基于电流调制的频率扫描绝对距离测量方法设计研究(2)

发布时间：2014-08-27 15:50

2.1 半导体激光器的电流调制特性
半导体激光器实质上就是一个半导体激光二极管，由于其输出波长与其注入电流存在一定的线性关系，因此，在精密测量领域，常常选择半导体激光器作为光源进行精密测量。同时，随着现代加工工艺的不断提高、对半导体激光器的理论研究不断深入，半导体激光器的应用范围更加广泛。然而，对于不同的半导体激光器而言，这种线性变化关系存在着一定的差异。因此，当选择半导体激光器作

关键词：绝对距离测量 频率扫描 电流调制 差分平滑卷积 

为光源进行精密测量时，了解半导体激光器的电流调制特性就显得尤为必要。一般来说，半导体激光器的输入波长与注入电流存在以下一些关系[29]：
(1)通常来说，每个半导体激光器都存在一个阈值电流。当注入电流大于阈值电流时，也就是注入电流超过这一临界值时，半导体激光器便会输出激光。
(2)在一定的范围内，半导体激光器的输出波长与注入电流呈现一定的线性关系。随着注入电流的不断增大，半导体激光器会发生模跳变现象，而当注入电流的强度继续增大时，模跳变现象会消失，半导体激光器的输出波长与注入电流又会呈现一定的线性关系。也就是说，线性区间与模跳变区间交替出现。但是，不同线性区间的电流调制系数是不同的。
(3)半导体激光器的注入电流的大小不能大于其阈值电流大小的四倍，如果半导体激光器长期工作在注入电流大于四倍的阈值电流条件下时，半导体激光器容易迅速老化。
因此，在利用半导体激光器作为光源进行精密测量时，合理选择半导体激光器的线性调制区间显得尤为必要，这也是提高测量精度的关键。当线性关系比较理想时，测量精度也会比较好，而当线性关系不明显时，测量精度就不会很高。
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2.2 半导体激光器电流调制的实现
基于以上讨论的半导体激光器的电流调制特性，为了实现半导体激光器的波长调制，设计了如图 2.1 所示的半导体激光器驱动电路。该驱动电路由三部分组成，从左到右依次为：积分电路、半导体激光器工作点调整电路以及电压转电流电路。图中 U1、U2 为满幅运算放大器，R1-R9 为电阻，Q1 为三极管，V1 为方波信号源，LD 为半导体激光器。下面分别对半导体激光器驱动电路的各个组成部分进行详细的介绍。

2.2.1方波信号的产生
方波信号由单片机开发板的 P0.0 口提供，图 2.2 为单片机开发板 P0.0 口的结构图[30]，图中的锁存器用于锁存内部总线输入的信号，MUX 为多路选择开关，内部控制端通过发出不同的电平信号，控制多路选择开关与地址/数据总线或锁存器的反向输出端相连，T1、T2 为两个场效应管。
当使用 P0.0 口输出信号时，内部控制端将使 MUX 拨下来，与锁存器的反向输出端相连，而场效应管 T1 由于内部控制端的作用，将处于截止状态。当内部总线输出高电平时，在锁存器的 CL 端出现写脉冲后，锁存器的 Q 端输出为高电平，Q 端则输出低电平，这样场效应管 T2 就会截止，P0.0 口的电压就等于 VCC，也就是 P0.0 口输出高电平；同样地，当内部总线输出低电平时，在锁存器的 CL 端出现写脉冲后，锁存器的 Q 端输出为低电平，Q端则输出高电平，这样场效应管T2 就会导通，P0.0 口的电压就等于 GND，也就是 P0.0 口输出低电平。这样，输出端口的电压也就与内部数据总线上的信号相对应起来。
当从 P0.0 口读取数据时，此时两个三态缓冲器将被打开，P0.0 口的信号经读引脚缓冲器后，进入内部总线，而读锁存器并不是直接读取内部总线上的输入信号，而是读取锁存器正向输出端的信号，而锁存器正向输出端的信号与内部总线上的信号是一样的，这样也实现了输入引脚上数据的读取。例如，当输入端口为高电平时，经与读引脚相连的三态输入缓冲器送人到内部总线上的信号也为高电平，而锁存器 Q 端的信号与 D 端的信号相同，于是，读锁存器读取的信号也为高电平；同样地，当输入端口为低电平时，经与读引脚相连的三态输入缓冲器送人到内部总线上的信号也为低电平，而锁存器 Q 端的信号与 D 端的信号相同，于是，读锁存器读取的信号也为低电平，这样读锁存器读取的信号也就与输入端口的信号对应起来。
当 P0.0 口用来提供 8 位数据总线的最低位或 16 位地址总线的最低位时，此时内部控制端将使 MUX 打上去 ，与地址/数据总线的最低位相连。当数据/地址总线的信号为高电平时，经反相器输入到场效应管 T2 上的信号为低，这样场效应管T2 将截止，而“与”门的输出为高，这样场效应管 T1 导通。于是，P0.0 输出端口的电压等于 VCC，也就是 P0.0 口输出高电平；同样地，当数据/地址总线的信号为低电平时，“与”门的输出为低，这样场效应管 T1 将截止，而经反相器输入到场效应管 T2 上的信号为高，这样场效应管 T2 将导通。于是，P0.0 输出端口的电压等于 GND，也就是 P0.0 口输出低电平。这样，P0.0 输出端口的电压与数据/地址总线上的信号也就对应起来。

实验过程中，将 P0.0 口作为输出口使用。利用上面讲述的原理，通过编程就可以产生实验所需的方波信号。由于单片机开发板上的 P0.0 口连接一个发光二极管，经过反复的实验，确认当方波信号的周期为 70ms 左右时，此时的方波信号满足实验的要求。为了获得所需的方波信号，可以先将 P0.0 口置 1，然后延时 35ms，延时时间到后将 P0.0 口置 0，再延时 35ms，如此反复循环就可以得到周期为 70ms，占空比为 50%的方波。具体的实验程序见附录。
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第 3 章 基于零点的周期或频率提取算法.....................................18
3.1 基于扫描信号的两步差分平滑卷积...................................18
3.1.1 离散时间傅里叶变换....................................18
3.1.2 两步差分平滑卷积.........................................20
3.2 平滑卷积零点间隔与理论周期间误差分析..........................20
3.3 本章小结..........................................21


本文编号：8486