激光功率计的变换与显示电路

       本文介绍了激光功率计的变换与显示电路，该电路的主要功能是直接指示激光功率的大小。该电路把由激光功率计输出的模拟电压量变为数字脉冲输出，并且把输出脉冲的频率实时显示出来，同时具有精度高、线性好、工作稳定的特点。
　　在原子核物理实验中，需用激光发生装置产生一定能量的激光对原子光电截面进行测量。实验要求知道激光发生装置产生的激光功率。为了简捷方便地了解激光功率的大小，在实验中使用了激光功率计。它的输出为一个模拟电压量，该模拟电压的幅度随激光功率的变化而变化，为了便于实验人员实时观测并记录数据，设计并研制了本电路。电路的主要功能是把由功率计输出的模拟电压变为与之相对应的数字脉冲输出。该脉冲可以直接被记录下来，脉冲频率正比于功率计输出模拟电压的大小，即正比于激光的功率，同时该电路也实时显示出输出脉冲信号频率的大小。
　　1、电路基本构成
　　电路主要由缓冲放大电路、V-F转换电路、计数率计电路、甄别显示电路等4部分组成。V-F转换电路的输出脉冲信号一路输出到计数率计电路，另一路直接作为计数输出，计数输出可直接送入定标器或数据采集系统。激光功率计的变换与显示电路结构框图见图1。该电路安装在标准双宽NIM插件里，在一个双宽NIM插件里安装了两个相对独立的工作通道，能同时对两路激光功率计输出的信号进行采集变换与显示。
　　2、主要单元电路原理介绍
　　2.1、缓冲放大器
　　为了满足不同幅度信号的测量与数据采集的要求，设计了缓冲放大器，其输入信号为0～2V。主要由缓冲级与放大两部分组成。缓冲级是由LF356构成的一个跟随器。放大级由增益粗调和细调两级构成。两级均采用运算放大器LF356构成。增益粗调分为×1、×10、×100三档，×1档通过选择开关来选择，×10、×100档可通过增益调节跳线器Jumper进行选择和设置。增益细调级放大倍数调节可通过改变电位器的阻值实现，增益调节范围0～10倍。放大级基本电路结构见图2。第一级放大倍数可通过J3、J4两个跳线器的选择进行调节；第二级放大倍数由电位器R115调节。

　　2.2、V-F转换电路
　　它是本电路中的关键部分，它把输入的模拟电压信号转变为规则的脉冲信号输出，脉冲信号的频率与输入模拟电压成正比。在此采用LM331构成V-F转换器。LM331是一种通用集成电路，十分适于用作电压频率转换，其输出脉冲信号的频率精确地正比于输入电压，它具备电压频率转换技术的所有优点。它由1.9V基准电压、电流开关、比较器、双稳态多谐振荡器等构成。V-F转换电路的基本电路图见图3。V-F转换电路将电压输入转换为频率输出，输出频率由下式得出
　　2.3、计数率计电路
　　为了简单直观，并实时地指示V-F转换电路输出信号频率的变化趋势，也即实时指示激光功率的变化趋势，采用了计数率计电路方案。它是对单位时间内输入的脉冲进行计数，给出正比于输入脉冲频率的输出电压。计数率计电路是基于电流脉冲对电容C充电，而电容C又经过与其相并联的R放电，通过测量电容充放电平衡时流经电阻R的电流，或两端的电压，来实现脉冲平均计数率的测量。
        图4给出了简单的RC电路，假定信号源产生平均计数率为N的输入电流脉冲Ii(t)，Ii(t)具有恒定的幅度和宽度，每个电流脉冲包含的电荷为Q。可以看出，每来一个脉冲，电容两端充有电荷Q，因为平均计数率为N，则单位时间内电容上的充电电荷为NQ，电容C上的电荷同时会通过电阻R泄放。当电容充放电平衡时，流过R的放电电流I平均=NQ∝N，R上产生的压降的平均值V平均=NQR，因此可以从输出电压读出脉冲计数率N。考虑到测量的精度与电路的实现，简单的RC电路并不能完全满足要求，从而设计了二极管泵电路(图5a)和改进的二极管泵电路(图5b)等原理电路，可用来构成计数率计电路。
　　设计的计数率计电路是一个改进的二极管泵电路，二极管泵电路的基本原理见图5a，它由二极管D1和D2、定量电容C1、积分电容C及电阻R组成，图中Ri为信号源内阻。当输入脉冲到来时通过内阻Ri及D1向C1充电，在输入脉冲过后，D1截止，C1上的电荷经D2和C放电，通常有C C1，C1放电到稳态，原来充贮在C1上的电荷重新分布到电容C。C在每次充电后它的两端电压就升高，如果C和R两端的电压升为V平均，则C1放电到稳态时也V平均，则每次从C1转移到C的电荷Q为(Vi-V平均)C1，由于V平均的存在，每次在C上电荷的增量Q随着V平均的增加而减少，不是一个恒定的量。如果输入脉冲计数率为N，则每单位时间向C充电的电荷为(Vi-V平均)C1N，充放电平衡时，充电电流与放电电流必相等，即(Vi-V平均)C1N=I平均=V平均/R，则V平均=，由此可见，V平均和N的关系存在非线性，为了改善二极管泵电路的非线性，在设计计数率计电路时采用改进后的二极管泵电路，基本原理如图5b所示。它采用运算放大器构成积分器，A点的电位始终接近于零(虚地)，使输出V平均的变化与Vi对C1和C的充电几乎无关，每次脉冲作用时，C上的电荷增量Q恒定，此时每单位时间向C充电的电荷为QN，充放电平衡时，有QN=I平均=V平均/R，从而使电路的输出电压与输入脉冲计数率成线性关系。
　　2.4、甄别显示电路
　　本单元电路将单位时间内的计数分6档显示，由LED指示。甄别显示电路(图6)。主要由运算放大器LM339构成，当输入电位(在此输入电压由计数率计电路的输出给出)大于相应甄别单元预置电位时，该甄别单元输出变为高电平，驱动相应的指示LED亮。
　　3、结束语
　　设计并调试完成的激光功率计的变换与显示电路测量精度高，工作性能可靠，稳定性好，且各项技术指标达到了设计要求。