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高精度干涉仪用激光稳频技术 测试计量技术及仪器专业 研究生钟亮指导老师周肇飞 激光由于其极好的相干性和亮度，在当代的工业，军事，医疗等领域都有 广泛的应用。在精密计量领域、精密机械和微电子工业中所应用的双频激光干 涉仪，其核心部分之一就是频率稳定的激光器。但是由于温度、振动、气流噪 声的影响，激光频率是不稳定的，因此，激光器输出的频率稳定性就成为了决 定干涉仪精度、分辨力、重复性的重要指标。 本论文针对在线测量需要有强抗干扰能力以及高速测量的需要，采用全新 的双纵模电磁感应涡流加热的方法，使稳频精度提高，抗干扰能力加强。主要 完成了以下工作： 1对影响干涉仪激光光源频率稳定性的因素进行了分析，并介绍了常见的稳 频方法及产生双频的方法，同时对各种稳频方法的优劣进行了分析。 2对采用感应涡流加热稳频的可行性进行了分析。对比微波炉这个现代模型， 利用h e n e 激光管采用金属管颈的特点，通过电磁感应加热方式，使激光管腔 长改变，达到稳频目的。 3设计了相应的测量与控制电路。采用a i 姬l 公司生产的具有精简指令集 ( r i s c ) 的8 位单片机m e g a 8 作为该电路中核心控制元件，此单片机工作频率 可达1 6 硼z 。由于其可直接输出1 6 位精度的p 雕信号，最高p 删信号频率可达 单片机工作频率的1 2 ，使系统中不用采用单独的p 删发生器了，设计电路得到 了简化。 4对控制方法作了分析，提出了控制算法的结构框图，并对控制参数作了具 体分析计算，采用工业过程控制中应用最广泛的p i d 控制。控制的原理是先求 出检测到的激光器输出的两个振动方向相互垂直的偏振光的光强差的大小，然 后对光强差的大小处理而获得控制信号去控制电磁感应线圈上输出功率的大 小，从而使激光器谐振腔的长度发生变化，最后使激光器输出的两个振动方向 相互垂直的偏振光的光强相等，以实现稳频。 通过实际测量，采用此方法使激光器输出激光频率稳定度可达1 0 。9 ，双频 激光频差大于5 0 0 姗z ，具有很高的抗干扰能力，满足了高精度干涉仪要求双纵 模激光光源频差大、光源频率稳定度好、抗干扰能力强的要求。与采用通过控 制激光管放电电流大小进行稳频的方法相比，由于本方法改变的谐振腔部分( 激 光管管颈) 不被放电管外的玻璃管包围，所以散热条件好，热变形不受约束， 具有响应速度快，抗干扰能力强，频率稳定性好等优点。 关键词：干涉仪热稳频电磁感应单片机p i d 控制 f r e q u e i k i ys t a b i l i z a t i o nt e c l 证q u e so fh i 曲p r e c i s i o n 1 t e r t e r o n l e t e r m a j o r ：m 鲫 u r e m e n tt e c h n o l o g ) ，姐db 咖l m e n t p o s t 鲈a d u a t e ：z h o n g l i 姐gs u p e r v i s o r ：z h o uz h a o f e i b e c a u s eo fi t sh i g hb r ig ：h t n e s sa n dc o h e r e n c y ，l a s e rh 硒aw i d ea p p l i c a t i o ni n i 1 1 d u s 臼x 皿l i t a 巧a n dm e d i c i n e o n eo ft h eh a r dc o r eo fd u a l 一丘e q u e n c yl 勰e r i m e f 幻r o m 或e fw h i c hi su s e di nt h ef i d do fp r e c i s i o nm 昀s u r e ，p r e c i s i o nm e c h a n i s m a n dm i c r o e l e c t r o n i c si s 舶q u e n c ys t a b i l i z e d1 淞既s u 如c em i c r o c o s m i ch e i g h t w h i c hi sm e a s u r c db yt l l ei n t e r f e r o m e t e rh 嬲d 如c tp r o p o r t i o nw i t l l 也ew a v e1 e n 舒h o fl 嬲b u tb e c a u s eo ft h e 砌u e n c eo ft 唧e r a h 鹏，1 i b 删o na n da i r 肌r r e n ty 孙巾， t h ew a v el e n g t ho fl 勰e ri su n s t a b l e s o 也es t a b i l i 够o ft h ef - r e q h e n c yo fl a s e rh 勰a 黟e a ti n n u 髓c eo n 也ep r e c i s i o n ，r 懿o l u t i o na n dr e p e t i t i o no f t h ei n t e r f e r o m 酏睨 t h i st h e s i sd 豁嘶b e st h er e s e a r c ho n 也eu 1 的一p r e c i s i o no n l i n em e 雒u r e m e n t s y s t e m t h er e s e a r c h i sb 嬲e do nas t a t ek e yla _ b o r a t o 巧p 嘲e c t 越m e d u l 仃a - p r e c i s i o nl 弱e rp r o f i l i n gs y s 锄n ，枷n ga t 枷- j 锄m i n ga b i l i t ya n dh i 曲s p e e d m e a s u r ew h i c hi sr e q u i r e db yo n l i l l em e 嬲u r e ，w ea d o p tab m n e 啊m e m o d 弋) l ，_ h i c h u s 销i n d u c t i o nh e a t i l l gt op e r f o r m 肌q u e n c y - s 切b i l i z e d t h er 髓e a r c hi sf o c u s e do n t l l ef 0 1 1 0 w i n gp a r t s ： l 1 1 1 ef a c t o r sw l l i c ha f 6 e c ta l es 劬i l 毋o fl 嬲e r s 触q u e n c ya m 锄a l y z e d a n dt h e n o 皿a lm e t h o d su s e dt 0s t a b i l i z em e 丘e q u e n c ya n dp r o d u c ed o u b l e - f e q u e n c ya r e r e v i e w e d an e w 丘e q u e n c y - s t a b i l i z e dm 毹h o dw i md 埘b l el o n g i t l l d em o d e sl 弱e ri s i n 删u c e d 2 t h ef e 勰i b i l i 够o fi n d u c t i o nh e a t i n gi ss t i l d i e d c o m p a r e dw i t hm i c r o w a v eo v e n ， w ec o n t r 0 1 i n d u c t i o nh e a t i n 舀t h el 嬲e rt l i b e s1 g t hm a i n t 面n e dt h es 锄e ，a n dt 1 1 i s m a d et h el 弱e r 丘e q u e n c ys t a b i l 娩e d m 3t h em e a s u r e 锄dc o n t r o lc i 舰i ti sd 郫i 印e d m e g a 8 ，8 - b i tm i c r o c o n t 】的l l e ro ft h e 筒砌，c o m p a n 弘i s 朗叩l o y e dt 0b et h ec o r ec o n t i l 0 1c 伽叩o n e i l t t 【h ew o r k i n g 蠹e q j l e n 锣o ft l l es c mc 狃弼a c hu pt o1 6 m 舷b e c a u s e “c a ne x p 矾1 6 - b i tp w m s i 盟a lw h o s eh i 曲懿t 能q u e n c yc a nb eu pt 0h a l f o f t h ew o d d n g 氐q u e n c yo fs c m ， s e p a m t ep w mg e n e m t o ri sn e e d l 鹤sa n dt h ec i r c l l i td e s i 驴e di sp r e d i g 懿t 4t h ec 0 脯o lm e t h o di s 勰a l y z e d 耽ec o 而删i o no fc o n 咖la l g o r i 缸i s p r 叩o s e d 咖曲孤a l y z i n gc o n 臼- 0 lp a r a m e t p dc o n 仃o lw h i c hi s 谢d e l yu s e d i n i n d u s t 巧p r o c e s sc o n 仃o li sa c c 印t e d t h ep 咖c i p l eo fc o n 仃0 li s 嬲f o l l o w s ：胁t l m w eg e tt h ei i l t e 嬲i 锣d i c eo ft w op o l a i i z el i g h tw h i c hi se x p o r t e db yl 弱e r s e c o n d l y w ed i s p o s et h ed i m 鹏n c e 强d 也e n0 b t a i nac 伽：缸1 0 ls i 盟a lt oc 0 玎血0 1t h e p o w e r0 fe l e c t r o m a 印e t i ci n d u c t i o nl o o p b l y 雠sw a y ，m e1 a s c r t i l b e sl 钮g l h m a i 】妇i n st h es a m e ，勰dt l l i sm a d et 1 1 el 舔e r 伍孙l 髓c ys t a b i l i z e d b yp r a c t i c em e a 鲫r e ，也el a s e r 氐q 哪e n c ys 切b i l i z a ：t i o nc 孤b eu pt o1 0 9i fw e u s em em e t h o d ，a n dt 1 1 ef i r e q p e n c yd i 任e r 朗c eo fd o u b l e 一心e q u e n c yl 觚e ri sm o r et h a n 5 0 0 m h z i h i ss a t i s f i 筋也en d 杜c hr e q u i r e st 1 1 ew i d m 骶q u 钮c yd i 叠陆e n c e ，g o o d f 呻e n c ys 诅b i l i z a t i o na n d 也es t r o n ga n t 珀a m m i l l ga _ b i l i t yc o m p a r e dw i t ho t h e r m e t h o d sw h i c hu s et h em a 鲥t l l d eo fd i s c h a 唱et oc o n t r 0 1 也el e r i l ；l ho ft h el 硒e rt 1 1 _ b e ， 也em e t h o dw eu s en o wh 私m o r ea d v 锄i t a g e ，s u c h 弱m er a p i d n e s sr e s p o n s er a t e ，t h e s 臼d n ga n t 舢i n ga b i l i 秒a n dm e n i c ef 峙q u e n c ys t a b i l i z a t i o n k 砖w o r d ：i n t i 。r f e r 0 1 n 出冯h e a t i n g 依挪e n c ys t a l m i z a t i o n ，e l e c 仃o m a 弘嘶ci n d u 如o n ， s c m ，p mc o n 怕l 灿g o 枷越 四川大学硕士学位论文 声明尸明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 4 8 指导教师 时 间2 芝z ： ：12 研究生盟盘 时 间型z ：篁：1 2 四川大学硕士学位论文 1 前言 1 1 稳频技术研究的背景和意义 激光，诞生于上世纪六十年代，由于其具有极好的相干性和亮度，在当代 的工业，军事，医疗等领域都有广泛的应用。规定的激光波长是国际公认的长 度基准n 1 。在精密计量、精密机械以及微电子工业等领域中所应用的双频激光干 涉仪乜1 ，其核心部分之一就是频率稳定的激光器。自由运转的激光器，由于温度、 振动、气流噪声的影响，激光频率是不稳定的，因此，激光器输出的频率稳定 程度口1 就成为了决定干涉仪精度、分辨力、重复性的重要指标。此课题的目的就 是为了解决激光频率稳定的问题，针对在线测量需要有强抗干扰能力以及高速 测量的需要，采用全新的双纵模电磁感应涡流加热的方法，使稳频精度提高， 抗干扰能力加强。 1 1 1 影响激光频率稳定的因素 激光是利用置放于光学谐振腔内的激活介质产生激光振荡，如果腔的机械 长度l ，或者腔镜片之间的介质的折射率n 发生变化，那就会引起频率的变化h 1 ： 扯叩c 盖+ 争一g 壶c 等+ 争 或 幽：竽+ 垒 ( 1 - 1 ) l1 ，i l，l 所以，造成谐振腔几何长度和折射率改变的因素很多，主要有： l温度变化的影响 任何物体的线性尺寸都和温度有关系，激光管所用的玻璃，金属支架的尺 寸都随温度的变化而变化( 一般满足热涨冷缩的原理) ，故引起频率的漂移。温 度变化引起腔长和频率的相对变化关系1 为： 必丁= i 址三f = i y y i 式中温度的变化量； q 一谐振腔间隔器材料的线膨胀系数。 ( 1 2 ) 四川大学硕士学位论文 2机械振动的影响 外界的机械振动，如建筑物的震动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支 架振动，使谐振腔的光学长度发生变化，导致振荡频率的漂移。为了克服机械 振动的影响，稳频激光器必须有良好的防震措施。 3磁场的影响 由于激光器谐振腔间隔器多采用殷钢材料，但殷钢的磁致伸缩性质可能引 起腔长的变化，所以地磁场效应和激光器周围电子仪器的杂散磁场对高稳定激 光器或由磁场效应稳频的激光器的影响必须加以考虑。 除此之外，大气变化等造成空气折射率变化，激光器内的气压、放电电流 的变化，还有自发辐射所造成的无规则噪声等内部因素也会影响频率的稳定性。 从以上分析可知，最直接的稳频办法是恒温、防震、密封隔声、稳定电源 等。但是这些措施加上闭环调节只可使频率稳定度可达1 0 4 量级，要提高到1 0 咕 量级以上，必须使用伺服系统对激光器进行自动控制稳频，即主动稳频的方法。 1 1 2 国内外在稳频领域的发展现状 目前国内外激光干涉仪采用的稳频方式嘲主要分两类。一类是把激光器中原 子跃迁的中心频率作为参考频率，把激光频率锁定在跃迁的中心频率上，属于 这种稳频方式的有兰姆凹陷法订1 ，塞曼效应法m 1 ，功率最大值法等。这类方法简 便易行，可以得到1 0 。9 的稳定度，能满足一般精度测量的需要。但复现度不高， 只有1 0 。7 。另一类方法是利用外界的参考频率作为标准频率进行稳频，有无源腔 稳频和饱和吸收稳频法脚。用分子或原子的吸收线作为参考频率进行稳频是目前 水平最高的一种稳频方法，选取的吸收物质的吸收率必须与激光频率重合。这 种方法较为复杂，但可以得到较高的稳定度和复现度，故一般用于计量部门作 为标准。除此之外，还有一种常用的，简单的稳频新方法，即本课题采用的方 法，双纵模热稳频法n 引。这种方法既不需要使用压电晶体，也不要求用膨胀系 数很小的材料作谐振腔，无需外加磁场，因而成本大大低于塞曼型和兰姆凹陷 型的光源。它的原理是最直接的控制放电电流即控制等离子体的温度来改变谐 振腔长度，从而达到稳频目的。 1 1 2 1 兰姆凹陷稳频法 2 四川大学硕士学位论文 出现时间比较早的，也是比较经典的稳频方法是兰姆凹陷稳频。兰姆凹陷 稳频原理示意图如1 1 所示。该法以增益曲线中心频率u 。为参考标准频率，伺服 系统通过压电陶瓷控制激光器的谐振腔长，使频率稳定于u 。 兰姆凹陷稳频装置示意图如1 2 所示光腔的全反镜装在一段压电陶瓷管或 者陶瓷柱上，管两端加电压，管长随之变化，即腔长随之变化，亦称腔长扫描。 此方法使激光器输出激光频率稳定度在恒温条件为2 0 1 时可达1 0 呻，在 有强冷、热气流吹拂时，也能保证不低于1 0 叶的性能。同时双频激光频差大于 5 0 0 姗z ，使高速测量成为可能。 p p o l 一 万1 )- 八晌。八卞 p 八三 j |1 u0 。 1 ) ，r 图1 1 兰姆凹陷稳频原理示意图 四川大学硕士学位论文 压电陶瓷 激罗己器 图1 2 兰姆凹陷稳频装置示意图 兰姆凹陷稳频稳定度可达到l o l l o q o 量级。其频率再现性较差，一般为 l o 。7 。这种方法的激光管外壁是用低膨胀石英玻璃或者微晶玻璃做的，靠压电晶 体控制腔长，所以价格昂贵，而且还要求激光管必须是外腔或者半外腔式的。 1 1 2 2 饱和吸收稳频法 分子饱和吸收法是一种利用外界频率标准进行高稳定度的稳频方法，故不 会像兰姆凹陷法那样受压力位移等因素的影响。饱和吸收稳频装置和工作原理 如图1 3 所示。用甲烷作为吸收气体所构成的h e 州e ：c 地稳频系统具有极高的频 率稳定度和再现度。对h e n e 激光器的3 3 9pm 谱线，已获得1 0 - 1 3 的频率稳定 度和1 0 q 2 的再现度。由于其装置较复杂，而且对环境要求高，一般用于计量检 定部门作为标准。 4 四川大学硕士学位论文 图1 3 分子饱和吸收稳频装置 1 1 2 3 塞曼效应稳频原理 图1 4 是利用塞曼效应稳频的原理框图。用永久磁环( 或激磁线圈) 套在激 光管上，产生一个纵向磁场h 。塞曼效应使得6 3 2 8 埃的谱线分裂为左圆偏振光 压电陶瓷 h 图1 4 塞曼效应稳频系统框图 和右圆偏振光。当两频率相对于两增益曲线焦点为对称时，两者强度相等。这 种稳频方法的短期稳定性可达1 0 。8 以上，重复性也受压力频移的影响，为1 0 可 5 四川大学硕士学位论文 量级。与兰姆凹陷法相比，其输出功率和频率均不需低频调制。不足之处是价 格昂贵，频率达到稳定所需时间较长。 1 2 课题的任务和要求 ，本课题的任务主要是进行高精度干涉仪稳频技术的研究。要求设计一种系 统结构简单，抗干扰能力强并且适应高速测量的稳频装置。针对这些要求以及 上述各种稳频方法的不足，本课题讨论了一种双纵模电磁感应全新涡流加热稳 频装置。其特点是利用新式h e n e 激光管采用金属管颈的特点，通过电磁感应涡 流加热方式，使激光管金属管颈温度发生变化，从而改变激光管腔长，达到稳 频目的。 6 四川大学硕士学位论文 2 双纵模电磁感应加热稳频系统设计 2 1 双纵模电磁感应加热稳频可行性研究 2 1 1 双纵模热稳频技术理论分析及原理 2 1 1 1 双纵模热稳频技术理论分析 以前的激光管属于背包式结构，如图2 1 所示，其等离子体装在和激光管 分开的管子t 里面，很适合用以前的一些稳频方法加热。现在的激光管的结构 变了，离子体放到了激光管里面。但是最大的变化在于，激光管颈采用了与硬 质玻璃热膨胀系数相近且与玻璃有良好的焊接性能的可伐( k 0 v a r ) 合金作为管 颈材料。由于镍、铁等物质为导磁体，这就为采用电磁感应加热创造了先决条 件。 反射镜m 1 m 2 毛细管t 阳极a 阴极k 图2 1 背包式结构的激光管 赢2 口 2 1 1 2 双纵模热稳频技术理论 在一定长度的激光器谐振腔中，往往有多个模共同存在。如图2 2 内腔式 h e n e 激光器的增益曲线及纵模模式所示，由于纵模间距是一定的，可由公式 公式f = c ( 2 nl ) 算出( 其中c 为光在真空中传播的速度，n 为空气的折射率， l 为谐振腔总的光学长度) 。 7 n 几u 四川大学硕士学位论文 u u f1 ) 口吖1 ) 口蛆 图2 2h e - n e 激光器的增益曲线 所以，双纵模热稳频方法对激光管的腔长有一定的要求，必须保证谐振腔内 同时存在2 到3 个纵模。一般h e n e 激光的光谱线宽度约为1 5 0 0 姗z n q ，我们 可选取腔长l - 2 4 0 一2 6 5 衄，纵模间距f = 5 6 0 7 0 0 姗z 。每一纵模都是线偏振光， 而且两相邻纵模的偏振方向相互垂直。这个时候我们只要选定激光器谐振腔的 合适长度，就可以使q 值以上的增益曲线只包含两个纵模，其频率分别为u 。、 u 。这就是所谓的双纵模。当这双纵模的频率稳定在增益曲线的对称点上的时 候，即可获得稳定的频率输出，同时两频率分量的光强也相等。但是，由于模 竞争，在不加控制的情况下只能是由一个模占主要地位，不久将会被另一个模 替代。如果我们能精确地控制谐振腔的长度，使腔长的变化总是倾向有利于模竞 争中处于劣势的那个模，就可以实现两个纵模同时共存，获得稳定的频率输出。 热稳频就是通过控制激光器的温度来改变腔长，使腔长的变化总是倾向于模竞 争中处于劣势的模，使两个纵模同时存在且频差稳定，从而达到频率稳定的目 的。本课题中采用的是通过控制激光管放电电流从而控制激光管温度的方法。 2 1 1 3 双纵模热稳频的原理 双纵模热稳频通过控制激光器的激励电流而改变激光器等离子体管的温 度，从而调节腔长来达到稳频的目的。电流图2 3 为热稳频法装置原理图。l 是h e 一激光器，2 和3 是倾斜呈布儒斯特角，且相互正交安装的玻片，4 和5 为光电管，6 为差动放大器，7 为光电耦合器，8 为时间比较电路，9 为受控调 压电桥，1 0 为高压电源电路。 四川大学硕士学位论文 1h e 一激光器2 、3 玻片4 、5 光电管6 差动放大器 7 光电耦合器8 时间比较电路9 受控调压电桥1 0 激光电源 图2 3 双纵模热稳频系统原理图 图2 3 中，玻片2 和3 将偏振方向正交的两个模式激光分别反射一部分到 光电管4 和5 ，两只光电管差动连接，如果有一个模减弱，则接收该模的光电管 输出电压下降，经过放大后输出控制电压经光电耦合器7 和受控调压电桥9 控 制激光电源1 0 的输出电压，使得激光器中放电电流加强或削弱，从而使温度变 化，引起谐振腔长作有利于正在减弱的那个模重新加强的变化，就这样最后使 两个相邻纵模同时并存。其中的时间比较电路8 可根据模式变化而自动控制激 光管的预热时间。 这种方法既不需要使用压电晶体，也不要求用膨胀系数很小的材料做谐振 腔，无需外加磁场，因而成本大大低于塞曼型和兰姆凹陷型的光源n 瓠。它直接 控制放电电流即控制放电管中等离子体的温度来改变谐振腔长度，达到稳频目 的。以这种方式达到的频率稳定度为2 1 0 。9 ，再现性为1 0 。8 。 2 1 2 采用电磁感应涡流加热稳频的可行性 通过对双纵模稳频原理的研究，我们发现，电磁炉是一个很好的现代“模 型”，它的原理及其类似稳频系统的加热原理。 电磁炉是采用电磁感应涡流原理n 钔，它利用高频的电流通过环形线圈，从 9 四川大学硕士学位论文 而产生无数封闭磁场力，当磁场的磁力线通过导磁体( 如：铁质锅) 的底部， 即会产生无数小涡流( 一种交变电流，家用电磁炉使用的是1 5 3 0 鼹z 的高频 电流) ，使锅体本生自行高速发热，然后再加热锅内食物。这种加热方式很适合 用来加热激光管，而达到快速加热的目的。 其次，电磁炉应具有输出功率自动调整功能，以改善电源适应性和负载适 应性。现在一般是采用脉宽调制信号来控制加热电路。那我们是不是也可以用 这个方法来控制激光管加热，从而激光频率输出呢? 2 。1 ，2 1 电磁感应涡流加热的原理 当加热线圈中通过交变电流时，在铁芯中会产生与一个电流变化频率相同 的交变磁场，这个磁场穿过闭合回路会使闭合回路导体内部产生同样频率的感 应电动势。在感应电动势的作用下，在闭合回路中的导体中就会产生闭合的感 应电流，即涡流l 。涡流强度，。决定于感应电动势e 及导体内涡流回路的阻抗， 回路阻抗为1 7 ： z = r 2 + 石2( 2 一1 ) 即 厅 l = 二 ( 2 2 ) 涡流与普通电流一样，也要产生焦耳热。由于涡流回路的金属电阻很小， 因而涡流的电流强度j 。可达到很高的数值，使导体产生很大的热量。 2 2 电磁感应涡流加热稳频的可行性 目前的h e n e 激光器一般采用与硬质玻璃热膨胀系数相近且与玻璃有良好 的焊接性能的可伐( k o v a r ) 合金作为管颈材料。常见可伐合金由镍、钴、铁等 多种金属组成( 国内生产牌号为4 j 2 9 ) 。由于镍、铁等物质为导磁体，为采用电 磁感应加热创造了先决条件。而且激光管颈是激光管谐振腔的一部分，所以如 果通过加热控制可伐合金制作的激光管颈的长度同样也可以达到控制激光频率 的目的。 1 0 四川大学硕士学位论文 2 3 脉宽调制信号控制的可行性 2 3 1 脉宽调制的原理及其应用 2 3 1 1p w m 控制的基本原理 p 联( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制n 钉就是脉宽调制技术：即通过对一系 列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形( 含形状和幅值) 。它是利 用控制电路的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应 用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 我们知道模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。 9 v 电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9 v ，而是随时间 发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组 可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属 于预先确定的可能取值集合之内，例如在 0 v ，5 v 这一集合中取值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。 在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻 值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声 器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入 成线性比例。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。 其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题 的精密模拟电路可能非常庞大、笨重( 如老式的家庭立体声设备) 和昂贵。模拟 电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。 模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。 通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外， 许多微控制器和d s p 已经在芯片上包含了p w m 控制器，这使数字控制的实现变 得更加容易了。 简而言之，p 1 m 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率 计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 p w m 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有 ( o n ) ，要么完全无( o f f ) 。电压或电流源是以一种通( o n ) 或断( o f f ) 的重复脉冲 序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断 四川大学硕士学位论文 的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用p w m 进 行编码。 2 3 1 2p 矾l 控制的优点 p w m 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模 转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将 逻辑1 改变为逻辑0 或将逻辑o 改变为逻辑l 时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是p 卿相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也 是在某些时候将p 删用于通信的主要原因。从模拟信号转向p 咖可以极大地延 长通信距离。在接收端，通过r c 或l c 网络可以滤除调制高频方波并将信号还 原为模拟形式。 p 聊广泛应用在多种系统中。作为一个具体的例子，我们来考察一种用p 聊 控制的制动器。简单地说，制动器是紧夹住某种东西的一种装置。许多制动器 使用模拟输入信号来控制夹紧压力( 或制动功率) 的大小。加在制动器上的电压 或电流越大，制动器产生的压力就越大。 可以将一p w m 控制器m 1 的输出连接到电源与制动器之间的一个开关。要产生 更大的制动功率，只需通过软件加大p 1 m 输出的占空比就可以了。如果要产生 一个特定大小的制动压力，需要通过测量来确定占空比和压力之间的数学关系 ( 所得的公式或查找表经过变换可用于控制温度、表面磨损等等) 。例如，假设 要将制动器上的压力设定为1 0 0 帕斯，软件将作一次反向查找，以确定产生这 个大小的压力的占空比应该是多少。然后再将p 删占空比设置为这个新值，制 动器就可以相应地进行响应了。如果系统中有一个传感器，则可以通过闭环控 制来调节占空比，直到精确产生所需的压力。 总之，p 删既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多 设计应用中使用的有效技术。 2 3 1 3 采用脉宽调制信号控制的可行性 对比电磁炉所采用的脉宽调制信号控制加热电路，在双纵模稳频系统设计 中，我们可以将光电接收器件输出的信号进行处理，输入到单片机，通过单片 机输出所需要的脉宽调制量来控制加热电流的大小。目前，许多微控制器内部 1 2 四川大学硕士学位论文 都包含有p 删控制器。这里我们选择了自带p 删输出端的a v r 单片机m 1 ，利用 单片机对输入的信号进行处理得到p 删脉宽调制信号对加热时间的长短进行控 制。 2 4 双纵模电磁感应加热稳频系统总体设计 2 4 1 双纵模电磁感应加热稳频系统设计分析 经过比较以及可行性分析，双纵模电磁感应加热稳频系统总体设计方案如 图2 4 所示，为双纵模电磁感应加热稳频的总体设计图。在图中，相互垂直的 2 1h e - n e 激光器2 、3 玻片 4 、5 光电管 6 差动放大器7 单片机8 加热电路 图2 4 双纵模电磁感应加热稳频总体设计方案图 以布儒斯特角放置的玻片2 、3 ，分别将偏振方向相互正交的两个模式的激光反 射到光电接收器4 和5 ，两只光电接收器是极性反向联接的，如果有一个模减弱， 则接收该模光信号的光电管输出电压下降，差动放大器6 得到一个不平衡输入 电压，经放大后输入到单片机中进行处理，得到的信号用于控制加热电路8 所 输出的加热电流大小，从而使激光器放电管的放电电流加强或减弱，进而控制 谐振腔的长度向着有利于减弱的那个模的方向变化。这样便可使两个相邻纵模 并存。 1 3 四川大学硕士学位论文 图中电磁感应涡流加热装置通过布儒斯特窗采集到两个振动方向相互垂直 的激光光强，然后通过光电池转换为电信号，通过放大器、a d 转送入单片机。 单片机对信号加以计算处理后得出线圈需要的电流的频率和大小，并通过p 嘲 ( 脉宽调制) 输出信号控制功率放大器，使线圈产生所需大小的交变磁场。处 于交变磁场中的激光管颈产生涡流而发热，从而改变激光管腔长，达到稳频的 目的。 电磁感应涡流加热装置的总体原理图如2 5 所示。 | 布警特h 光电池h 放大器h 加转换卜- l 状态显示 t i 激光管h 线圈h 功率放大h p w m 驱动卜_ 单片机 刮串行通讯 r 功率检测p c 机 图2 5 电磁感应涡流加热装置总体框图 1 4 四川大学硕士学位论文 3 双纵模电磁感应加热稳频系统硬件设计 硬件设计是控制系统能正常、可靠工作的基础。在本次设计中，它直接决 定了稳频系统性能的发挥，同时它又影响着软件设计的复杂度。前面已经详细 阐述了双纵模电磁感应加热稳频系统可行性方案。基于单片机片内丰富的外设， 这里的硬件设计，实质上就是单片机和这些部件之间的接口设计。 3 1 双纵模电磁感应加热稳频系统控制单片机的选取 单片机是系统硬件设计的核心，不仅如此，它也直接决定着软件设计中的 开发语言、开发工具的选择，进而影响到开发的难易性、开发周期。单片机已 有3 0 多年的发展历史了，目前已有上百家厂商生产几千种型号的单片机。对单 片机选型的依据一般是：c p u 的处理速度、可用的片内外设的数量、功耗、价格、 开发工具等。本次设计采用的是a t m e l 公司的a t m e g a 8 3 单片机。 a 7 i 斑l 单片机，该系列单片机在吸收p i c 瞄”及8 0 5 l 单片机的优点的基础上， 做出了重大的改进，并有如下优点： 1a v r 单片机吸收了d s p 双总线的特点，运用h a r v a r d 体系结构( 具有预取指 令功能) ，这使得大多数指令可以在一个处理器时钟周期内完成。如果使用m i p s ( m i l l i o n so fi n s t r u c t i o n s p e rs e c o n d ，每秒所执行的百万条指令数) 来衡量 计算速度，一个8 姗z 时钟频率的a v r 处理器的数据吞吐率可达8 m i p s ，相当于 3 2 硼z 的p i c 处理器( 内部对输入时钟进行4 分频) ，相当于9 6 姗z 的标准8 0 5 1 ( 内 部对输入时钟进行1 2 分频) 。a 豫单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速 单周期指令。其快速存取r i s c 寄存器文件由3 2 个通用工作寄存器组成。a v r 用3 2 个通用寄存器代替累加器，避免了传统的累加器与存储器之间的数据传送， 可在一个时钟周期内执行一条指令来访问两个独立的寄存器，代码效率比常规 c i s c 微控制器快十倍。a v r 单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，即在执 行前一条指令时就取出下一条指令，然后以一个周期执行指令( 与d s p 类似) 。 可以说，它是8 位单片机中第一种真正的r i s c 单片机。 2系统内重新编程( i s pi n s y s t e mp r o g r 锄i n g ) 功能啪1 。a v r 单片机片内 程序存储器由可擦写1 0 0 0 次以上的f l a s h 构成，并具有较大容量可擦写1 0 0 0 0 0 次以上的e e p r o m ，便于多次更改程序而不必浪费单片机或电路板。并且可以通 1 5 四川大学硕士学位论文 过s p i 串行接口或一般的编程器进行系统内重新编程( i s pi n s y s t e m p r o g r 锄i n g ) ，给新产品的开发、老产品的升级和维护带来极大的方便。 3工作电压范围宽( 2 7 6 v ) 、抗干扰能力强。具有( 吸入电流) l o 一2 0 m a 或 4 0 m a ( 单一输出) 大电流，可直接驱动l e d 或继电器：具有看门狗定时器( 1 | d t ) ， 防止程序走飞，提高产品的抗干扰能力。 4并行i o 口的输入输出特性与p i c 的h i l o w 输出及三态高阻抗h i z 输入 相似外，也可设定类似8 0 5 1 系列内部上拉电阻作输入端的功能，以满足各种应 用特性所需，a v r 是真正的i 0 口，能正确反映i o 口的输入输出真实情况。 5 像8 0 5 l 一样，不同中断向量的入口地址不同，可快速响应，而不会像p i c 一样，所有的中断都在同一向量地址，需要以程序判别后才可响应。 6 a v r 单片机有内置的p o r ( 上电复位) 和b o d ( 电源电压检测) ，只要在复位端 接一个上拉电阻就可以了，不必使用外部复位i c 。 7 计数器定时器：有8 位和1 6 位，可作比较器、计数器外部中断和p 删用于 控制输出。 8进入门槛低。我们可以自己动手做i s p 下载线( 最简单的并行下载线仅需4 个电阻) ，利用f l a s h 程序存储器可多次擦写的特点，再加上a i 砸l 提供的汇编 和仿真软件，这样就可以代替昂贵的硬件仿真器来开发a v r 单片机。 9 低功耗。a v r 单片机采用低功率、非挥发的c m o s 工艺制造，并且具有6 种 睡眠模式，结合a v rr i s c 核心结构的发展，能在对功耗要求很低的情况下提供 令人惊讶的功能。 ， 总之，a v r 单片机在一个芯片内将增强性能的r i s c8 位c p u 与可下载的 f l a s h 相结合使其成为适合于许多要求、具有高度灵活性和低成本的嵌入式高效 微控制器。a t m e g a 系列单片机属于a v r 中的高档产品，它承袭了a t 9 0 所具有 的特点，并在a t 9 0 的基础上，增强了更多的接口功能，而且在省电性能、稳定 性、抗干扰性及灵活性方面都更加周全和完善。 本次设计选用单片机a t m e g a 8 ，工作电压2 7 5 5 v ，为4 0 引脚的p d i p 封装。在此，v c c 为+ 5 v 。 1单片机及其相关电路总图 1 6 四川大学硕士学位论文 图3 1 为单片机部分电路，由于m e g a 8 内置了看门狗与掉电复位、低电 压检测( b o d ) 电路所以外部复位电路非常简单，只是由r 4 与c l 组成了一个简 图3 1 单片机 单的上电复位电路。模拟量输入部分为防止输入电压过高增加了d l d 4 用于对 输入电压进行箝位。p 删输出部分增加了一个开关( u 6 a ) 以防止误动作。l e d 2 用于显示单片机工作状态，l e d 3 用于通知干涉仪其它部分感应加热稳频当前的 状态。 2通过u s i m 串口与p c 通讯 a t m e g a 8 的通用同步和异步串行接收器和转发器( u s a r t ) 瞰1 是一个高度灵活 的串行通讯设备。主要特点为： 全双工操作( 独立的串行接收和发送寄存器) 异步或同步操作 高精度的波特率发生器 支持5 ，6 ，7 ，8 或9 个数据位和1 个或2 个停止位 硬件支持的奇偶校验操作 数据过速检测 1 7 四川大学硕士学位论文 帧错误检测， 噪声滤波，包括错误的起始位检测，以及数字低通滤波器 三个独立的中断：发送结束中断，发送数据寄存器空中断，以及接收结束 中断 倍速异步通讯模式 。 由于可能需要与p c 机联系以及在应用编程的需要，系统中还加入了通讯部 分。由于通讯距离不长，所以选用了常用的r s 一2 3 2 通讯方式。通过对u s a r t 寄 存器的设置，很容易将u s a r t 配置成波特率9 6 0 0 b p s 、数据位8 、偶校验、停止 位l 、流控制无的异步通讯模式，再通过一片鼢x 3 2 3 2 进行电平转换，便成为 可以通p c 通讯的r s 2 3 2 接口。接口原理图如图3 2 所示。其中c 2 5 、c 2 6 、r 5 、 r 6 是对输入进行滤波同时起一个简单的保护作用。 j f 图3 2r s 一2 3 2 通讯 4 3通过a d 转换读取标准表的流量 a t m e g a 8 自带了一个1 0 位的逐次比较( s u c c e s s i v ea p p r o x i 眦t i o n ) 的a d 转换器，它具有如下特点 1 0 位精度 士2 l s b 的绝对精度 6 5 u s 一2 6 0 u s 的转换时间 每秒最大为15 k s p s 的采样速率 a d c 的电压输入范围o v c c 四川大学硕士学位论文 可选的2 5 6 v 的a d c 参考电压源 连续转换模式和单次转换模式 a d c 转换完成触发中断 休眠模式下的噪声抑止器( n o i s ec a n c e l e r ) a d c 与一个8 通道的模拟多路复用器连接，能够对以p o r t a 口作为a d c 输入 引脚的8 路单端电压输入进行采样。单端电压输入以o v ( g n d ) 为参考。a d c 包 括采样保持电路，以确保输入电压在a d c 转换过程中保持恒定。a d c 功能单元由 独立的专用模拟电源引脚a v c c 供电。 a d c 转换的参考电源可采用芯片内部的2 5 6 v 参考电源，也可采用外部的 参考电源。本次设计对单端电压输入进行采样( 通过a d c o 引脚) 。 系统中a d 转换的基准电源，以及a d 输入的箝位电压都由基准电压模块 产生。如图3 3 所示，采用了常用的t l 4 3 1 作为基准。 i 图3 3 电压基准源 4 i s pf 载 将代码写入a v r 芯片一般使用并行烧写器和i s p 嘲下载线两