b和c段接上正电源，其它端接地或悬空，那么b和c段发光，此时，数码管显示将显示数字“1” 。而将a、b、d、e和g段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2” 。 3.2.6 供电电路供电电路由于采用的是 LED 数码管用为显示方式，正常工作时，系统工作电流约为 30-45mA，为保证系统统计的可靠以及正常工作，系统的供电方式主要交流 5V，同时为调试系统方便，供电方式考虑由 USB 口供电。在放大和峰值保持部分的电路供电分别需要+12V，以及+12、-12V 的供电方式，我选用自制电源模块来提供电源。这样

61、可以有效地保证了两部分电路的基本电源供电的要求。3.2.7 报警输出电路报警输出电路为提高课题设计的实用性，课题所设计所需报警输出提供开关量信号及声响信号两种方式。方式一：报警信号由单片机 P3.1 端口输出，继电器输出，可驱动较大的负载，电路由电阻R6、三极管 BG9、继电器 JDQ 组成，当测量值低于设定的报警值时继电器吸合，测量值高于设定的报警值时，继电器断开。方式二：报警信号由单片机 P0.2 口输出，提供声响报警信号，电路由电阻 R7、三极管 BG8、蜂鸣器 BY 组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。

62、 脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究16第四章第四章 系统软件设计系统软件设计4.14.1 系统软件系统软件在这次课题的研究中，对于程序部分的设计是重点。其中包括 keil 编译环境以及 ARM 编程方法的学习、利用脉宽调制器（PWM）对步进电机脉冲的控制与算法、利用计时器（Timer）和 GPIO端口对电动机正反向的控制以及利用外部中断的按键控制。系统软件流程图如图 4.1 所示。开始数码管显示A/D 转换功率检测复位信号光功率检测系统初始化功率10N Y 图 4.1 整体流程图系统初始化开始时，单片机开始工作，由光电探测器采集到的激光信号，通过系统的滤波电路，放大电路，峰值保持电路的作用输

63、出一个放大 50 倍的直流电压信号，该直流信号通过 A/D0804 数模转换模块的作用，将模拟信号转换为单片机可以识别的数字信号，在进行光功率检测的过程中，如果功率值超过 10W，则功率检测发出复位信号，单片机复位。在 LED 数码管上显示的初始值。并且系统中事先设定的报警系统将会启动，蜂鸣器会发出“滴.滴”的响声。如果功率值小于 10W，则通过 A/D 转换，单片机的识别，LED 数码管上将会显示测定的功率值。在激光打标机进行打标的时候，需要设定激光器发出的功率值的大小。功率计检测与显示在光纤激光器打标机上只是其中的一个部分，它的作用主要是可以明确打标机发出功率的大小，以及工业上所需打标的具

64、体需要。在打标的过程中，可以非常直观的观察到打标的效果如何，以便出现问题时能够及时作出调整。4.24.2 基于基于 KeilKeil 软件编程软件编程本系统选用STC89C52单片机，软件程序的调试是在Keil开发环境下进行的。Keil Software公司推出的Vision3是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境(IDE)，该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，Vision3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。Visi

65、on3提供逻辑分析器，可监控基于MCU I/O引脚和外设状态变化下的程序变量。Vision3提供对多种最新的8051类微处理器的支持，包括AnalogDevices的ADuC83x和脉冲光纤激光器光功率计的设计与研究17ADuC84x，以及Infineon的XC866等。Keil Vision系列是一个非常优秀的编译器，得到广大单片机设计者的广泛使用。其主要特点如下：具有 Windows 风格的可视化操作界面，界面友好，使用极为方便。支持汇编语言、C51 语言及混合编程等多种方式的单片机设计。集成了非常全面的单片机支持，能够完成 51 系列单片机及和 51 系列兼容的绝大部分类型单片机的程序设

66、计和仿真。集成了丰富的库函数，以及完善的编译链接工具。提供了并口、串口、A/D、D/A、定时器/计数器及中断等资源的硬件仿真能力，能够帮助用户模拟实际硬件的执行效果。可以与多款外部仿真器联合使用，提供了强大的在线仿真调试能力。内嵌 RTX-51 Tiny 和 RTX-51 FULL 内核，提供了简单而强大的实时多任务操作系统支持。在一个开发界面中支持多个项目的程序设计。支持多级代码优化，最大限度地帮助用户精简代码体积。由于 Keil Vision3 具有最广泛的用户群，因此相应的代码资源非常丰富，读者可以轻松地找到各类编程资源以加速学习和开发过程。4.34.3 软件控制主程序软件控制主程序课题通过软件设置A/D0804的工作条件，同时完成对单片机的控制，将激光信号的电压值转化为功率值显示在数码管上，超出功率设定的上限值报警系统启动。主程序流程图如图4.2所示。开始读取 0804 输出数据设置 0804 工作条件算出百、十、位的数据转化成功率值结束报警 显示断码转换功率上限NY图 4.2 主程序流程图 根据电路的硬件设计 A/D 转换的程序。程序采用单片机的定时器产生一个时钟，作为A/D