基于高速AD的激光扫描高频信号幅值测量系统

　　0 引 言

　　Z扫描是一种应用于光学非线性测量的方法，使用这种方法可以测量光学材料非线性折射率的大小、正负以及非线性吸收系数。因为通过光学材料的激光能量大小与光电接收器转换后获得的电压幅值成某种比例关系，因此通过测量光电接收器转换后的电压幅值就可以很方便地计算出光学材料的非线性折射率大小、正负以及非线性吸收系数。由于光脉冲的宽度较窄，其宽度约为几个ns，因此通常采用高频数字示波器测量其信号的幅值，然而高频数字示波器虽然能够得到准确的数据，但是其价格昂贵，体积较大，不适合形成一个独立的光学测量系统。本文给出的测量系统，采用高速并行A／D转换的方法，不但能够实时检测出光电转换后的电压幅值的数据，同时通过高速并行比较器基准电压的调节能自动滤除不需要的数据，避免了PC机处理大量冗余数据，有效缩短了数据采集的周期。

　　l 测量系统总体结构

　　Z扫描测量系统如图1所示，包括激光器、分光镜、聚光透镜组、被测样品、反射镜和光电转换二极管。高频窄脉冲信号幅值测量系统组成如图1所示，系统主要包括三个部分，如图2所示。

　　(1)信号转换部分，通过样品折射后的高斯光束经反射镜反射到光电二极管，光电二极管将光信号转换成模拟电信号，模拟电信号经高速并行A／D转换器转换为数字信号，并送数据锁存器锁存。

　　(2)数据处理部分，经A／D转换后的数字信号送入数据锁存器锁存，单片机通过缓冲器读取锁存器的数据，并将数据编码。

　　(3)数据传输部分，经编码后的数据传送给PC机，由PC机进行存储、打印、绘图等操作。

　　2 硬件电路

测量系统采用ATMEL公司的AT89C52作为控制器，由信号转换，信息处理，数据传送三部分组成。

　　2．1 信号转换

　　测量系统测量的对象是高频窄光脉冲信号，光脉冲的平均宽度仅为4 ns，所以信号转换电路和数据采集电路均要采用具有高频特性的电路，系统选用DETl0A／M高速光电二极管作为光电转换器，DETlOA／M的工作频率为1 GHz。并行A／D转换器中的比较器选用MAX964ESE高速比较器，其上升沿典型值为2．3 ns，失调电压为±2．0 mV，工作电压：2．7，～5．5V，内含4个比较器，图3中给出了1片MAX964ESE的连接电路。从比较器输出的信号送数据锁存器，数据锁存器采用高速、低功耗D触发器74AC74。测量开始，通过P1．0将D触发器的所有输出端清“O”，当光脉冲信号出现时，在D触发器的输出端将出现与脉冲幅度相对应的数据。测量系统共使用了4片MAX964ESE，8片D触发器74AC74，选择了16个比较点，电压范围从450～900 mV，相邻两个比较点的电压为30 mV。为保证测量的准确，基准电压由基准电压源TL431提供。