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1 引 言 激光衍射光柵是計算機光盤(pán)驅動(dòng)以及消費電子等設備中激光讀寫(xiě)頭的關(guān)鍵部分。目前，專(zhuān)門(mén)用于測量激光衍射光柵參數的儀器還比較少見(jiàn)。DVD讀寫(xiě)頭中用到的激光波長(cháng)通常是650 nm，該設計采用650 nm的激光二極管LD(Laser Diode)作為衍射光柵源，結合高性能16位SPCE061A單片機，設計了激光衍射光柵測試儀，主要測試衍射光柵0級和1級光斑亮度和光柵透過(guò)率，以提高衍射光柵質(zhì)量測試的精度和效率。 2 測試儀的工作原理 激光衍射光柵測試儀工作原理框圖如圖1所示。測試儀的硬件包括四部分：激光二極管的驅動(dòng)電路、小信號采樣及放大電路、LED顯示電路和單片機的最小外圍電路。系統顯示部分選用2塊4位的LED，采用動(dòng)態(tài)掃描方式，各用1塊分別顯示光柵的光斑亮度比和透過(guò)率。 測試原理：激光二極管驅動(dòng)電路為激光二極管提供穩定的合適的電壓電流，驅動(dòng)激光二極管正常發(fā)光。光電探測器將經(jīng)光柵衍射后的光斑分別轉換成微弱的電流，該電流經(jīng)電流采樣及放大電路后得到符合A／D采樣范圍的電壓。該電壓經(jīng)A／D轉換后得到相應的數字信號，將該數字信號進(jìn)行數據處理，計算出光斑亮度比以及透過(guò)率的值，最后通過(guò)LED顯示出來(lái)。同時(shí)，設置了重啟、清零、開(kāi)始／保持、報警域值范圍設定等控制按鍵，以配合測試的進(jìn)行。 3 系統硬件設計 3．1 SPCE061A單片機的最小外圍電路 測試儀MCU采用高性能16位SPCE061A單片機，它具有7通道10位電壓模／數轉換器(ADC)和32個(gè)可編程的I／O口，可通過(guò)內置在線(xiàn)仿真電路ICE(In－Circuit Emulator)接口在線(xiàn)調試。SPCE061A的開(kāi)發(fā)是通過(guò)在線(xiàn)調試器PROBE實(shí)現的。它既是一個(gè)編程器(即程序燒寫(xiě)器)，又是一個(gè)實(shí)時(shí)在線(xiàn)調試器。用它可以替代在單片機應用項目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中常用的軟件工具——硬件在線(xiàn)實(shí)時(shí)仿真器和程序燒寫(xiě)器。10位的單端ADC將GND與VREF之間的線(xiàn)性電壓轉換成2n個(gè)不同的數字量，即1 LSB=VREF／2n，該系統中1 LSB=2．5 V／1 024=2．4 mV。例如：假設從光探測器出來(lái)的電流為0．100 mA，經(jīng)10 kΩ電阻采樣后得到1 V電壓，則A／D轉換精度為2．4／1×100％=0．24％。再考慮到電流電壓轉換誤差、AD采樣誤差等，經(jīng)測試最后精度可以達到2％，基本可以滿(mǎn)足測試精度。 3．2 激光二極管的驅動(dòng)電路 設計選用激光二極管型號為日本索尼公司的SDL6161RL，工作參數為：輸出波長(cháng)為650 nm，工作電壓選用DC 5 V，閾值電流55 mA，工作電流為65 mA，出瞳功率為7 mw。激光二極管驅動(dòng)電路如圖2所示。 圖2中穩壓管采用TL431，產(chǎn)生2．5 V穩壓后，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器AR1、電壓調整器AR2后得到一穩定的電壓VREF送到AR3的正輸入端。從AR3出來(lái)的電流信號經(jīng)達林頓管的放大作用產(chǎn)生足夠大的驅動(dòng)電流，以達到激光二極管的工作電流需要。圖中R2=R3，AR3工作在深度負反饋狀態(tài)下，由虛短概念可知，AR3的正輸入端和負輸入端的電壓相等，即： 由于達林頓管的第一級工作在飽和狀態(tài)，則 因此只要給出合適的R6，R7，R10和R11便可得到所需的輸出電壓和電流。 3．3 小信號采樣及放大電路 該系統具有兩路采樣通道，一路采樣0級光斑和未加光柵時(shí)激光直接照射探測器的信號，另一路采樣1級光斑光電轉換后的信號。從光探測器出來(lái)的是0．01～0．5 mA的微弱電流信號，而單片機的ADC轉換范圍是0～2．5 V。為了使A／D轉換的精度提高，必須對電流信號進(jìn)行電流一電壓轉換并將信號放大。 一般來(lái)說(shuō)，ADC轉換器在對量程范圍內的中間值左右的轉換誤差最小。因此，設計時(shí)將所有電流信號都轉換為1 V左右的電壓信號。該系統需要測試的參數為光斑亮度比和光柵透過(guò)率，因此需要測量未加光柵前的探測器電流和加光柵后的兩個(gè)亮光斑產(chǎn)生的電流。而未加光柵前的電流大概為0．4～0．5 mA，0級光斑的電流大概為0．1～0．2 mA，而1級光斑的電流大概為0．01～0．05 mA，因此它們放大的倍數會(huì )有很大差別。其中測量0級光斑和未加光柵時(shí)激光的光探測器是同一個(gè)，為了使兩者產(chǎn)生的電壓都在1 V左右，設計一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，以實(shí)現不同的放大倍數。 4 測試儀的軟件設計 測試儀主程序流程圖如圖3所示。其中包括A／D轉換子程序、LED顯示子程序、外部按鍵中斷子程序。 通過(guò)兩路A／D分別對0級和1級光斑轉換所得的電壓信號進(jìn)行采樣，為了提高采樣數據的穩定性與可靠性，采用了數字濾波。每路數據采樣150次，去掉最大值和最小值之后再取平均值。每一種合格光柵，其光斑亮度比和透過(guò)率的值在一定的范圍內，如果超過(guò)這個(gè)范圍，說(shuō)明該光柵參數不合格，儀器會(huì )顯示U或倒U來(lái)說(shuō)明該參數是上溢還是下溢，方便了用戶(hù)。 5 測試結果與分析 對于10個(gè)光柵樣品，測試的1級和0級光斑亮度比數據如表1所示。每個(gè)相同樣品測5組數據。其中參考值為光柵廠(chǎng)家提供的標準樣品值。 式(5)和式(6)中：δ為相對誤差；D為均方差；Ri為測量值；R為平均值；N為項數。試驗結果表明，測試儀測試誤差小于2％，均方差小于2．2×10-3，完全滿(mǎn)足設計要求。 6 結語(yǔ) 該設計利用高性能16位SPCE061A單片機實(shí)現了DVD等設備用激光二極管衍射光柵測試儀，非常適用于小批量衍射光柵的測試。經(jīng)過(guò)實(shí)際測試驗證，具有較高的穩定性和精確度。具有溢出報警功能，同時(shí)，該儀器成本低，體積小，檢測效率高，具有較高的推廣價(jià)值。 |
