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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流激光能量计终.精品文档.编号 本科生毕业设计激光能量计Power Meter学 生 姓 名李 雨 航专 业电子信息工程专业学 号20040411509指 导 教 师刘 树 昌学 院电子信息工程学院2008年 6 月 摘 要 由于激光的能量大，强度高，在进行强激光能量测量比较困难的情况下，通过市场调查对比，吸取了其他激光能量计的优点，设计了这个方便实用的激光能量计。本设计采用光电二极管探头，并且应用了大家都熟悉的A/D转换和AVR单片机等器件。实现方法是以光电二极管探头作为传感器,将光信号转换为电信号后,电流信号经电荷积分器得到与输入光脉冲能量
2、成正比的电压信号,通过能量量值校准完成能量的测量，并由虚拟仪器编写上位机进行显示。关键词： 能量测量 光电二极管 电荷积分器 虚拟仪器 ABSTRACT As the laser energy, high intensity, high-power laser energy measurement in difficult circumstances, through a market survey contrast, the other lessons of the advantages of laser energy, this convenient and practical desig
3、n of the laser energy dollars. This design uses photodiode probe, and we are all familiar with the application of the A / D converter and AVR microcontroller, and other devices. Implementation of the probe as a photodiode sensors, optical signal will be converted to electrical signals, the current s
4、ignal received by the charge integrator and enter the light pulse energy is proportional to the voltage signal, through the energy money to complete the calibration of energy measurement by the Virtual PC equipment to prepare for display.Keyword： energy measurement photodiode charge integrator virtu
5、al instrument 目 录第一章 引言- 1 -1.1 本课题研究的意义- 1 -1.2 本课题的研究现状及内容- 2 -第二章 激光能量计设备元件- 3 -2.1 光电探测模块- 3 -2.1.1 光电二极管介绍- 3 -2.1.2 放大器- 7 -2.2 数据采集模块- 8 -2.2.1 A/D转换芯片- 8 -2.2.2 ICL7135工作原理，转换时序及引脚功能- 8 -2.2.3 AVR单片机的介绍- 11 -2.3虚拟仪器的上位机显示- 13 -第三章 系统硬件电路设计- 16 -3.1 系统总体框图- 16 -3.2 光电探测模块- 16 -3.2.1光电转换部分- 16
6、 -3.2.2 电荷积分器- 17 -3.3 数据采集模块- 18 -3.4 硬件原理图- 19 -第四章系统的软件设计- 21 -4.1 主控单片机软件设计- 21 -4.2上位机软件虚拟仪器开发平台LabVIEW设计- 22 -4.2.1框图程序- 24 -4.2.2前面板设计- 22 -第五章 结论- 27 -参考文献- 28 -致 谢- 30 -附 录 1 ICCAVR软件- 31 -附 录 2 AVR STUDIO 4软件- 36 -第一章 引言1.1 本课题研究的意义激光作为一种新技术在我国工农业生产、国防建设、科学研究及医疗卫生等领域都得到广泛的应用1。如工业上的激光加工(打孔、
7、焊接、切割、热处理等);农业上的激光育种;国防工程上的激光雷达、激光通讯;科研上的激光全息、激光同位素分离、激光核聚变;医疗卫生上的激光诊断、激光手术、激光治疗等等。要研究激光和应用激光就必须能够对激光的特性参数进行准确测量。对激光器主要参数的计量测试是激光技术发展的一个重要方面。对一台激光器来说，人们最关心的是有没有激光能量，有多少激光能量。比如在激光治疗中，就有激光有效剂量、无效剂量及危害(破坏)剂量的阑值问题;在激光育种试验中，就有选择增产效果好和抗病虫害能力强的最佳激光剂量间题;在激光防护工作中，为了确保人身安全，特别要搞清损伤人眼的激光阑值问题;在激光核聚变中，需要多少能量才能打出中
8、子、才能实现热核反应等等。这些都需要精确测量激光能量，没有精确测量激光能量就达不到研究的预期目的。因此，对激光能量的准确测量显得愈发重要2。随着激光新技术的不断发展，测量激光能量的工具(仪器)也不断改进和更新。六十年代初，激光一出现，人们曾用透镜聚焦激光束能打穿多少刀片来估算激光能量，这是非常粗略测定激光能量的方法。后来采用石墨作成碳斗能量计来接收激光能量，用检流计来显示激光能量，这也不是精确测定激光能量的方法。特别对高功率激光来说，由于它的功率密度很高，采用石墨做成的碳斗能量计其表面很容易被强激光打坏。还有一些激光脉冲能量测试常用的方法是使用能量卡计，其工作原理是将光能转换成热能，通过测量热
9、量带来的温度变化而实现对光能量的测量。可是当激光脉冲能量很低时，温度变化极小，且受环境影响很大，采用这种方法也无法实现准确测量。对大多数传感器而言，由于可能受到损伤而不能直接测量高能激光光束，因此需要获得低功率样品光束。另外，为满足激光实时监测的要求，也需要对光束进行取样。光束取样不仅需要保证样品光束强度低于监测传感器的损坏阈值，同时还需要保证样品光束在几何形状、波前、偏振态、光谱特性和时间特性等方面的保真度。典型的取样技术包括：部分透射/反射式取样技术和高功率反射镜漫散射取样技术。部分透射/反射式取样技术在激光光路中设置高透射反射比或高反射透射比的光学元件，经取样元件，从主光束中分出极少部分
10、光，测量取样光的能量和功率分布。在测量高能激光强度分布时，可采用漫反射屏。激光打在漫反射屏上，成像探测器接收漫反射光。长期以来,国内对脉冲激光器能量测量,由于其能量计无采样、记录装置,所测量的激光器能量、脉宽、前沿、重复频率等重要数据指标,一直是靠人眼读数方式完成,其智能化程度低、测量误差大、人为干扰因素多、获取数据单一,不能进行数据及图形处理,从而难以客观、准确、直观地反映激光器的制造水平,特别是对于重复频率大于20Hz的高重频激光器,国内尚无相应检测仪器能测量其每个脉冲能量。因此，研究开发智能化、自动化程度高的激光能量密度测试系统显得非常迫切。1.2 本课题的研究现状及内容对于激光能量的测
11、量，针对不同的测量目的，可分为直接测量与间接测量法。直接测量法选用全吸收型探测器，激光全部照射进探测器中，由于激光能量很高，常规的光电法难以直接应用，因此通常采用量热法进行直接测量。如美国白沙靶场在连续高能激光器光束诊断系统中，配套了分别用于测量功率和能量的2种量热计系统，法国LNE国家实验室建立了测量25kW的二氧化碳工业激光器功率的热交换式量热计系统，我国的神光II装置中，为测量其基频、二倍频和三倍频激光输出功率，研制了一种大口径全吸收激光能量计。这几种能量计让激光与吸收体充分作用,再用热电传感器测试吸收体的温升,从而得到吸收体的热量值,即激光能量值。以上几种量热计将激光束全部接收，测量精
12、度较高，但不能作实时监测用。如果在高能激光使用的同时进行能量测量，则需要采用光束取样技术取样部分激光用作间接测量。间接测量中，能量计通常以光电式探测器或半导体光电二极管为传感器件的光电式探测器,光信号转换为电信号后,电流信号经电荷积分器得到与输入光脉冲能量成正比的电压信号,从而完成能量的测量。目前市场上出售的能量计大多是这种能量计，因功能多样化、智能化程度高，被广泛地应用在激光通信、激光加工、激光测试等领域2。 目前，在激光通信系统研制过程中，针对遇到的实际问题激光性能参数测试时所需要的测试仪器大量依靠进口，价格昂贵、功能单一、接口不方便，因此，研究开发智能化的激光能量测量仪对于提高激光产品研
13、制、通信系统性能有着重要意义。 本文设计了一种激光能量测量仪，该系统用一个光电二极管探头接收，将光能转化为电能，经调理电路调理后得到一个与激光能量成正比的电压信号，然后将此电压信号与标准激光能量计对比定标，就可以得到测量的激光能量值了。 第二章 激光能量计器件选择2.1 光电探测模块激光能量计光电探测模块由聚光透镜、光电二极管及调理模块组成。待测光经过聚光透镜后，光束会聚到光电探测器上，光电探测器将光信号转换为电信号后经调理电路传送至数据采集模块进行数据处理与显示。 2.1.1 光电二极管介绍激光能量计的探头根据原理不同可以分为热电堆式探测器、热释电式探测器、光电式探测器及半导体光电二极管式探
14、测器几种。常用的能量检测法分为光热法及光电法。光热法以热电堆或热释电材料为传感器件的吸收型探测器,即让激光与吸收体充分作用,再用热电传感器测试吸收体的温升,从而得到吸收体的热量值,即激光能量值。光电法以光电式探测器或半导体光电二极管为传感器件的光电式探测器,光信号转换为电信号后,电信号经电荷积分器得到与输入光脉冲能量成正比的电压信号,从而完成能量的测量。由于光电二极管测量的动态范围大，测量速度快，能反映信号的包络变化，价格便宜，因此被广泛应用于光信号检测中。因此，系统中的光电探测器选取PIN光电二极管。光敏二极管是一种利用PN结单向导电性的结型光电信息转换器件。光敏二极管工作时一般加反向偏压，
15、目的是加一个方向与PN结内电场方向一致的外电场，这样光敏二极管的线性特性和频率特性将彻底改变善，光电流的输出仅受光照强弱变化的影响，与负载电阻的大小无关。光敏二极管体积小、灵敏度高、稳定性好、响应速度快、易于获得定向性、光谱响应在可见区和红外区8。考虑以上优点，本设计采用光敏二激光测量激光器的发射强度，某些激光器已将光敏二极管封装于其中。 一、光敏二极管光电转换原理 根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电
16、子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光（蓝光、红光、红外光）在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子），一旦漂移到耗尽层界面，就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；彼长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子-空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流。波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用
17、下被拉向P区，形成光电流。因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和3。二、光敏二极管特性（1）光照特性图2-1画出了光敏二极管的光电流I与照度L的特性曲线，从图上可以看出它的光照特性线形较好，适合于检测方面的应用8。 图2-1 光敏二极管的光照特性（2）光谱特性光谱特性决定于所用的材料，图2-2为硅和锗的光谱响应曲线，锗材料的最灵敏响应波长在1400015000埃之间，硅材料的最灵敏响应波长在80009000埃之间。对于激光器所发射激光波长的不同，可采用不同的材料8。 图2-2 光敏二极管的光敏特性（3）伏安特性图2-3画出了光敏二极管的实际伏安特性曲线，由光照控制的光敏二极管，
18、与基极控制的晶体三极管的工作情况相似，因而光敏二极管在不同光照下的伏安特性，与晶体三极管在不同基极电流下的输出特性相似。由此可知，光敏二极管对光信号的作用，正像一般晶体管在基极加上电信号时的放大作用一样8。光敏二极管在外加电压为零时仍有电流，这是因为光生伏特效应所产生的短路电流。 图2-3 光敏二极管的伏安特性 （4）频率特性光敏二极管的频率特性较好，是半导体光电器件中最好的一种。其频率响应与下述因素有关：(a)结电容和杂散电容，因为它与负载电阻并联，负载电阻越大，它的高频旁路作用越明显，高频响应越差。负载电阻小，能使高频响应改善，但输出电压要减小，两者应同时考虑，以选择合适的电阻。(b)光生
19、载流子在薄层中的扩散时间及PN结（耗尽层或阻挡层）中的漂移时间8。（5）温度特性光敏二极管在电压不变和照度不变的情况下，其光电流随温度而变化，如图2-4。在精密光电测量中要注意温度对测量精度的影响8。图2-4 光敏二极管的光电流随温度变化曲线（6）暗电流图2-5为光敏二极管的暗电流随温度而变化的曲线。温度升高，半导体受热激发，少数载流子增加，使暗电流增加。 图2-5 光敏二极管的暗电流随温度变化曲线本设计选用滨松公司的S5973-02光电探测器，如图2.1.1.1所示，虽然滨松公司的S5971，S5972和S5973系列产品均采用高速硅PIN光电管设计，可用于可见光到近红外探测，但是S5973
20、-02的响应速度快，对于脉冲激光能量探测是理想的选择。 图2-6 激光光敏二级管2.1.2 放大器 本论文调理电路中的放大器选用MAX410，引脚图如图所示，具有以下的特点：该运算放大器可应用于高速低电压系统中。其输入电压噪声密度保证低于2.47/1KHZ，独特的设计可以在低噪声与5V供电条件下应用，单位增益稳定，28MHZ带宽，而4.5V的转换率，可以确保低噪声性能在各种各样的带宽和测量中应用。图2-7 MAX410芯片2.2 数据采集模块 2.2.1 A/D转换芯片 A/D转换是激光能量计中非常重要的一步转换过程，它将经过调理电路放大的电压信号进行模拟量到数字量的转换，将量值送入单片机中进
21、行数据的处理与送显。本系统选取MAXIM公司生产的高精度四位半CMOS双积分型A/D转换器ICL7135，其提供了20000的计数分辨率。具有双极性高阻抗差分输入、自动调零、自动极性和超量程判断等功能；其输出是动态分时的BCD码，不仅很容易与ICM7211、ICM7212等LCK、LED驱动芯片连接，而且提供控制转换端和状态输出端，方便与微处理器的接口。 2.2.2 ICL7135工作原理，转换时序及引脚功能ICL7135是一种412位动态分时轮流输出BCD码的双积分A/D转换器,在单极性输入信号的情况下,ICL7135的转换速率一般在每秒十几次左右。ICL7135内部可分成数字电路、模拟电路
22、两部分,数字部分由计数器、输入/输出接口、控制逻辑等组成;模拟部分包括电子开关、缓冲放大器、积分放大器、比较器等,其工作过程受数字部分的逻辑控制。ICL7135的测量周期分4个阶段:自动调零阶段、模拟输入(被测电压)积分阶段、基准电压反积分阶段、积分器回零阶段。各阶段工作过程如下:自动调零阶段:至少需要9 800个时钟周期。在此阶段,内部IN+和IN-输入与引脚断开,且在内部连接至模拟地。基准电容被充电至基准电压,系统接成闭环,自动调零电容被充电,以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压;模拟输入积分阶段:BUSY输出变为高电平,自动调零环路被打开,内部的IN+和IN-输出端连接至外部引脚。
23、对输入的差分电压积分10 000时钟周期,积分器电容充电电压正比于外接信号电压和积分时间;基准电压反积分阶段:最大需要20 001个时钟周期,内部IN-连接至模拟地,IN+跨接至先前已充电的基准电容上,积分器对基准电压积分。当积分器输出返回至零,BUSY信号变低。ICL7135内部的十进制计数器在此阶段对时钟脉冲计数,其计数值为10 000Vin/VRef,即为模拟输入的A/D转换结果;积分器回零阶段:需100200个时钟周期,内部的IN-连接到模拟地,系统接成闭环以便使积分器输出返回到零。 图 2-8 转换时序图2-9 icl7135引脚功能1脚（V）5V电源端；2脚（VREF）基准电压输入
24、端；3脚（AGND）模拟地；4脚（INT）积分器输入端，接积分电容；5脚（AZ）积分器和比较器反相输入端，接自零电容；6脚（BUF）缓冲器输出端，接积分电阻；7脚（CREF）基准电容正端；8脚（CREF）基准电容负端；9脚（IN）被测信号负输入端；10脚（IN）被测信号正输入端；11脚（V）5V电源端；12、1720脚（D1D5）位扫描输出端；1316脚（B1B4）BCD码输出端；21脚（BUSY）忙状态输出端；22脚（CLK）时钟信号输入端；23脚（POL）负极性信号输出端；24脚（DGND）数字地端；25脚（RH）运行读数控制端；26脚（STR）数据选通输出端；27脚（OR）超量程状态输出
25、端；28脚（UR）欠量程状态输出端。2.2.3 AVR单片机的介绍ATMEL公司是世界上有名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片半导体制造公司。在单片机微控制器方面，ATMEL公司有AT89、AT90、MEGA和ARM四个系列单片机的产品。ATMEL公司在其单片机产品中，融入了先进的EPROM电可擦除和FLASHROM闪存储器技术，使该公司的单片机具备了优秀的品质，在结构，性能和功能等方面都有明显的优势。精简指令集RISC结构是20世纪90年代开发出来的，综合了半导体集成技术和软件性能的新结构。AVR单片机采用RISC结构，具有1MIPS/MHZ的高速运行处理能力。为了缩
26、短产品进入市场的时间，简化系统的维护和支持，对于由单片机组成的嵌入式系统来说，用高级语言编程已成为一种标准编程方法。AVR结构单片机的开发目的就在于能够更好地采用高级语言来编写嵌入式系统的系统程序，从而能高效地开发出目标代码。为了对目标代码大小，性能及功耗进行优化，AVR单片机的结构中采用了大型快速存取寄存器组和快速的单周期指令系统9。传统的基于累加器的结构的单片机，如8051，需要大量的程序代码，以实现在累加器和存储器之间的数据传送。而在AVR单片机中，采用32个通用工作寄存器组成快速存取寄存器组，用32个通用工作寄存器代替了累加器，从而避免了在传统结构中累加器和存储器之间数据传送造成的瓶颈
27、现象。AVR单片机采用Harvard结构，在前一条指令执行的时候就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。在其他的CISI以及类似的RISC结构的单片机中，外部震荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达12倍（8051）。AVR单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，它是在16位单片机中第一个真正的RISC结构的单片机9。由于AVR单片机采用了Harvard结构，所以它的程序存储器和数据存储器是分开组织和寻址的。寻址空间分别为可直接访问1-128字节的程序存储器和64K字节的数据存储器。同时，由32个通用工作寄存器被双向映射，因此，可以采用读写寄存器和读写片内快速SRAM存储
28、两种方式来访问32个通用工作寄存器。AVR单片机采用低功率的CMOS工艺制造，内部分别集成FLASH、EPROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器。除了可以通过SPI口和一般的编程器对AVR单片机的FLASH程序存储器和EPROM数据存储器进行编程外，绝大多数的AVR单片机还具有在线编程的特点，这给学习和使用AVR单片机带来了极大的方便13。 图2-10 Atmega16单片机封装图ATMEGA16是ATMEL公司在2002第一季度推出了一款新型AVR高档次单片机。在AVR家族中，ATMEGA16是一款非常特殊的单片机，它的内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，并且它具备了AV
29、R高档单片机MEGE系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚封装，所以其价格仅与低档单片机相当，成为具有极高性价比，深受广大用户喜爱的单片机。再加上AVR单片机的ISP性能，用户往往不需要购买昂贵的仿真器和编程器也可进行单片机嵌入式系统的开发应用13，同时也为单片机的初学者提供了非常方便和简捷的学习开发环境。ATMEGA16的高性能低价格，在产品应用市场上具有强大的竞争力，被很多家用电器和仪器厂商和仪器仪表行业看中，从而使ATMEGA16进入大批量的应用领域13。 ATMEGA16是一款基于AVR RISC，低功耗CMOS的16位单片机，由于在一个时钟周期内执行一条指令，ATMEGA16可以达
30、到接近1MIPS/MHZ的性能。ATmga16具有一整套的编程和系统开发工具，它包括宏汇编编程器，C语言编程器，在线调试/仿真器和评估板13。ATMEGA16是AVR高档单片机中内部接口丰富，功能齐全，性能价格比较好的品种。2.3虚拟仪器的上位机显示当激光能量通过AVR单片机控制之后，需要通过虚拟模拟的上位机进行显示，虚拟仪器是以装有测量应用软件的个人电脑为核心，具有虚拟的仪器操作面板，足够的硬件支持，有一定通信能力的测量装置。它和传统仪器相比具有以下的特点：(1) 虚拟仪器的关键环节是软件。虚拟仪器系统中除PC机外的硬件主要用于数据的采集、输入，至于系统怎样处理数据，具有怎样的面板和数据输出
31、的形式等都是由软件决定的。虚拟仪器的好坏，很大程度上取决于软件水平的高低。(2) 开发与维护的费用低，系统组建时间短。当需要增加新的测量功能，只需要增加软件模块或通用的硬件模块，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。应用软件不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化的问题，大大节省了维护的费用，延长设备的使用寿命。(3) 测量更准确。传统仪器测量个体之间差异大，而虚拟仪器的应用软件在不同的PC机上具有相同的运行效果，在软件运行这方面不存在个体的差异。(4) 测量更方便。因为传统仪器功能单一，所以对一个信号完成多个参数的测量需要多台仪器，使测量受连接方式、电缆长度等因素的影响。虚拟仪器只需对信号
32、进行一次采样，多个软件模块对同一组数据进行不同的处理就能实现多个参数的同时测量。(5) 具有强大的数据处理功能。计算机运算速度的大大提高和数字信号处理理论的丰富和完善，使虚拟仪器能够快速准确的处理数据。虚拟仪器的功能和特点 虚拟仪器利用PC机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示，代替了传统仪器，改变了传统仪器的使用方式，极大的提高了仪器的功能和使用效率，大幅度的降低了仪器的价格，使用户可以根据自己的需要自定义仪器的功能；可以说，虚拟仪器的出现将“仪器”的概念推向了一个新的纪元。虚拟仪器广泛的应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析
33、、故障诊断及教学科研等诸多领域。 虚拟仪器最常见的应用应该说是取代了传统的台式仪器。随着插入式数据采集卡性能的不断提高和触发技术的改进，虚拟仪器技术使得传统的台式仪器获得了新的生命。在虚拟仪器所取代的传统仪器当中，最常见的是示波器。通过利用虚拟仪器开发软件编制出的虚拟仪器程序，用户可以调整数据采集卡的动作，使软件就像一台式波器一样显示输出波形，同时虚拟示波器还可以进行许多分析工作。比如NI公司的VirtualBench软件就具备了许多分析仪器的功能，它可以把插入式数据采集卡变成示波器和动态信号分析仪。随着社会生产力的极大发展，现代化的生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要
34、求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正好可以满足这些要求。与传统的仪器相比较，虚拟仪器具有如下几点优点:表 1 虚拟仪器的发展对比 第三章 系统硬件电路设计3.1 系统总体框图 由系统框图可知，该系统由光电探测模块、数据采集模块和终端智能数据处理模块组成。由光电探测模块由聚光透镜、PIN光电二极管、电荷积分电路及调理电路组成；数据采集模块由A/D转换和AVR单片机组成；终端智能数据处理模块包括AVR单片机及上位机采用的LABVIEW对数据的智能化处理界面。3.2 光电探测模块3.2.1光电转换部分当光照射到光敏光电二极管的时候，光信号转换成电流信号，光信号的变化直接体现在电流值
35、的变化上，流过器件电流的微安数正比于器件所受光照的光能量值的大小，但是这个电流值是很小的，不便于测量。所以，光电探测器后接一调理电路，使电流值的变化体现在电压值的变化上。但是，这个电压值的变化范围也不是很大，所以，要考虑使用放大器将电压值的变化放大，而且考虑到要通过A/D转换采集数据，同时要将这个变化值转化到ICL7135的测量范围内。 图 3-1 光电转换 3.2.2 电荷积分器 图3-2 低漂移电荷积分器如图3-2所示积分器漂移非常小，在温度为-55 C+125 C范围内不会超过500Vs。图中基本积分器由运算放大器、电阻R1和电容C1构成。为了改进积分器的稳定性，该电路在运算放大器的同相
36、输入端加有电阻R4和电容C2(R4=R1，C2=C1)，对输入偏置电流积分。电路复位时，场效应管Q1和Q2使电容C1短路，使流经R1的输入偏置电流不会引起失调电压。当Q1和Q2截止时，电路开始积分，这时流经R1的偏置电流将会产生失调电压。在运算放大器的同相端所接的积分回路可以抵消反相输入端产生的失调电压。当两个输入偏置电阻相等时，其输出漂移非常小。电路中所使用的LM108是高输入阻抗运算放大器。3.3 数据采集模块数据采集模块主要由可变增益放大器、A/D转换器及单片机组成。AD转换器的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字信号，即将模拟量转换成与其成比例的数字量。一个完整的AD转换过程，必须包
37、括采样、保持、量化、编码四部分电路。在具体实施时，常把这四个步骤合并进行。ICL7135与单片机的接口电路如图3-4所示 图 3-4 ICL与单片机接口图光信号经光电探测器后转换为电压信号，并经调理电路后送入数据采集模块。数据采集模块中首先对输入信号进行放大，使信号满足A/D转换芯片高精度电压范围。AVR单片机控制A/D转换芯片将可变增益放大器输出的信号进行高速转换，并将转换后的数据送入上位机虚拟仪器中进行显示。3.4 硬件原理图第四章系统的软件设计4.1 主控单片机软件设计 主程序流程图：X9313放大10倍开始初始化ICL7135满量程？串口送显子程序X9313放大1倍A/D采样结束 是
38、否 是 图4.1 主程序流程图串口送显子程序流程图：发送数据发送握手信号串口初始化开始结束是否收到握手信号？否是 图4.2 串口送显子程序流程图4.2上位机软件虚拟仪器开发平台Lab VIEW设计4.2.1框图程序 上图右线对应接下图左线尾端接显示端口进行显示。4.2.2前面板设计串口通信的软件界面如下图所示。在此界面中，用户可以很方便地对各个参数进行设置，并且可以手动操作数据的读取和串口的关闭，更加方便了用户的使用。图4.2.1.1 激光器能量实时存储界面实验结果如下图所示。可以看出，当前所获得的数据个数是16个，16个数据显示在数据区内。图4.2.2.2 激光器实时能量存储运行界面第五章
39、结论本激光能量计采用AVR单片机控制，结合了适当的算法和硬件电路研制而成的。系统通过对微弱的激光能量进行二次放大，得到可以被识别的电压来进行A/D转换，并且通过与专业的激光能量计比较，得到一个能量与电压比值K，通过公式：E=KV来进行换算，减轻了系统的要求，降低了制作经费，减少了需要转换的过程，同时软启动，软调整，降低了仪器损坏的可能。经实验证明，在正常条件下，本激光能量计的工作符合标准要求。参考文献1 杨永才,何国兴,马军山编.光电信息技术.东化大学出版社，2003-8. 2 曾庆勇编.微弱信号检测.浙江大学出版社，1994-5. 3 赵茂泰编.智能仪器原理及应用.电子工业出版社，2004-
40、3. 4 马潮,詹卫前编.ATmegal16原理及应用手册.清华大学出版社，2003-4 5 沈文,詹卫前编.AVR单片机C语言开发入门指导.清华大学出版社，2003-4 6 李玉权,朱勇,王江平编.光通信原理与技术.科学出版社，2006-5 7 邓开发编.激光技术与应用.国防科技大学出版社，2002-1 8 周丙琨编.激光原理.国防工业出版社，2000-1 9 田 莉，林康春，沈小华，张洪林著.测量高功率激光的体吸收能量计.中国科学院上海光学精密机械研究所， 1995-8 10 陆耀东，齐学，高和平著.高峰值功率激光能量计的研究.国家激光器件质量监督检验中心北京激光参量测试中心，1995-5
41、 11 彭勇，胡晓阳，田小强，周文超，解平著.大口径激光波前测量方法.中国工程物理研究院科技年报， 1998-5 12 曲卫东，王非（63891部队 洛阳）.基于虚拟仪器技术的能量计功能扩展及应用. 2005-8 13 杨照金，南瑶，黎高平，王雷，宋一兵，吉晓著.激光参数计量测试.国防科工委光学计量一级站，2002-1 14 张桂素，高光煌，杨在富，罗振坤，杨景庚著.激光能量标准装置的研究和建立. 北京:军事医学科学院放射医学研究所，2006-3 15 孙力军.皮焦耳光脉冲能量测试.重庆:重庆光学技术研究所.2003-4 16 刘华，叶金祥，夏彦文，苏春燕，陈波，谢旭东.星光II装置激光能量测
42、量实时采集和数据传输系统.四川绵阳:中物院核物理与化学研究所. 2000-12 17 吴建刚，马飞.眼科准分子激光治疗机性能参数检测.总后卫生部药品一起检验所.2006-3 18 杨洁，张宝茹.一种具有大口径探测器的紫外激光能量计.中国计量科学研究院.1998-5 19 郭弘其.一种智能激光能量检测仪的设计分析.驻二0九所军代室.2006-1 20 李华，区启光.智能型激光功率/能量计的设计.华南师范大学无线电厂. 1995-1 21 Rick Trevino. Amplitude and Phase Characterization of Ultra short Laser Pulses T
43、echnology and Applications Center Newport Corporation. Inventor of Frequency Resolved Optical Grating.2004年8月 22 Zhao Xu ,Han Rucheng，Wang Chang.New fundamental waveform electronic energy meter Electronic Information Department. Taiyuan Heavy Machine Institute; Lin Fen Electric Power Corporation.Aug
44、. 18-22, 2002. 23Power Meter Minimum Measurable Power Photonics Technical Note power Meters and Detectors.2006-5 24 冈萨雷斯.数字图象处理. 电子工业出版社.2005-9 致 谢经过四个多月的努力，我终于完成了毕业设计的任务，由于时间紧迫和本人水平有限，也许和本设计要求相比，还有一定的差距。可是在这段时间里，我学到了很多东西，专业水平也有很大的提高。在此，我要向我的导师刘树昌老师，还有帮助过我的王小曼老师以及所有给我支持的老师及同学表示衷心的感谢！时间过得飞快，一转眼，我来到该校
45、已经四年了。现在的我依然感谢这次毕业设计，是学校赐予我能够有这样的机会继续学习。在这段时间里，学院良好的学习氛围和师生之间融洽的关系使我受益匪浅。最后，再一次向在百忙之中评阅我论文的老师表示深深的感谢，同时，愿母校明天更美好。 附 录 1 ICCAVR软件1、ImageCraft 的ICCAVR 介绍ImageCraft的ICCAVR是一种使用符合ANSI标准的，用C语言来开发微控制器MCU程序的一个工具。它有以下几个主要特点：ICCAVR 是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境IDE；其可在WINDOWS9X/NT 下工作，源文件全部被组织到工程之中；文件的编辑和工程的构筑也在这个环境
46、中完成编译；错误显示在状态窗口中并且当你用鼠标单击编译错误时，光标会自动跳转到编辑窗口中引起错误的那一行，这个工程管理器还能直接产生您希望得到的可以直接使用的INTELHEX格式，文件INTEL HEX 格式文件可被大多数的编程器所支持，用于下载程序到芯片中去。ICCAVR 是一个32 位的程序支持长文件名，出于篇幅考虑本说明书并不介绍通用的C 语言语法知识仅介绍使用ICC AVR 所必须具备的知识因此要求读者在阅读本说明书之前应对C 语言有了一定程度的理解。2、ICCAVR 中的文件类型及其扩展名文件类型是由它们的扩展名决定的IDE和编译器可以使用以下几种类型的文件：输入文件：.c 扩展名-表示是C 语言源文件。.s 扩展