【正文】 就 顯 得 比 較 重 要 ， 因 為 濾 波 的 效 果 好 壞 直 接 影 響 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 的 準(zhǔn) 確 度 ，所 以 這 是 整 個(gè) 設(shè) 計(jì) 電 路 的 重 要 一 環(huán) 。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中最好采用的是，高速窄脈沖的峰值保持電路，對(duì)于激光器而言在信號(hào)發(fā)生器輸入電壓時(shí)信號(hào)是微弱的，一般來講是 10mv 左右的微弱電壓信號(hào)，該信號(hào)在數(shù)字示波器上顯示時(shí)，波形的干擾是十分明顯的，所以選用高速窄脈沖的峰值保持電路時(shí)，即使脈沖激光信號(hào)波形存在干擾，峰值保持電路依然可以通過自身對(duì)窄脈沖信號(hào)的保持起到很好的作用。2模擬輸入電壓范圍：0～＋5V，即0≤Vin≤＋5V。顯示電路采用 3 位共陽 LED 數(shù)碼管。這樣可以有效地保證了兩部分電路的基本電源供電的要求。在 LED 數(shù)碼管上顯示的初始值。除增加了源代碼、功能導(dǎo)航器、模板編輯以及改進(jìn)的搜索功能外，μVision3還提供了一個(gè)配置向?qū)Чδ?，加速了啟?dòng)代碼和配置文件的生成。? 集成了豐富的庫函數(shù)，以及完善的編譯鏈接工具。開始讀取 0804 輸出數(shù)據(jù)設(shè)置 0804 工作條件算出百、十、位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成功率值結(jié)束報(bào)警 顯示斷碼轉(zhuǎn)換功率上限NY圖 主程序流程圖 根據(jù)電路的硬件設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換的程序。在數(shù)碼管的編程中，設(shè)定顯示第一位小數(shù)點(diǎn)，這樣做的目的是數(shù)碼管顯示的數(shù)值不會(huì)超過10W。在芯片選擇中，系統(tǒng)選擇了簡(jiǎn)單易用、產(chǎn)量化的芯片，除單片機(jī)外有5個(gè)IC，2個(gè)外設(shè)，因此價(jià)格相對(duì)低廉，因?yàn)槌藛纹瑱C(jī)外，其他芯片體積較小，所以整體制版體積較小，而且要求供電電壓低可以達(dá)到簡(jiǎn)便易用的效果。 輸入 電 壓 為 3V， 顯 示 功 率 為 3W， 在 編 寫 程 序 的 過 程 中 ， 設(shè) 定 輸 入 電 壓 和 輸 出 功 率 的 線 性 關(guān) 系 ， 在功 率 顯 示 中 可 以 很 好 的 顯 示 。 信號(hào)的放大效果圖 信號(hào)的峰值保持當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸入頻率為20kHz，輸入電壓為20mV時(shí)，經(jīng)過放大50倍之后，電壓值為1V，波形圖如1通道波形所示，將該電壓值通過系統(tǒng)的峰值保持電路后的波形圖如2通道所示，峰值保持電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，使直流信號(hào)一直保持在交流信號(hào)的峰峰值，峰值保持電路可以跟隨輸入信號(hào)的不斷變化，將最大值記憶下來，通過它可以使輸入信號(hào)一直保持直流和峰峰值的穩(wěn)定狀態(tài)，以便單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別。第二套方案：是通過兩級(jí)放大將電壓信號(hào)放大 50 倍，通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作證明，第一套方案脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究20直接放大 50 倍，效果不是十分顯著，放大倍數(shù)達(dá)不到理論要求的倍數(shù)，經(jīng)過驗(yàn)證，第二套方案的可行性更加準(zhǔn)確穩(wěn)定，所以棄用第一套方案，經(jīng)過篩選選擇第二套方案進(jìn)行放大，這里需要的元件包括：精密運(yùn)放 OPA234，主要阻值為 1k，5k，10k 的電阻及 103 電容，導(dǎo)線若干根據(jù)放大濾波電路的要求進(jìn)行放大濾波電路的設(shè)計(jì)與連接。 脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究19第五章 系統(tǒng)試驗(yàn)與調(diào)試 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建 根 據(jù) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 的 構(gòu) 想 ， 初 步 完 成 課 題 所 需 的 系 統(tǒng) 調(diào) 試 平 臺(tái) 的 實(shí) 物 圖 ， 通 過 設(shè) 計(jì) 系 統(tǒng) 電 路 圖 ，完 成 對(duì) 電 路 圖 的 仿 真 ， 搭 建 焊 接 實(shí) 物 電 路 圖 ， 編 寫 單 片 機(jī) 軟 件 程 序 ， 以 及 后 期 對(duì) 該 系 統(tǒng) 電 路 圖 進(jìn)行 調(diào) 試 處 理 ， 最 終 得 到 完 整 的 實(shí) 物 平 臺(tái) 的 搭 建 ， 實(shí) 物 調(diào) 試 平 臺(tái) 如 圖 所 示 。課題設(shè)計(jì)的光功率計(jì)檢測(cè)與顯示系統(tǒng)中，在激光功率的測(cè)量上完成了即時(shí)測(cè)量、微延遲顯示，和時(shí)段平均測(cè)量值的計(jì)算和顯示延遲，并將時(shí)段光功率數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在設(shè)計(jì)好的擴(kuò)展存儲(chǔ)空間中。如果功率值超出事先設(shè)定的功率10W時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到功率值復(fù)位的信號(hào)，那么數(shù)碼管上顯示的功率值將為0W，系統(tǒng)復(fù)位。? 由于 Keil μVision3 具有最廣泛的用戶群，因此相應(yīng)的代碼資源非常豐富，讀者可以輕松地找到各類編程資源以加速學(xué)習(xí)和開發(fā)過程。? 支持匯編語言、C51 語言及混合編程等多種方式的單片機(jī)設(shè)計(jì)。 基于 Keil 軟件編程本系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)，軟件程序的調(diào)試是在Keil開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的。系統(tǒng)軟件流程圖如圖 所示。 供電電路由于采用的是 LED 數(shù)碼管用為顯示方式，正常工作時(shí)，系統(tǒng)工作電流約為 3045mA，為保證系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的可靠以及正常工作，系統(tǒng)的供電方式主要交流 5V，同時(shí)為調(diào)試系統(tǒng)方便，供電方式考慮由 USB 口供電。信號(hào)輸入端可以 是傳感器或轉(zhuǎn)換器的輸出，而 ADC 的數(shù)字信號(hào)也可能提供給微處理器。圖 信號(hào)放大電路 信號(hào)的峰值保持峰值保持是該課題的十分重要的創(chuàng)新點(diǎn)，也是課題設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，它的作用是將放大濾波后的交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，使直流信號(hào)一直保持在交流信號(hào)的峰峰值，峰值保持電路可以跟隨輸入信號(hào)變化并能將最大值記憶下來的電路，通過它可以使輸入信號(hào)一直保持直流和峰峰值的穩(wěn)定狀態(tài)。濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)條件也可以化為高通條件和低通條件兩個(gè)獨(dú)立的因素，并根據(jù)條件分別設(shè)計(jì)高通和低通濾波器將之級(jí)聯(lián)以滿足設(shè)計(jì)要求。（3）噪聲低，器件本身對(duì)信號(hào)的影響小。PIN 二極管對(duì)低頻信號(hào)具有整流作用，而對(duì)高頻信號(hào)，卻只有阻抗作用。渡越時(shí)間,它定義為式 脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究12（）drvWt?式中，vd 為光身載流子的漂移速度。為提高量子效率，必須減少入射表面的反射率，使入射光子盡可能多地進(jìn)入 PN 結(jié)同時(shí)減少光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)內(nèi)被充分吸收。（2）響應(yīng)度 響應(yīng)度是描述光檢測(cè)器能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)參量。 PIN 光電二極管是在摻雜濃度很高的 P 型、N 型半導(dǎo)體之間，生成一層摻雜極低的本征材料，稱為 I 層。當(dāng) PN 結(jié)加反向偏壓時(shí)，外加電場(chǎng)方向與PN 結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，勢(shì)壘加強(qiáng)，在 PN 結(jié)界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。I 層較厚，幾乎占據(jù)了整個(gè)耗盡區(qū)。 功率計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路通過激光器發(fā)出不同頻率的激光信號(hào)，由 pin 光電二極管采集由激光器發(fā)出的不同頻率的微弱激光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過完整的帶通濾波電路進(jìn)行濾波，將不必要的外界光引起的脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究10干擾雜波濾掉，然后將得到的微弱的電壓信號(hào)，通過放大電路進(jìn)行放大課題需要的是兩級(jí)放大 50倍，為了得到更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)效果，該測(cè)試系統(tǒng)中我選擇加入峰值保持電路，將交流轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流，讓單片機(jī)可以一直采集到被放大的微弱電壓信號(hào)的峰峰值。（a）上電復(fù)位 （b）按鍵電平復(fù)位 （c）按鍵脈沖復(fù)位圖 復(fù)位電路上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖 （a）所示。（2）復(fù)位信號(hào)及其產(chǎn)生RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。晶體振蕩頻率可以在～12MHz 之間選擇，電容值在 5～30pF 之間選擇，電容值的大小可對(duì)頻率起微調(diào)的作用。 最 早 的 設(shè) 計(jì) 理 念 是 通 過 將 大 量 外 圍 設(shè) 備和 CPU 集 成 在 一 個(gè) 芯 片 中 ， 使 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 更 小 ， 更 容 易 集 成 進(jìn) 復(fù) 雜 的 而 對(duì) 提 及 要 求 嚴(yán) 格 的 控 制 設(shè)脈沖光纖激光器光功率計(jì)的設(shè)計(jì)與研究8備 當(dāng) 中 。 空 閑 模 式 下 ， CPU 停 止 工 作 ， 允 許 RAM、 定 時(shí) 器 /計(jì) 數(shù) 器 、 串 口 、中 斷 繼 續(xù) 工 作 。，需要比較深入的了解單片機(jī)編程的基本方法和技巧，熟練掌握單片機(jī)編程的特點(diǎn)。本課題的整體設(shè)計(jì)與研究是圍繞光功率計(jì)的檢測(cè)與顯示來展開的。在很多全固體激光器中，其輸出光功率穩(wěn)定性都在177。但如果從應(yīng)用目標(biāo)出發(fā)時(shí),連續(xù)工作的光纖激光能提供的靶面功率密度較低,脈沖工作的光纖激光或許更為有用。增益介質(zhì)為摻有稀土離子的光纖芯，摻雜光纖放置在兩個(gè)反射率經(jīng)過選擇的腔鏡之間，泵浦光從光纖激光器的左邊腔鏡耦合進(jìn)入光纖，經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和濾波器得到輸出激光。激光信號(hào)的頻率在 20kHz200kHz 的范圍內(nèi),測(cè)量的激光信號(hào)的范圍是 18kHz22kHz 的頻率。（3）對(duì)該信號(hào)進(jìn)行峰值保持，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)。因?yàn)殡S著光纖激光器應(yīng)用范圍的不斷拓寬，其發(fā)展的意義也會(huì)越來越重，在不久的將來，隨著激光技術(shù)的日趨成熟穩(wěn)定，其應(yīng)用也會(huì)更加貼近人們的日常生活，更加具有普遍性。2022 年南開大學(xué)報(bào)道了利用脈沖泵浦獲得 100kW 峰值功率的調(diào) Q 脈沖,以及得到的 60nm 可調(diào)諧的調(diào) Q 脈沖。德國(guó)的 IPHT 也有極高的研發(fā)和制造水平，它們也加入到新產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中來。盡管目前多數(shù)類型的器件仍處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，但已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中充分顯示其優(yōu)越性。論文工作主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)采集的激光信號(hào)的濾波,放大電路。該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測(cè)速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。1964 年 和 又發(fā)表了多組份玻璃光纖中的光放大結(jié)果。國(guó)內(nèi)摻 Yb3 +雙包層光纖激光器的研究起步較晚。摻鐿雙包層光纖激光器是國(guó)際上新近發(fā)展的一種新型高功率激光器件，由于其具有光束質(zhì)量好、效率高、易于散熱和易于實(shí)現(xiàn)高功率等特點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速，并已成為高精度激光加工、激光雷達(dá)系統(tǒng)、光通信及目標(biāo)指示等領(lǐng)域中相干光源的重要候選者。由于時(shí)間和能力問題功率反饋部分沒有完成。（6）通過軟件編程實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)功率可以最終顯示在數(shù)碼管上。當(dāng)泵浦光通過光纖時(shí)，纖芯中的稀土離子吸收泵浦光，躍遷到激光上能級(jí)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但實(shí)際應(yīng)用中人們一般希望使用較短光纖，所以多數(shù)情況下采用諧振腔，以引入反饋。雙包層光纖激光器在產(chǎn)生高平均功率脈沖激光方面有相當(dāng)大的潛力 ,它們可以成為替代某些調(diào) 或鎖模激光器的另一種高效多用途激光器。在光纖激光器系統(tǒng)中，半導(dǎo)體激光器起到泵浦原的作用，維持它的輸出功率的穩(wěn)定性尤為重要，半導(dǎo)體激光器受到微小的電流和溫度變化的影響時(shí)，將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器輸出功率的波動(dòng)，也就是半導(dǎo)體激光器的輸出功率不穩(wěn)定。 光功率計(jì)檢測(cè)與顯示系統(tǒng)框圖如圖 所示。硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖 所示。單 片 機(jī) 是 指 一 個(gè) 集 成 在 一 塊 芯 片 上 的 完 整 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 。圖 STC89C52 最小系統(tǒng)電路 STC89C52 內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 RXD 和 TXD 分別是此放大器的輸入端和輸出端。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘 P1 和 P2，供單片機(jī)使用。對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路邏輯如圖 所示。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與 Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，其電路如圖 （b）所示。 雪崩二極管是一種負(fù)阻器件，特點(diǎn)是輸出功率大，但噪聲也很大。因而光產(chǎn)生電流中漂移分量占了主導(dǎo)地位，這就大大加快了響應(yīng)速度。當(dāng)入射光功率變化時(shí)，光電流也隨之線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。另外，I 層兩側(cè)的 P 層、N 層很薄，光生載流子的漂移時(shí)間很短，大大提高了器件的響應(yīng)速度。（3）量子效率量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。 影響響應(yīng)速度的主要因素有： ①檢測(cè)器及其有關(guān)電路的 RC 時(shí)間常數(shù)，設(shè)它造成的脈沖前沿上升時(shí)間為： 。耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分復(fù)合，一部分?jǐn)U散到耗盡區(qū)，被電路吸收。從而可以用于信息的檢測(cè)。在這里濾波的作用將會(huì)顯得至關(guān)重要，由于激光器發(fā)出的頻率在 20kHz200kHz 的范圍內(nèi)，而我選擇測(cè)量的是 18kHz22kHz 的范圍內(nèi)的信號(hào)來進(jìn)行測(cè)量，相對(duì)于其它的光波激光信號(hào)的頻率較高，所以我決定選用帶通濾波器來完成濾波的任務(wù)，帶 通 濾 波 器 是 指 能 通 過 某 一 頻 率 范 圍 內(nèi) 的 頻 率 分 量 、 但 將 其 他 范 圍 的頻 率 分 量 衰 減 到 極 低 水 平 的 濾 波 器 ， 與 帶 阻 濾 波 器 的 概 念 相 對(duì) 。 下 圖 就 是 帶 通 濾 波 器 設(shè) 計(jì) 的 電 路 圖 ， 從 圖 中 可 以 看 出 為 了有 效 地 完 成 濾 波 的 任 務(wù) ， 需 要 確 定 一 些 電 阻 的 阻 值 ， 因 為 課 題 所 要 的 是 1822kHz 由 以 計(jì) 算 出 ：中 心 頻 率 fc=20kHz， 帶 寬 BW=4kHz,以 及 增 益 GAIN=2， 電 容 值 C 選 擇 103 電 容 ， 通 過 計(jì) 算 可 知R1=2kΩ ， R2=100Ω ， R3=8kΩ 確 定 后 ， 根 據(jù) 以 下 電 路 圖 搭 接 電 路 ， 完 成 濾 波 部 分 的 設(shè) 計(jì) ， 并 進(jìn)行 調(diào) 試 。 峰值保持電路主要由比較器、寄存器、模擬開關(guān)或傳軸門等組成，寄存器中內(nèi)容的初值為零，當(dāng)輸入信號(hào)大于初值時(shí), 比較器輸出控制信號(hào) , 打開模擬開關(guān)傳輸門, 將信號(hào)送人寄存器寄存并輸出。3分辨率：8位，即分辨率為1/2 8=1/256，轉(zhuǎn)換值介于0～255之間。單片機(jī)輸出的功率值給數(shù)碼管顯示出示值，LED 數(shù)碼管根據(jù) LED 的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解 LED 的這些特性，對(duì)編程是很重要的，因?yàn)椴煌愋偷臄?shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。 報(bào)警輸出電路為提高課題設(shè)計(jì)的實(shí)用性，課題所設(shè)計(jì)所需報(bào)警輸出提供開關(guān)量信號(hào)及聲響信號(hào)兩種方式。并且系統(tǒng)中事先設(shè)定的報(bào)警系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出“滴.. 滴”的響聲。此外其內(nèi)置的