判向计数实验论文

1、贵州民族大学Gguizhou Minzu University激光原理及应用课程论文 论文题目： 判向计数实验 学院(系)： 信息工程学院 专 业： 光信息科学与技术 年 级： 2011 级 姓 名： 汪 灿 学 号： 201107040014 完成时间： 2013年 12 月 9 日判向计数实验摘要：本文是对激光干涉测长系统组成设计，干涉条纹通过移相获得两路相位差为/2的干涉条纹的光强信号，该信号经过放大、整形、倒相及微分等处理，可以获得四个相位依次相差、2的脉冲信号。判向计数电路将一个周期的干涉信号变成四个脉冲的输出信号，实现干涉条纹的四倍频.关键词：4倍频、整形、0P071、 激光干涉测

2、长原理在激光干涉测长中，由于动镜在导轨上沿光轴移动，存在各种偶然因互的干扰（例如外界振动、导轨的平直度误差以及机械传动系统的不稳定等），使动镜产生偶然的反向运动，这种偶然的反向运动使计数器所显示的脉冲数为正反向移动的总数，而不是真正的被测长度，因此必然存在测长误差。为了解决这一问题，经光电转换并放大整形后，信号进入一方向判别电路，该电路把计数脉冲分成加、减二种脉冲，工作台正向移动时引起的脉冲为加脉冲、反向移动时引起的脉冲为减脉冲、把这两种脉冲分开后送入可逆计数器计数。 方向判别电路的原理。先在干涉系统中应用移相方法将干涉条纹分为两组且彼此位相偏移/2，分别经光电转换后，输出的两组光电信号也彼此

3、有/2的位移偏移，这两组光电信号分别经放大、整形、倒相，变成四个位相依次差/2的矩形脉冲，再经斯密特电路把波形变换成尖脉冲。当工作台正向移动时，脉冲的排列为1、3、2、4 、1 ；反向移动时，脉冲排列次序为1 、 4、2、3、 1，如图1所示。在逻辑电路上可根据脉冲1的后面是1或4来判别正向加脉冲或反向减脉冲，并分别逆入加脉冲的“门”或减脉冲的“门”中去，从而可得到总的加脉冲或减脉冲信号。图1判向计数原理框图2、 方案论证与设计1单片机模块选择方案一：采用89C51控制。此方案的优点是成本低，运用广泛，容易上手。但该单片机能够实用的片内外资源有限，定时计数器少、无A/D转换、能用的IO口比较少

4、、频率低、处理速度慢、功耗高、功能单一，难以满足设计要求。 方案二：采用TI公司提供的32位LM3S1138作为系统的核心控制器。LM3S1138具有32位的RSIC性能，强大的MCU控制内核，可以工作在50MHz的频率下，多路中断，并设有内部优先级，处理速度快，并且还有多个GPIO，多个A/D转换端口等。就整体而言LM3S1138有更高的性价比，且功耗比较低。 由于LM3S1138具有强大的功能、丰富的中断定时器及A/D转换模块，并且功耗很低，故选择方案二2.反相放大器模块选择方案一：采用一般的反相放大器，结构简单，但精度不高，波形很容易失真，一般达不到题目的指标要求。&

5、#160;方案二：采用由TI公司生产的高精度低噪声运放芯片OP07,该集成运放芯片具有低功耗、低失真、低温漂、低噪声、高带宽和较广增益等特点。 综上所述，由于本设计对测量的精度要求较高，故采纳方案二。3、显示系统方案 方案一：采用LED数码管显示器。LED 数码管亮度高，醒目。方案二：LCD液晶显示器。LCD有明显的优点：微功耗、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适，使整个控制系统更加人性化，但是由于考虑到价格昂贵，我们还是放弃了该方案，决定选用方案一4、信号变换放大部分 课题设计要求用光电传感器采集到的信号sinx和cosx进行不失真的放大且转换为双端输出信号

6、，即放大后位sinx、-sinx、cosx、-cosx，用来给后级信号处理为脉冲信号。为使信号不失真，就必须保证电路的对称性，所以我们采用单端输入双端输出的差动放大级进行信号的变换，同时用高精度，低漂移的运放来代替晶体三极管。本电路用的运放是OP07。同相放大器接成射随器，前端输入进行分压，从而使Vo(+)=(1/2)Vin，反向放大器的AV=-R6/R2=-50/100=-1/2，使得VO(-)=-(1/2)Vin，从而实现不失真变换。我们在调试图2所示的电路中，发现此电路输入阻抗太低，约为 20k，所以我们进行了改进，改进后的电路见图3 图2信号变换放大器 图3改进后的信号变换发大器5、

7、本文中芯片方案采用OP77芯片，因为OP07具有单位增益稳定，性能良好，输出级能驱动负载能力，同时能良好的在1KHz范围内得到有用的混合波，达到正弦波信号Vc的频率为1kHz、幅度峰峰值在200mV  2V范围内因此选择使用OP77。3、 原理分析1、干涉测长的基本原理激光干涉测长的基本光路是一个迈克耳孙干涉仪，如图2 所示，激光器发射出的激光经半透半反镜以后分裂为两束光，一束光经反光反射后，透射半透半反镜，在经扩束镜达到光屏。另一束光经被测铜块端面的反光镜、半透半反镜反射后再经扩束镜到达圆孔光屏。两束激光在光屏上叠加而产生明暗干涉条纹。干涉条纹的明暗决定于两束激光的光程差

8、 当铜板被加热时，如果线膨胀长度为，则两束相干光的光程差的变化量为： 式中为激光的光波长，故一个反光镜移动的位移（铜板线膨胀长度）与干涉条纹飘移的级数N成正比，即： 2、迈克耳孙激光干涉光路在光学平台上搭建一迈克尔逊激光干涉光路，将被测铜材料放到光路中的一块反射镜支架的伸缩轨道上，使铜材料与支架紧密靠拢。然后调试好光路，呈现稳定的干涉条纹。以下是测试光路实验图及实际搭建图：图4激光干涉测长仪的原理图图5 实验室实验平台四、系统的总体设计根据课题设计要求可分为5方面来设计与论述：2.1、信号变换放大部分 课题设计要求用光电传感器采集到的信号sinx和cosx进行不失真的放大且转换为双端输出信号，

9、即放大后位sinx、-sinx、cosx、-cosx，用来给后级信号处理为脉冲信号。 为使信号不失真，就必须保证电路的对称性，所以我们采用单端输入双端输出的差动放大级进行信号的变换，同时用高精度，低漂移的运放来代替晶体三极管。本电路用的运放是OP07电路如图所示。图6信号变换放大及仿真效果图OP07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点。2.2、整形电路 为了倍频和产生判向信号，需要将sinx、-sinx、cosx、-cosx的波形变换成占空比小于

10、20%和占空比为50%的脉冲。所以设计的是可改变占空比的整形电路，电路如图所示。由电路图可知Vres=R1/(R1+RW)*VCC,于是当输入的信号大于Vres时，比较器变为高电平。当输入的信号大于Vres时比较器输出为低电平。芯片采用2运放LM393.LM393是双运放，高增益消耗电流小，输入失调电压小，共模输入电压范围宽，高精度电压比较器组成的集成电路，输出与TTL，DTK，MOS，CMOS等兼容，输出可以用开路集电极连接“或”门。图7整形电路原理图及仿真效果图2.3、电压抬升电路 太高电压可以用运放组成的加法器，将一个直流电压和一个输入信号接在运放的正端，即正反馈效用，然而电平抬高多少就

11、是加在输入信号端的直流电压。芯片采用4运放LM324.电路图如图所示，电压太高值Vh=(R4/R5*V+R4/R6*Vin),当Vh大于输入波形的负电压是即可将输入信号太高至0V以上，从而对后面的电路处理信号带来方便且使信号更加的稳定。LM324运行放大器是价格便宜的带差动输入功能的4运算放大器，可工作在单电源下，电压范围是3.0V32V或16V。LM324具有短跑保护输出，真差动输入级，可在单电源下工作，低偏置电流，每封装含有4个运算放大器，共模范围扩展到负电源，行业标准的引脚排列，输入端具有静电保护功能。图8整形电路原理图及仿真效果2.4、异或电路 异或电路的主要作用是信号的合成，使多路信

12、号合成一路在数据总线上传输，使之能够处理4路信号变为处理1路信号，而且将信号的频率进行了4倍频，可供后面电路进行计数，从而也是计数更加的稳定不受干扰，使系统不容易受外界的影响。这种将多路信号合并成一路的方法具有电路简单，容易实现。 图9异或电路原理图及仿真效果图2.5、单片机控制原理图本设计使用LM3S1138 作为CPU控制器，用数码管显示。原理图及仿真测试效果如图下 图10 单片机控制原理图 图11 仿真测试图2.6、判向与计数(1)判向 这种思想是基于简单的数字电路处理信号，主要是用D触发器来判断2路输入信号哪一路超前哪一路落后，假设有pulse、Pulse-90的2相位相差为90度的方

13、波，当pulse信号超前pulse-90信号落后时，而pulse接在触发器的D端，pulse-90接在触发器的CLK端时，这时触发器的输出端Q永远都是高电平，而Q的输出永远都是低电平，这样以来可以通过电路来看，DOWN_COUNT永远都是高电平，即不可计数，但UP_COUNT的输出端的高低电平是由计数脉冲决定的，即可在UP_COUNT端产生跟计数脉冲同步的脉冲，所以就可以计数了； 图12判向原理图及仿真效果当PULSE-90接在触发器的D端，而PULSE接在触发器的CLK端所产生的计数效果是跟上述的结果相反的。所以综上所述输入的波形只要有相位差为90的脉冲，计数器即可以自动加减计数。(2)计数

14、 将输入信号产生的2路加减脉冲信号连接到单片机的P32和P33的2个外部中断进行计数设设置为下降沿触发，这种计数的效果是单片机的外部中断分辨脉冲的响应时间快，而且节省了很多的I/O和计数芯片。P32有计数脉冲时通过程序来处理使之做加法运算，P33有计数脉冲时通过程序来处理使之做减法运算，最后的计数结果在通过程序处理用液晶屏显示出来。四、结论我们可以通过函数发生器输入相应的信号通过我们设计的模块后，在相应的示波器上看到了很好的效果，没有失真。但是存在不足的地方就是时间有限，没有把所有版块做整体调试，除了光电采集部分没有完成，其他的基本上全部通过模拟实现了，包括后面单片机处理和显示部分，所以最大的

15、遗憾就是没有彻底完成该作品，但我很有自信做完并且做好此次设计。五、参考文献1、 激光原理及应用(第二版)/陈家壁,彭润玲 主编 著/电子工业出版社2、 激光原理技术及应用 李相银 哈尔滨工业大学出版社 20043、 激光原理 陈钰清 浙江大学出版社 4、 激光器件原理与设计(第2版)/李适民,黄维玲5、郭天祥.51C语言教程M.电子工业出版社致 谢此次的课程设计是在葛一凡老师的指导下与组员一起完成的。在此过程中还得到了我们班简家龙对激光干涉试验台的搭建和做前台部分数据采集等方面的大力支持，基本上实现了该课题设计的要求，感谢葛老师的指导并对论文其中许多不足的地方进行大量的修改，老师对同学的那种孜

16、孜不倦的工作态度让我也学到了很多知识，不仅仅是课本上的，还有做人的道理，谢谢葛老师。附录1：最小系统原理图附录2；PCB图附录3；实物图附录4；信号变换原理图部分程序/*说明：以下程序是用单片机的2个外部中断来采集数据，在采集过程中只有一个外部中断接收数据，即下降沿触发方式， 液晶所显示的是1s所采集的脉冲数，操作是无需改动程序，只需接好外部的I/O口即可*/#include<reg52.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit E=P23;/1602使能引脚sbit RW=P22;/1602读写引脚s

17、bit RS=P21;/1602数据/命令选择引脚uchar code table=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9; /数字显示所需要的数组uchar code table1="forward= 0" /显示提示，forward计数为物体向前移动所接收到的波形个数uchar code table2="back= 0" /显示提示，back计数为物体向后移动所接收到的波形个数uint num=0,forward=0,back=0,count_forward=0,count_back=0;/*函数名：void delay(uchar xms)功能：延

18、时xms参数：所需要延时的时间数返回；无*/void delay(uchar xms) uchar i,j;for(i=xms;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-);/*函数名：void LCD_delay()功能：延时参数：无返回：无*/void LCD_delay() /延时int i,j;for(i=0; i<=100; i+)for(j=0; j<=20; j+);/*函数名：void write_com(uchar del)功能：写指令给液晶参数：所要操作的具体指令返回：无*/void write_com(uchar del) /写指令P0 =

19、del;RS = 0;RW = 0;E = 0;LCD_delay();E = 1;LCD_delay();/*函数名：void write_date(uchar del)功能：写数据给液晶参数：所要操作的具体数据返回：无*/void write_date(uchar del) /写数据P0 = del;RS = 1;RW = 0;E = 0;LCD_delay();E = 1;LCD_delay(); /*函数名：void LCD1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign)功能：写字符给液晶，位置为(hang,lie)参数：hang,lie返回：无*/v

20、oid LCD1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign) /写字符uchar a;if(hang = 1) a = 0x80;if(hang = 2) a = 0xc0;a = a + lie - 1;write_com(a);write_date(sign);/*函数名：void LCD1602_string(uchar hang,uchar lie,uchar *p)功能：写字符串给液晶，位置为(hang,lie)，用数组的头指针参数：hang,lie返回：无*/void LCD1602_string(uchar hang,uchar lie,uch

21、ar *p) /写字符串uchar a;if(hang = 1) a = 0x80;if(hang = 2) a = 0xc0;a = a + lie - 1;write_com(a);while(1)if(*p = '0') break;write_date(*p);p+;/*函数名：void LCD1602_init(void)功能：1602初始化参数：hang,lie返回：无*/void LCD1602_init(void) /初始化 write_com(0x01); write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); w

22、rite_com(0xd0); LCD1602_string(1,1,table1); LCD1602_string(2,1,table2); /*函数名：void init_interrupr()功能：外部中断0、外部中断1、定时器0的初始化参数：无返回：无*/void init_interrupr() TMOD=0x10;/设置定时器工作方式为0TH1=0xd8; /TH1=(65536-10000)/256TL1=0xf0; /TL1=(65536-10000)%256ET1=1;/开定时器中断TR1=1;/定时器运行EA=1;/开总中断EX0=1; /开外部中断IT0=1; /外部中断负跳沿有效EX1=1; /开外部中断IT1=1; /外部中断负跳沿有效/*函数名：void display(uint forward,uint back)功能：显示数据forward、back参数：forward、back返回：无*/ void display(uint forward,uint back)LCD1602_char(1,9,(forward/1000)+0x30);LCD1602_char(1,10,(forward%1000/100)+0x30);LCD1602_char(1,11,(forward%100/10)+0x30); LCD1602_