SZY-1型雙折射測(cè)試儀電光調(diào)制信號(hào)源的改進(jìn)

摘要：從電路模塊化和程控的思想出發(fā)，對(duì)SZY-1型雙折射測(cè)試儀的信號(hào)發(fā)生器部分進(jìn)行了改進(jìn)。用單片機(jī)通過軟件編程產(chǎn)生方波信號(hào)，并用鍵盤控制其相位大小，取代了原來的硬件電路實(shí)現(xiàn)相位粗調(diào)和細(xì)調(diào)的方法。闡述了軟件設(shè)計(jì)流程，并對(duì)改進(jìn)后的電路進(jìn)行了仿真，結(jié)果性能良好。
關(guān)鍵詞：雙折射測(cè)試儀；單片機(jī)；移相；選頻

0 引言
雙折射率是表征各向異性晶體光學(xué)特性的一個(gè)非常重要的光學(xué)參數(shù)，由材料的成分結(jié)構(gòu)以及生成條件等多種因素所決定，并且與波長(zhǎng)有關(guān)。測(cè)量雙折射率的方法多樣，其中有最小偏向角法、棱鏡法、電光調(diào)制法、偏光干涉法等。SZY-1型雙折射率測(cè)試儀便是依據(jù)電光調(diào)制的方法設(shè)計(jì)的一種雙折射率測(cè)量系統(tǒng)。
國(guó)內(nèi)折射率測(cè)試儀的開發(fā)歷時(shí)彌久。1987年，北京理工大學(xué)工程光學(xué)系研制的激光旋光雙折射測(cè)試儀通過鑒定并獲得機(jī)電部科技進(jìn)步獎(jiǎng)?，F(xiàn)在市面上的雙折射率測(cè)試儀主要有以下幾種：上海舒佳電氣有限公司生產(chǎn)的全自動(dòng)雙折射測(cè)量系統(tǒng)ABR-10A、全自動(dòng)雙折射測(cè)量系統(tǒng)ABR-22。其中全自動(dòng)雙折射測(cè)量系統(tǒng)ABR-10A具有雙折射系數(shù)的線性解析度高達(dá)0．0lnm，可同時(shí)測(cè)量延遲軸和主軸兩個(gè)方向，基于光學(xué)相位差的雙折射系數(shù)顯示，一秒采樣時(shí)間等特點(diǎn)。全自動(dòng)雙折射測(cè)量系統(tǒng)ABR-22具有可同時(shí)或獨(dú)立測(cè)量線性和周向雙折射系數(shù)，無需樣品旋轉(zhuǎn)，即可測(cè)量主軸和延遲軸的線性雙折射系數(shù)、圓周雙折射系數(shù)的旋轉(zhuǎn)角，一秒采樣時(shí)間，可選樣品旋轉(zhuǎn)臺(tái)，二維或三維顯示，可全自動(dòng)操作等優(yōu)點(diǎn)。與此類似的還有一種PTC-4型應(yīng)力雙折射儀。但以上測(cè)量系統(tǒng)成本太高，不能達(dá)到一個(gè)較高的性價(jià)比。本文對(duì)北京大學(xué)無線電廠在1982年生產(chǎn)的一臺(tái)雙折射率測(cè)試儀的信號(hào)源部分進(jìn)行改進(jìn)，用單片機(jī)程控代替了原來的硬件調(diào)相電路，相位調(diào)節(jié)的范圍增大。

1 SZY-1型雙折射率測(cè)試儀存在的缺陷
雙折射率測(cè)試儀是一種測(cè)量雙折射率的儀器。其本身由氦-氖激光管及電源、光具座、電光調(diào)制器等光學(xué)部分和光電調(diào)制器的交、直流調(diào)場(chǎng)電源、調(diào)制信號(hào)檢測(cè)、顯示及直流電壓測(cè)試等電路部分組成。
該儀器采用激光-電光調(diào)制的方法，核心器件是電光調(diào)制器。經(jīng)高壓電路生成的可調(diào)直流電壓上加載一個(gè)同步載波信號(hào)，兩者共同輸入電光調(diào)制器用以對(duì)通過電光調(diào)制器的入射光的光程差進(jìn)行控制。其原理框圖如圖1所示。

其中，同步信號(hào)產(chǎn)生的原理框圖如圖中虛線框中所示，分為信號(hào)產(chǎn)生、整形、分頻和移相、選頻輸出四部分。信號(hào)產(chǎn)生電路采用電容三點(diǎn)式振蕩器，產(chǎn)生f=36kHz的正弦波，然后經(jīng)過整形電路將邊緣緩慢變化的正弦波變成邊沿陡峭的矩形脈沖。信號(hào)的分頻是將36kHz的信號(hào)經(jīng)分頻器變成三路相位相差60°的6kHz的方波分別送入移相電路和基準(zhǔn)電路。移相電路是將信號(hào)的相位移動(dòng)一個(gè)角度，以保證電壓穩(wěn)定性不因聯(lián)絡(luò)線連鎖跳閘、相繼退出而遭到破壞，可以明顯提高電壓穩(wěn)定極限。在移相電路前需要對(duì)原方波進(jìn)行積分以得到近似的正弦波。選頻輸出是將得到的移相信號(hào)加以選頻。因?yàn)檎袷庪娐返妮敵鲇性S多諧波，一般不需要都放大，所以要用選頻放大器選出所需要的頻率。通過選頻輸出的最終信號(hào)要與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，以示相移的程度。
經(jīng)過分析，原硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且功能模塊使用較少，有必要對(duì)原電路進(jìn)行改進(jìn)。

2 電光調(diào)制信號(hào)源改造方案
同步信號(hào)源整體結(jié)構(gòu)改造框圖如圖2所示。

新的設(shè)計(jì)方法是采用現(xiàn)在普遍使用的硬件和軟件結(jié)合的方法。首先由編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)產(chǎn)生兩路6kHz方波，一路送至示波器作為基準(zhǔn)，另外一路相對(duì)于基準(zhǔn)相位調(diào)節(jié)后送至選頻輸出模塊。相位粗調(diào)的兩鍵分別控制方波相對(duì)于基準(zhǔn)相位10°增加和減少；相位細(xì)調(diào)的兩鍵控制方波1°增加和減少。選頻輸出電路也在原來基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整。