高精度光学斩波器对光信号的调制

一、项目概述

1.1 引言

在光测量应用中，有时需要对光信号进行调制，以便光电变换后的选频放大和相干检测。我们可以使用光学斩波器来对光信号进行调制。光学斩波器通过控制叶片的转动，叶片周期性地阻断光源发出的连续的光，从而把光信号调制成等时断续的光信号。

在光学研究中，有时候要对光信号进行测量，而待测的光信号可能很微弱，而且受到很多信号的干扰，甚至出现干扰信号强度远远高于待测光信号的情况。此时如果知道有用信号的频率值，就可以使用锁相放大器来测量这些淹没在噪声中的信号。而光学斩波器可以为锁相放大器提供参比信号。光学斩波器通过对光学信号的调制，将光辐射信号调制成交变信号，输出与调制频率同步的参考电压方波，从而为锁相放大器提供一个准确的参比信号，以便锁相放大器能够识别出有用的微弱信号。使用光学斩波器进行的一个单光路实验的过程如图 1所示。

图 1 单光路实验过程

由于光学斩波器既能对被测光进行调制外，又能同时输出与调制频率同步的参考电压方波，作为锁定放大器的参考信号，所以光学斩波器特别适用于采用锁定放大器的激光、光学或微波测量系统。

1.2 项目背景

目前市面上成熟的光学斩波器产品主要有：美国斯坦福研究系统公司的 SR540；美国Signal Recovery公司（前EG&G公司）包括Model 650系列（651－1，652－1，652－2），Model 197，Model 198A；英国Scitec公司Model-300C系列（300CD、 310CD、320CD、340CD、350CD、360C）、Model-C995；美国TTI公司C-995光学斩波器； 日本HORIBA公司的ACH-C。这些产品的精度和稳定度都很高，它们的主要技术指标如表 1。

表 1主流光学斩波器技术参数

目前国内市场只看到哈尔滨工业大学自动检测与过程控制系统研究所研究的HIT-3型光学斩波器，可在20Hz～6kHz的频率范围对被测光进行调节，频率稳定性：《0.1%。由于光学斩波器很高的稳定性、可靠性，才能被市场认同，现在国产的光学斩波器并未被广泛推广。

现在实验中用的光学斩波器都是进口的，价格较贵，而且购买不方便。现在借这次机会来研究光学斩波器，制作出光学斩波器并将其应用于实验当中，取代目前实验室的光学斩波器。

二、需求分析

2.1 功能要求

光学斩波器对斩波稳定度要求很高，这就要求光学斩波器的机械部分精度要高，需要选用机械性能较好的电机，采用一般的电机是难以达到这个稳定度的。其次，系统要求的斩波的范围很广，要求电机的转速能够比较高，同时，可以通过设计叶片的孔数，增大斩波的范围。系统对斩波速度有要求，这要求系统的响应速度很快，在系统动态特性分析时要考虑系统的响应时间。要求能实现外部时钟（TTL电平）的同步斩波。这要求系统能够根据外部的参考信号进行信号的锁定。在控制光学斩波器斩波频率时，为了能够快速稳定速度，需要通过负反馈，经过PID算法控制斩波电机转速；因此需要实时测定斩波电机的速度，及时反馈给MCU，进行相应调整。实际使用时需要用LCD显示相关信息，需要建立一个显示系统。

图2 系统架构

2.2 性能要求

斩波稳定度达到千分之一；

斩波速度锁定时间 《 5 seconds ；

斩波速度可调，范围为10Hz-5KHz ；

实现外部时钟（TTL电平）同步斩波 ；

LCD显示斩波速度，显示精度为1mHz ；

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

电机及其驱动

为了提高斩波频率精确度，并保证其稳定性，我们选择了步进电机。相比于普通直流电机，步进电机能更好地控制转速。在非超载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响；每接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。只要控制好脉冲个数来控制角位移量，就能达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到精确调速的目的。

对步进电机的驱动可以使用L297配合L298来实现，从而使得MCU能够很方便地通过PWM波来控制电机转速。L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。设计的驱动电路如下图2所示，具体驱动时序图见图3。

图3 L297配合L298驱动步进电机

图4 具体驱动时序图

斩波扇叶设计

系统需要在一个比较大的频率范围进行调节，所以把叶片设计为内圈和外圈叶缝数目不一样，这样可以很方便地换用各个档位，根据实际需要来选择使用内圈或者外圈。叶片的设计图如图4所示，当使用低频时使用内圈，高频段时使用外圈。叶片要求孔径的精度很高，保持叶片斩波输出的方波信号的均匀性，所以叶片要求的加工精度很高。为了避免由于旋转时离心对斩波器的影响，叶片不宜太重，因此需要尽可能减小叶片的厚度。

图5斩波器斩波扇叶设计图样

转速控制机理

为了精确控制电机转速从而达到稳定斩波的目的，并能快速稳定斩波频率，需要一个闭环自动控制系统，使用PID算法便能很好满足这一要求。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制器根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量，进而对电机转速进行精确的控制。

应用PID算法对电机进行的调速系统如下图5所示，r（k）为电机转速预设值，y（k）为当前测得值，两者之差e（k）被反馈给PID控制器，MCU对e（k）进行比例、积分、微分运算，输出调整值u（k），进而调整y（k），使之与r（k）逐步接近。

图6电机转速PID控制系统

3.2 硬件平台选用及资源配置

控制MCU的选择

本实例对MCU的基本要求：

需要定时器产生PWM波，用以驱动步进电机。

实时测定电机转速。

进行快速PID运算，及时调整输出PWM波频率，快速稳定电机转速。

可用LCD扩展口，显示斩波频率设定与实测值。

扩展输入键盘，用以对斩波频率的设定和PID算法各参数的设定。

保留通讯接口，便于与上位机相连。

可通过USB或者串行口与PC机连接，便于实际运行调试。

综合考虑系统需求与成本，爱特梅尔公司的8位微控制器ATmega128A1是比较理想的选择。ATmega128A1拥有128KB的Flash，8KB的SRAM，可以存储大量的实验数据，为了达到精确控制，PID算法的实现需要存储大量的数据，刚好需要用到256KB的存储空间。而且为了精确控制转速，需要反馈的信息进行大量的计算，因此对MCU的性能也有较高的要求，ATmega128A1的速度能达到32MHz，将大大缩小计算的花销。

步进电机及其驱动

设计的驱动电路如下图7所示，具体驱动时序图见图8。

图7 L297配合L298驱动步进电机

图8 具体驱动时序图

硬件整体架构

整体硬件结构框图如图9所示。

图9 硬件结构框图

3.3系统软件架构及实现流程

测速及显示程序流程图如10所示。

（a）显示程序流程图 （c）定时器T1溢出中断流程图

主程序流程图如图11所示。

图11 主程序流程图

3.4 系统预计实现结果

斩波稳定度达到千分之一；

斩波速度锁定时间 《 5 seconds ；

斩波速度可调，范围为10Hz-5KHz ；

实现外部时钟（TTL电平）同步斩波 ；

LCD显示斩波速度，显示精度为1mHz ；