干涉条纹可逆计数仪

1、干涉条纹可逆计数仪（interference fringe counter）吕少华 李拓 姜宁（南京理工大学紫金学院物理实验室）摘要：设计了一种新的干涉条纹可逆计数仪，分析了对计数进行干扰的几种因素及排除的方法。该设计应用光电变换原理，把由氦氖激光器或钠光灯所发出的光信号转换成电信号，并经过适当的处理，把干涉条纹变化的数量用计数器记录并显示出来，比常规的干涉条纹计数手段更加自动化，数据更加准确直观。关键词：迈克尔逊干涉仪；光电转换；可逆计数器；抗干扰Abstract: A new interference fringe counter on the basis of photo electri

2、c principles which converts optical signals emitted by helium-neon laseror or sodium-light lamp into electrical ones is introduced.After data processing and caculating,number of interference fringes is displayed by the counter.This meter is automatic and the data paocessed are more precise than thos

3、e of the existing interference fringe counter.Keywords: Michaelson interferometer；Photo electric effect；Reversible counter； Anti-interference引言基于迈克尔逊干涉实验中用人眼观察干涉条纹的不便性和不同实验人对同一次实验或者同一实验人对几次实验所得的结果不同，并且在观察过程中出现的由于抖动而产生的对实验数据产生影响等问题，我们设想通过运用学习过的模拟电路和数字电路知识，设计制作一种仪器来完成条纹的计数工作，由此提高实验数据的准确性和说服力。并且我们设计的该干

4、涉条纹可逆计数仪更可以配合测量仪器应用到其他许多领域，比如通过对微小位移或者微小形变来达到工作所需要的精度等等。此外，该仪器的制作成本相对比较低，能为广大的高校、研究机构所接受，操作简便。1工作原理：1.1光信号接收电路该电路主要由三个光电三极管组成，这三个光电三极管在整个实验中相当于可逆计数仪的“眼睛”，用来接收迈克尔逊干涉仪输出的条纹信号，并且将信号输入到下一级处理单元。而且条纹的辨向也与三个光电三极管的分布位置相关。其中一个三极管接收到的环境光强作为比较基准，另外两个三极管接收到的光强即可与其进行比较而达到辨向的目的。图1 光信号接收电路12光信号输入电路该电路即将前一级电路传递过来的信

5、息通过ST288A集成电路进行处理。此芯片的使用即是该可逆计数器的亮点之处也是核心之处。其引脚功能如图（2）所示。它具有多种功能，它的双向脉冲输出功能，完成了方向的辨别处理，将原来的信号赋予了“方向”，由正反方向脉冲输出到计数器电路完成数字信号的累加，并且该芯片具有内部整形电路和数字滤波功能，结合三个光电三极管的分布去除了抖动误差。该集成电路还利用差分放大电路消除了背景光的影响。整体电路如图（3）所示。 图（2）ST288A引脚功能 图3 光信号输入与处理电路滤波整形部分将原来的正弦信号转换成矩形脉冲信号如图（4）所示，即0与1两种数字信号输入到计数器芯片，完成计数。 图4 滤波整形1.3计数

6、电路计数电路我们采用了ICM7217A/C集成电路，此芯片的COUNT与ST288A的输出相连接完成数字信号的传递。可逆计数器的性能特点： 我们采用了一个4位十进制可逆计数器，一般计数时可完成加法或减法计数，计数频率范围是DC2MHz。它具有集成度高、功能强、应用范围广、外围电路简单、低功耗等优点。（1）当计数器呈全零状态时能输出全零信号。（2）利用芯片内部的多路扫描振荡器产生位选通信号，通过对4位共阴极LED显示器进行多路驱动，实现动态扫描显示。它还具有无效零自动消隐及强迫显示器消隐的功能。（3）具有多路BCD码及位选通信号输出，便于配计算机进行数据处理或打印结果。（4）静态功耗极低，显示器

7、消隐时芯片总功耗小于5mW，正常显示时总功耗约0.5W。采用5V单电源供电，环境温度范围是2085。计数器的工作原理： 可逆计数器工作原理如图（5）所示， C/B为进位借位输出端，做加法计数且从9999变成0000（万位上的1溢出）时，输出一个进位信号（正脉冲）；做减法计数由0000变成9999（相当于从万位上借一顶万，再从个位减1）时，输出正脉冲借位信号。计数时输出BCD码，COUNT1为计数输入端，靠下降沿计数, 计数脉冲幅度应大于2.5V。U/D为加/减记数控制端，当U/D=1时做加法计算，U/D=0时做减法计算。LR是寄存器置数控制端，将LR悬空时做一般计数，当LR加正脉冲时预置寄存器

8、，然后令LR端悬空，计数器做加法。当LR0时强迫显示器消隐。 图5可逆计数器工作原理如图LC是计数器控制端，LC悬空时做一般计数，令计数器做减法，减至零时，输出全零信号。SCAN是扫描输入端，此端可以悬空，亦可对地接一只电容C。振荡频率f0经过4分频后得到位扫描频率f1，f1与C的关系见表，若采用外扫描方式，扫描信号应加至SCAN端。f1与C的关系（表1）：SCAN端外接电容CpF振荡频率标称值f0Hz位扫描频率f1Hz位扫描周期T1ms悬    空25006251.62012503123.2906001508 表1 f1与C的关系D1D4是位选通信号输出端，分别

9、接4只LED数码管的公共阴极，低电平有效；位扫描顺序是D4（最高位MSB）D3D2D1（最低位LSB）。由于扫描到不同位时所输出的数据可以不同，因此在相邻的位扫描信号之间需留出10s的位间消隐时间，以等待数据线的输出能稳定下来。2干扰因素的处理：在实验中还有一个影响较大的问题就是干扰因素，干扰因素进入到实验中可以是读数不准确，甚至可能使我们所制作的实验仪器完全失去它应有的作用。我们考虑到的干扰因素如下：21 环境中的非稳定光源的影响：首先迈克尔逊干涉实验必须在暗室中进行，但是不可避免的实验过程中有可能会因为开门和等光的缘故导致光电三级管接收信号的不准确性，光强低于光电三极管灵敏度的光可以忽略不

10、计，但是我们必须有效的控制光强高于三极管灵敏度的光线进入光电三极管通过与老师交流，我们知道光电三极管是一个可以接收周围所有光信号的光敏感元件，所以我们可以在光电管上制作简易的光电门，来限制光电三极管的敏感区域，比如一个外壳，在外壳上刻上一条透光缝，此处透光缝的宽度是有限制的，必须是条纹宽度的量级，最好是条纹的宽度一样宽，使光电三极管单向接收光信号，而不导致接收的光信号紊乱而失去方向辨别的能力。 22 由于干涉条纹自身特点产生的不稳定因素而形成的干扰：条纹的亮暗程度不是跃变的，而是一个缓慢的变化过程，由亮到暗，有个渐变的过程, 也就是有个过渡阶段。光电三极管能接收光信号但是没有识别能力。而数字化

11、的计数电路要求输入量是“0” 或“1”即要求条纹的变化要么亮要么暗，对于亮与暗中间的过渡状态不能识别。在实验中发现，当光敏管对准明条纹和暗条纹之间的位置时，计数电路会迅速变化，因为这部分恰好处在计数电路的阈值附近, 稍有微小的噪声干扰信号，就会使电路状态不稳定而使计数状态不准。 我们通过参考资料发现可以使用施密特电路来解决该问题，因为该电路可以把缓慢变化的信号输出为矩形波，其原理是输入信号由低向高变化时, 若其电压值超过正向阈值电压, 输出即升为高电平, 只有输入电压降到低于负向阈值电压时, 输出才变为低电平, 使输入由高低之间的缓慢变化过程变成输出只有高和低, 即只有“0” 态和“1” 态，

12、这样可以很好的解决上述干扰。23 电源的50Hz工频干扰由于交流电源本身的频率为50Hz而光电转换器是将光信号转换为电信号，且自身滤波电路中会产生耦合频率，这就电源使用中产生的电磁波会对滤波电路产生影响，所以我们要加入一个50Hz的陷波电路来排除干扰3 应用举例 由于该仪器中造成条纹变动的因素来自三个方面：一是光路中媒质或元件折射率n的变化，二是装置结构的变化，三是光源的移动d。所以我们可以通过用其他物理量转变为以上三点中的量的变化来精密测得。 以下是迈克尔逊干涉仪测量的结果：N=100次数d1/mmd2/mmd1-d2/mm1/nm2/nm/nm127.0629027.096440.0335

13、4670.8661.4661.08227.1036327.137710.03408681.6661.7327.1390927.172380.03329665.8661.1427.1740027.206750.03275655.0660.9527.1080027.239800.03180636.0660.3 表2 测量结果此外，比如在工业中经常使用的精密加工中对零件进行测量和监控；利用物体的热涨冷缩来测量温度或热膨胀系数；利用光程差的变化来测量某种气体的折射率以及据此设计出的由于现在小型煤矿中多次发生爆炸而要大量使用的瓦斯报警器；还有测量水坝用的水坝位移量测绘器，该仪器还可以测量大桥横向稳定程度等等。所以利用此原理制作的仪器有着很广泛的应用。结束语 目前，由于CMOS集成电路具有灵敏度高，工作电压范围大等优点，应用广泛和成熟的各种计数器都是利用CMOS集成电路制成的。可逆条纹计数仪也是以CMOS集成电路为基本组成部分，将信号进行差分处理后计数。此计数仪具有抗干扰强、集成度高、应用范围广、外围电路简单、低功耗等优点。参考文献：1 邱