激光干涉儀課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p>　　一種高分辨率雙頻激光干涉儀設(shè)計(jì)</p><p>　　雙頻激光干涉儀技術(shù)現(xiàn)狀與國(guó)內(nèi)外概況2</p><p><b>　　總體方案設(shè)計(jì)6</b></p><p><b>　　總體框圖6</b></p><p>　　雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)組成6</p><p

2、><b>　　測(cè)量電路設(shè)計(jì)9</b></p><p>　　1）初級(jí)光電轉(zhuǎn)換9</p><p>　　2）初級(jí)調(diào)理電路9</p><p>　　3）差分轉(zhuǎn)換和放大電路10</p><p>　　4）波形轉(zhuǎn)換電路11</p><p><b>　　5）細(xì)分電路12</b>

3、;</p><p>　　6）同步器電路14</p><p>　　7) 連續(xù)計(jì)數(shù)模塊15</p><p><b>　　8）顯示電路17</b></p><p>　　系統(tǒng)電路總圖(部分連線使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào))19</p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)20</b></p&

4、gt;<p>　　1)first piece：20</p><p>　　2)second piece：20</p><p><b>　　總結(jié)與展望25</b></p><p>　　系統(tǒng)最大的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)25</p><p>　　誤差分析與補(bǔ)償25</p><p><b&

5、gt;　　綜述25</b></p><p><b>　　經(jīng)驗(yàn)總結(jié)26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p>　　雙頻激光干涉儀技術(shù)現(xiàn)狀與國(guó)內(nèi)外概況</p><p>　　激光具有亮度高、方向性好、單色性及相干性好等特點(diǎn)，隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，激光

6、技術(shù)已漸漸地被人們所接受和認(rèn)同。隨著激光干涉測(cè)量技術(shù)日漸成熟，激光的應(yīng)用領(lǐng)域也已十分廣泛，幾乎涉及到當(dāng)今科技的各個(gè)方面。尤其是在激光加工、激光測(cè)量、軍事上的應(yīng)用更是顯現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)與潛力。</p><p>　　激光器的出現(xiàn)，使古老的干涉技術(shù)得到迅速發(fā)展。激光干涉儀是以激光波長(zhǎng)為已知長(zhǎng)度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測(cè)量位移的通用長(zhǎng)度測(cè)量工具。激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種，單頻的是在20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的，最初用于檢

7、定基準(zhǔn)線紋尺，后又用于在計(jì)量室中精密測(cè)長(zhǎng)。而雙頻激光干涉儀的發(fā)明使激光干涉儀最終擺脫了計(jì)量室的束縛，更為廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。</p><p>　　雙頻激光干涉儀是七十年代初期由美國(guó)HP公司首先推出的，至八十年代中期十幾年時(shí)間內(nèi)幾乎壟斷了世界市場(chǎng)。雙頻激光干涉儀采用外差干涉測(cè)量原理，克服了普通單頻干涉儀測(cè)量信號(hào)直流漂移的問題，具有信號(hào)噪聲小、抗環(huán)境干擾、允許光源多通道復(fù)用等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)能

8、真正用于實(shí)際生產(chǎn)。它可用于精密機(jī)床、大規(guī)模集成電路加工設(shè)備等的在線在位測(cè)量、誤差修正和控制，是激光在計(jì)量領(lǐng)域中最成功的應(yīng)用之一，也是工業(yè)中最具權(quán)威的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器。</p><p>　　雙頻激光干涉儀是目前精度最高、量程最大的長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器，可以在恒溫，恒濕，防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊、量桿、刻尺和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，也可以在普通車間內(nèi)為大型機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定，既可以對(duì)幾十米的大量程進(jìn)行精密測(cè)量，也可以對(duì)手表零件等微小運(yùn)動(dòng)進(jìn)行

9、精密測(cè)量，既可以對(duì)幾何量如長(zhǎng)度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測(cè)量，也可以用于特殊場(chǎng)合，諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上記錄槽間距的測(cè)量等等。雙頻激光干涉儀以其良好的性能、在很多場(chǎng)合，特別是在大長(zhǎng)度與大位移的精密測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　八十年代后期，一些先進(jìn)工業(yè)國(guó)家也相繼推出了各具特色的雙頻激光干涉儀器，從而在國(guó)際市場(chǎng)出現(xiàn)了群芳爭(zhēng)艷的局面。目前國(guó)外生產(chǎn)激光干涉儀的公司有美國(guó)

10、的Agilent (前身為HP) 、ZYGO、光動(dòng)、德國(guó)的耶拿爾（JENAer）、英國(guó)的Renishaw 等公司。</p><p>　　耶拿爾（JENAer）公司ZLM700雙頻激光干涉儀使用氦氖激光器，采用雙頻外差式工作模式。激光穩(wěn)頻精度為±0.002ppm，640MHz的頻差用于信號(hào)處理。這種高頻處理信號(hào)能夠?qū)Ω咚傥矬w進(jìn)行測(cè)量，不會(huì)出現(xiàn)干擾誤差，信號(hào)延時(shí)時(shí)間極短。采用光纖電纜，把來自干涉鏡的信號(hào)傳輸

11、到計(jì)算機(jī)卡槽連接的電子計(jì)數(shù)器上，避免了外部電磁環(huán)境對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾。因此，ZLM700雙頻激光干涉儀（ZLM700長(zhǎng)度測(cè)量應(yīng)用的光路圖如圖1所示）特別適用于惡劣的生產(chǎn)環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室和高真空環(huán)境。</p><p>　　圖1-ZLM700長(zhǎng)度測(cè)量應(yīng)用的光路圖</p><p>　　表1[1] ZLM700主要參數(shù)</p><p>　　我國(guó)對(duì)干涉儀產(chǎn)品早已重視，從七十年

12、代中期開始研制雙頻激光干涉儀，至今已有30-40年的歷史。由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)He—Ne激光器生產(chǎn)尚未成熟，全內(nèi)腔穩(wěn)頻激光器也無(wú)生產(chǎn)廠家，所以各單位都從開發(fā)激光器著手，并在七十年代后期都相繼試制出雙頻激光干涉儀。但由于激光器工藝不過關(guān)，激光器的壽命短，影響了儀器的推廣使用。八十年代中后期，由于熱穩(wěn)頻技術(shù)的日趨成熟，利用普通高壽命激光器作為干涉儀光源成為可能，提供了一條解決激光器壽命的途徑。</p><p>　　目前我國(guó)的

13、雙頻激光干涉儀主要產(chǎn)品是成都工具研究所有限公司研制的MJS系列激光干涉儀（圖2），該產(chǎn)品采用了進(jìn)口激光器和熱穩(wěn)頻技術(shù)，根據(jù)縱向塞曼效應(yīng)產(chǎn)生激光束。電路細(xì)分采用了獨(dú)特的鎖相倍頻和相位測(cè)量技術(shù)， 功能基本與HP5528A相似，同時(shí)根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，增加了一些控制、檢測(cè)功能。 圖2-MJS系列激光干涉儀 </p><

14、;p>　　測(cè)量技術(shù)在不斷的發(fā)展，更新?lián)Q代。作為高精密測(cè)量?jī)x器，雙頻激光干涉儀向著高精度、高分辨率、高測(cè)速等方向發(fā)展[2]。</p><p><b>　　1.高精度</b></p><p>　　目前半導(dǎo)體工藝的典型線寬為0.25μm，并正向0.18μm過渡，2009年的預(yù)測(cè)線寬是0.07μm。如果定位要求占線寬的1/3，那么就要求10nm量級(jí)的精度，而且晶片尺寸還

15、在增大，達(dá)到300mm。這就意味著測(cè)量定位系統(tǒng)的精度要優(yōu)于3×10的-8次方，相應(yīng)的激光穩(wěn)頻精度應(yīng)該是10的-9次方數(shù)量級(jí)。</p><p><b>　　2.高分辨率</b></p><p>　　僅依靠光學(xué)系統(tǒng)，普通干涉儀的只能達(dá)到半波長(zhǎng)的分辨率，即0. 1μm 量級(jí)，目前的干涉儀產(chǎn)品通過電子細(xì)分的方法提高測(cè)量分辨率，可達(dá)到納米級(jí)精度。</p>

16、<p><b>　　3．高速度</b></p><p>　　制造業(yè)的發(fā)展迫切需要解決高速加工過程中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精密測(cè)量和定位，目前加工機(jī)械的速度已經(jīng)提高到1m/sec以上，上世紀(jì)80年代以前開發(fā)研制的儀器已不適應(yīng)市場(chǎng)的需求。例如惠普公司的干涉儀市場(chǎng)大部分被英國(guó)Renishaw所占領(lǐng)，其原因是后者的速度達(dá)到了1m/sec。</p><p>　　總體而言，我國(guó)干

17、涉儀由于基礎(chǔ)薄弱，發(fā)展較為緩慢。另外，我國(guó)儀器科技發(fā)展存在以下問題：(1)由于長(zhǎng)期習(xí)慣于仿制國(guó)外產(chǎn)品，我國(guó)的儀器儀表工業(yè)缺乏創(chuàng)新能力，跟不上科學(xué)研究和工程建設(shè)的需要。(2)我國(guó)儀器科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域積累了大量科研成果，許多成果處于國(guó)際領(lǐng)先水平，有待篩選、提高和轉(zhuǎn)化，但產(chǎn)業(yè)化程度很低，沒有形成具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的完整產(chǎn)業(yè)。很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，不乏在基礎(chǔ)研究取得突破性進(jìn)展，卻尚缺乏一個(gè)有效的轉(zhuǎn)化機(jī)制以進(jìn)入市場(chǎng)，這在很大程度上制約了我國(guó)制造行業(yè)的技術(shù)革新

18、和創(chuàng)造力，也是我國(guó)現(xiàn)階段未能躋身世界先進(jìn)水平的癥結(jié)所在。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的成熟，生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，加工精度的細(xì)化，對(duì)測(cè)量工具也提出了更高的要求。例如，隨著航空航天、重型機(jī)械、發(fā)電設(shè)備、船舶工業(yè)的發(fā)展，對(duì)大尺寸測(cè)量的要求越來越高。一些精密配合的大型零部件，尺寸達(dá)到十幾米甚至幾十米，精度要求達(dá)到IT7以上。目前實(shí)際應(yīng)用的測(cè)量手段仍以外徑千分尺、內(nèi)徑測(cè)桿等傳統(tǒng)測(cè)量工具為主，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。而激光技

19、術(shù)的快速發(fā)展為大尺寸精密測(cè)量開拓了嶄新的領(lǐng)域，然而目前我國(guó)使用的雙頻激光干涉儀主要由美國(guó)ＨＰ公司進(jìn)口，雖然國(guó)外雙頻激光干涉儀產(chǎn)品繁多且各具特點(diǎn)，足以滿足生產(chǎn)需求，但其售價(jià)卻十分昂貴。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年需引進(jìn)ＨＰ公司雙頻激光干涉儀10余臺(tái)，1988年每臺(tái)價(jià)格約為5萬(wàn)美元，耗費(fèi)大量的財(cái)力，同時(shí)也不利于國(guó)內(nèi)的技術(shù)發(fā)展。從表2足以看出我國(guó)的在這一領(lǐng)域與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，也為了實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度、高測(cè)速的目標(biāo)，亟須進(jìn)一步深入拓寬，加強(qiáng)研究，爭(zhēng)取

20、早日研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儀器，縮小與世界先進(jìn)水平的差距，任重而道遠(yuǎn)。</p><p>　　表2[3] 目前國(guó)內(nèi)外干涉儀產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)對(duì)比</p><p><b>　　總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　總體框圖</b></p><p>　　雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)組成</p>

21、<p>　　雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)主要由光路和電路兩大部分組成。</p><p>　　1）光路硬件部分由氦氖激光器、擴(kuò)束鏡、檢偏器、光電接收元件、干涉鏡等組成。</p><p>　　光路部分構(gòu)成如圖3所示：</p><p>　　圖3-雙頻激光干涉儀光路示意圖</p><p><b>　　激光器的選擇：</b>

22、</p><p>　　氦氖激光的優(yōu)點(diǎn)是很容易實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性的連續(xù)波輸出，成本較低，故激光器的選擇0.6328微米紅光激光器[4]。</p><p><b>　　干涉鏡的選擇：</b></p><p>　　在雙頻激光測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)動(dòng)精度要極高，因此采用了平面反射鏡干涉儀，R1和R2為定鏡，動(dòng)鏡M為高精度平面反射鏡，Q1和Q2為1/4波片，

23、Q1后表面鍍有高反射膜，同時(shí)作為干涉儀的定鏡。Q1的后表面和R2反射動(dòng)臂和定臂光束，利用P光和S光的相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂光束的四次反射，達(dá)到光學(xué)八細(xì)分。采用上述平面反射鏡時(shí)，測(cè)量光束光程變化為反射鏡位移變化的8倍，與一般的雙頻干涉測(cè)量?jī)x相比，精度提高了4倍。</p><p><b>　　2）軟硬件模塊</b></p><p>　　雙頻激光干涉測(cè)距系統(tǒng)后續(xù)信號(hào)處理包括硬件和

24、軟件兩部分。硬件部分由氦氖激光器、擴(kuò)束鏡、光電接收元件及信號(hào)處理電路、單片機(jī)系統(tǒng)等組成；軟件部分包括軟件細(xì)分、運(yùn)算處理、顯示等。</p><p>　　如圖4所示，后續(xù)測(cè)量子系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換、放大整形、電子細(xì)分、連續(xù)計(jì)數(shù)、單片機(jī)、數(shù)碼管顯示等部分組成。</p><p>　　圖4-雙頻激光干涉測(cè)距系統(tǒng)硬件模塊</p><p>　　硬件電路的主要功能是將圖3中通過檢偏器的兩

25、路信號(hào)(參考光信號(hào)和測(cè)量光信號(hào))經(jīng)各自光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成后續(xù)電路可以處理電信號(hào)；然后將電信號(hào)放大整形，再進(jìn)行細(xì)分處理，來控制測(cè)量分辨力；最后對(duì)細(xì)分后的兩路信號(hào)進(jìn)行連續(xù)計(jì)數(shù)并有辨向功能，實(shí)時(shí)求出兩路信號(hào)的差值，送入單片機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算（乘 1/8激光波長(zhǎng)）后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。</p><p>　　3）雙頻激光干涉儀原理 ：</p><p>　　雙頻激光干涉儀仍采用麥克爾遜干涉光路，即激

26、光束經(jīng)分光后分別經(jīng)參考臂、測(cè)量臂，回到分光鏡并發(fā)生干涉。與普通單頻干涉儀不同的是雙頻激光是由頻率不同、偏振方向各異的兩個(gè)分量組成。</p><p>　　雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來測(cè)量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上。在氦氖激光器上，加上一個(gè)約0.03特斯拉的軸向磁場(chǎng)。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng)，激光器產(chǎn)生f1和f2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光，它們的頻率差大約是1.5MHz左右。經(jīng) 1/4波

27、片后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光，再經(jīng)分光鏡分為兩路。從平行光管出來的這束光經(jīng)過析光鏡反射出一路作為參考光束通過45°放置的檢偏器。并由馬呂斯定律可知，兩個(gè)垂直方向的線偏振光在45°方向上投影，形成新的線偏振光（參考光束）并產(chǎn)生拍頻。這個(gè)拍頻頻率恰好等于激光器所發(fā)出的兩個(gè)光頻的差值即（f1-f2），約為1.5MHz。經(jīng)光電元件接受進(jìn)入前置放大器和計(jì)算機(jī)。另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束，另一路成

28、為僅含有f2的光束。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，含有f2的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率，正負(fù)號(hào)表示移動(dòng)方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片 2</p><p>　　4）雙頻激光干涉儀的測(cè)量原理：</p><p&g

29、t;　　當(dāng)反射鏡隨被測(cè)對(duì)象一起移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)使得f1發(fā)生變化。從干涉鏡射出并被測(cè)量光接收器接收到的光頻分別為f1±4Δf-f2和f1-f2。</p><p>　　通過與參考光接收器獲得的參考信號(hào)相比較，可得到f1的頻率變化Δf，該變化量包含了被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)信息。在激光干涉儀中，測(cè)量光束的光程變化為測(cè)量反射鏡位移的8倍，多普勒效應(yīng)可用下式表示:</p><p>　　；

30、 （1）</p><p>　　式中：c為光速，v為測(cè)量反射鏡移動(dòng)速度，f1為光頻。</p><p>　　上式對(duì)時(shí)間積分可得到反射鏡移動(dòng)的距離L：</p><p>　?。?（2）</p><p>　　式中：λ1為測(cè)量

31、時(shí)刻激光的波長(zhǎng)。</p><p>　　因?yàn)轭l差的時(shí)間積分為累積的干涉條紋個(gè)數(shù)N(或與被測(cè)長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù))，所以上式可以化為：</p><p>　　； （3）</p><p>　　N為干涉條紋明暗變化次數(shù)；</p><p>　　以上即為雙頻激光干涉儀的測(cè)

32、量原理。</p><p><b>　　測(cè)量電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1）初級(jí)光電轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　初級(jí)光電轉(zhuǎn)換電路將雙頻激光干涉信號(hào)由光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。光電轉(zhuǎn)換器件選擇的標(biāo)準(zhǔn)有：</p><p>　　響應(yīng)速度要快:兩個(gè)橢圓偏振光的頻率差范圍在幾百kHz到幾MHz

33、。所以要求光電探測(cè)器要有很高的響應(yīng)速度和足夠?qū)挼膸挘匆蠊怆娞綔y(cè)器盡可能沒有失真或小的失真地將接收得到的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)。</p><p>　　噪聲要小:光電探測(cè)器在微弱的光信號(hào)條件下工作，光電探測(cè)器在光電轉(zhuǎn)換過程中所引入的噪聲大小直接影響到系統(tǒng)的性能。從光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)的功率與噪聲功率之比，即信噪比來分析，要求光電探測(cè)器輸出的噪聲越小越好，而信噪比則越大越好。</p>&

34、lt;p>　　溫度穩(wěn)定性好:溫度變化對(duì)光電探測(cè)器件影響很大，溫度穩(wěn)定性直接影響到測(cè)量結(jié)果。</p><p>　　要與輸出激光波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng):不同的波長(zhǎng)光電探測(cè)器的響應(yīng)度不同，所以要選一種對(duì)本課題所研究的拍頻信號(hào)響應(yīng)度高的器件，使測(cè)量效果更明顯。根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器件的不同特點(diǎn)和性能，最終選擇PIN管作為產(chǎn)品的元件。</p><p><b>　　2）初級(jí)調(diào)理電路</b>&l

35、t;/p><p>　　(1) 初級(jí)放大電路</p><p>　　由光電管輸出的信號(hào)為微弱的電流信號(hào)，需要轉(zhuǎn)化成為電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)換而成的電壓約在幾十毫伏左右，需要進(jìn)行初級(jí)放大和處理，增加驅(qū)動(dòng)能力以帶動(dòng)后級(jí)電路，并且減少后級(jí)電路對(duì)前一級(jí)電路的影響。</p><p><b>　　(2) 射隨電路</b></p><p>　　射極跟隨

36、器是一種共集電極接法的電路，從基極輸入信號(hào)，從射極輸出信號(hào)，它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相同的特點(diǎn)。在本電路中使用兩個(gè)晶體管搭接兩個(gè)射隨電路，增強(qiáng)了電路帶負(fù)載能力和前后級(jí)阻抗匹配。</p><p>　　電路圖1 光電轉(zhuǎn)換及初級(jí)調(diào)理電路</p><p>　　（3）干涉信號(hào)的處理</p><p>　　由于發(fā)生干涉條紋對(duì)比度不為1并受到外界干擾，從

37、光電接收器輸出的信號(hào)中除含有交流成分外，還含有直流成分，所以必須首先調(diào)整信號(hào)中的直流分量[6]。為此采用如圖所示的直流電平調(diào)整電路。通過改變放大器同相輸人端的電壓，達(dá)到消去直流電平的目的。</p><p>　　電路圖2 直流電平調(diào)整</p><p>　　3）差分轉(zhuǎn)換和放大電路</p><p>　　差分放大電路，簡(jiǎn)稱差放，它的功能是放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差。它具有游移的抑

38、制零點(diǎn)漂移的特性，因而成為集成運(yùn)放的主要組成單元。它一般采用雙電源供電形式，可增加輸出信號(hào)的最大不失真輸出幅度，即擴(kuò)大電路的線性放大范圍。</p><p>　　典型的差分放大電路，要求兩個(gè)晶體管和相應(yīng)的兩個(gè)半邊電路完全對(duì)稱。差分放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大能力強(qiáng)，對(duì)共模信號(hào)的放大能力弱(理想情況下無(wú)放大作用)。而溫度的變化同時(shí)作用在差分放大電路的兩個(gè)晶體管上，所以溫度對(duì)電路中晶體管的影響，相當(dāng)于給差分放大電路中加人了

39、共模信號(hào)，所以使用差分放大電路能抑制溫漂。為了放大正弦波形，抑制由溫度漂移產(chǎn)生的共模干擾，減小量誤差，并且為后繼電路提供較大的工作電流，首先將單端輸入改為雙端對(duì)稱輸入，然后本電路中選擇了兩級(jí)串聯(lián)差分放大電路，前一級(jí)采用雙輸入、雙輸出的結(jié)構(gòu)，后一級(jí)采用雙輸人、單輸出結(jié)構(gòu)(見電路圖3)。</p><p>　　電路圖3 差分放大電路</p><p><b>　　4）波形轉(zhuǎn)換電路<

40、/b></p><p>　　經(jīng)過差分放大后的頻率信號(hào)，電壓約在5 V左右，為了在后級(jí)電路中進(jìn)行傳輸，需要再將其轉(zhuǎn)化為與頻率相對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)。相對(duì)于其它觸發(fā)比較器，使用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器更能夠適應(yīng)電路的需要。施密特觸發(fā)器具有l(wèi)/3Vcc的回差電壓，能夠有效地消除輸入信號(hào)中毛刺的干擾。</p><p>　　電路圖4 555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器</p><

41、p><b>　　5）細(xì)分電路</b></p><p>　　本測(cè)量系統(tǒng)，由于其基準(zhǔn)長(zhǎng)度為光波的波長(zhǎng) 0.6328，若不進(jìn)行細(xì)分處理時(shí)，由式得其測(cè)量分辨力只能達(dá)到79.1?；谌?yīng)的雙頻激光干涉儀中，頻差(f2-f1)是不穩(wěn)定的，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)參考信號(hào)的積分處理， 同時(shí)為了提高該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量分辨力，在電路中加人了細(xì)分塊，通常采用鎖相倍頻的細(xì)分方法，將輸入的兩路信號(hào)進(jìn)行倍頻處理。這種細(xì)分處

42、理方法完全是由硬件完成的， 輸出的當(dāng)量脈沖與實(shí)際位移之間只有硬件延遲， 所以可以在系統(tǒng)中作為測(cè)量元件， 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。</p><p>　　鎖相倍頻電路結(jié)構(gòu)如圖所示，此系統(tǒng)由4個(gè)主要部件——鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和n分頻器組成。n分頻器是反饋環(huán)節(jié)，也是細(xì)分環(huán)節(jié)，它將fo進(jìn)行n細(xì)分，分頻后的信號(hào)在鑒相器中與輸入信號(hào)fi進(jìn)行相位比較，輸出一個(gè)誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器抑制其中的高頻成分和噪聲后，輸出電壓Uo.壓控

43、振蕩器受Uc的控制，使其振蕩頻率fo向nfi趨近，當(dāng)fo=nfi時(shí)，環(huán)路達(dá)到平衡而鎖定，這樣fo和fi之間就實(shí)現(xiàn)了n倍頻。</p><p>　　圖5-鎖相倍頻電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　設(shè)倍頻數(shù)為m，在與未倍頻時(shí)相等的時(shí)間t內(nèi)，測(cè)得的差值為N1 ，則有</p><p>　　； （4）</p&

44、gt;<p>　　將式(4)代人式(3)得</p><p>　?。?（5）</p><p>　　由上式可以看出測(cè)量的分辨力和倍頻系數(shù)m有關(guān)，當(dāng)倍頻數(shù)為m時(shí)，其分辨力將提高到原來的m倍。本系統(tǒng)分辨率要求為0.1nm，激光波長(zhǎng)為632.8nm，光路已實(shí)現(xiàn)了8細(xì)分，故鎖相倍頻數(shù)應(yīng)設(shè)置為791，即m=791。</p>&l

45、t;p>　　本系統(tǒng)使用8254計(jì)數(shù)器充當(dāng)n分頻器，8254地址、控制總線由Intel8051單片機(jī)設(shè)置，地址通過74LS373進(jìn)行鎖存，其計(jì)數(shù)通道及端口地址分配見表2。因只需一個(gè)計(jì)數(shù)器口即可，故在此選擇計(jì)數(shù)器0，OUT端接至NE564的端口3和8051的P2.0端口，采用工作方式4，二進(jìn)制計(jì)數(shù)方式，計(jì)數(shù)初值設(shè)為791D，即1100010110B。8254對(duì)fo進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器0減到零溢出時(shí)，OUT輸出低電平信號(hào)，從端口P2.0輸

46、入，單片機(jī)重新設(shè)置計(jì)數(shù)初值，由此循環(huán)直到實(shí)現(xiàn)791分頻后電路進(jìn)入鎖存狀態(tài)（鎖相倍頻電路圖見電路圖5，部分端口用一對(duì)相同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)表示連線）。</p><p>　　表2 8254計(jì)數(shù)通道及端口地址分配</p><p>　　電路圖5 鎖相倍頻細(xì)分電路</p><p><b>　　6）同步器電路 </b></p><p>　　

47、測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)鎖相倍頻后的頻率為N×[(f2-f1)+4△f]和N×(f2-f1)的兩列脈沖， 為便于后續(xù)電路的處理， 用一高頻信號(hào)將二列脈沖同步， 使脈沖處于完全重合或者完全錯(cuò)開的狀態(tài)，同步器電路結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　電路圖6 同步器電路</p><p><b>　　7) 連續(xù)計(jì)數(shù)模塊</b></p><p&g

48、t;　　系統(tǒng)要求對(duì)測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)兩路進(jìn)行連續(xù)計(jì)數(shù)，故本系統(tǒng)采用兩片計(jì)數(shù)芯片8254的四個(gè)16位計(jì)數(shù)器分別對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，每路用兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行緩沖計(jì)數(shù)。如圖（部分端口用一對(duì)相同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)表示連線）：P0作為數(shù)據(jù)口，為準(zhǔn)雙向口，P1.0，P1.1作為輸入口接8254計(jì)數(shù)通道的OUT輸出端，用于判斷中斷的來源，P2.7，P2.6分別作為first、Second片選信號(hào),P2.0，P2.1作為計(jì)數(shù)器通道的選擇信號(hào)。 </p>

49、<p>　　電路圖7 計(jì)數(shù)器電路</p><p><b>　　8254端口分配表</b></p><p>　　附J-K觸發(fā)器的特性表</p><p>　　每片8254集成了三個(gè)16位計(jì)數(shù)器，在儀器開啟時(shí)，測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)同時(shí)進(jìn)入兩片8254中的四個(gè)計(jì)數(shù)器，但單片機(jī)并不開啟外部中斷，所以這時(shí)并不起到計(jì)數(shù)作用。在此模塊中，J-K觸發(fā)

50、器控制計(jì)數(shù)器的啟停(J-K觸發(fā)器特性見上面附表)，單片機(jī)首先清零J-K觸發(fā)器，這樣First 8254的GATE引腳為低電平，8254不工作。接下來設(shè)置First 8254，并設(shè)定初值。設(shè)置完成后，置1J-K觸發(fā)器，這時(shí)Second8254的GATE引腳同樣為低電平，不工作，這時(shí)設(shè)置Second 8254。這樣當(dāng)First 8254中任一個(gè)計(jì)數(shù)器減到零都會(huì)產(chǎn)生中斷，這時(shí)Second 8254計(jì)數(shù)器工作，直到減到零，F(xiàn)irst 8254觸

51、發(fā)計(jì)數(shù)。由于兩片計(jì)數(shù)器交替工作，所以計(jì)數(shù)上限可以到達(dá)很高，足以滿足本系統(tǒng)的范圍要求，即計(jì)數(shù)值到達(dá)106，每次計(jì)數(shù)溢出讀出的兩個(gè)計(jì)數(shù)通道當(dāng)前值進(jìn)行通過軟件辨向再疊加，計(jì)算結(jié)果由8051單片機(jī)中三個(gè)寄存器（24位，實(shí)際只用到其中20位）存儲(chǔ)并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。</p><p>　　由電路圖可以看出：若外部中斷0產(chǎn)生中斷，就是測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)器計(jì)滿，這樣只需要讀出參考信號(hào)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值即為兩路信號(hào)的差值；同樣若外部中斷1產(chǎn)生中

52、斷，就是參考信號(hào)計(jì)數(shù)器計(jì)滿，從而實(shí)現(xiàn)了辨向和直接算出頻差的功能并將差值讀入到單片機(jī)處理（疊加——由于計(jì)數(shù)是差頻的一個(gè)積分結(jié)果，故應(yīng)符合疊加原理，即將整個(gè)計(jì)數(shù)過程分段，每次記錄差值，最后疊加的值即為最后的計(jì)數(shù)結(jié)果）。當(dāng)First8254任一個(gè)計(jì)數(shù)器溢出后，都會(huì)硬件清零J-K觸發(fā)器，開啟下面的計(jì)數(shù)器，Second8254的工作原理和First 8254一樣，由此實(shí)現(xiàn)了連續(xù)計(jì)數(shù)的要求，最終的計(jì)數(shù)差值經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成實(shí)際的位移供輸出顯示。

53、</p><p>　　觸發(fā)器的時(shí)鐘連接到單片機(jī)的工作時(shí)鐘12MHz，在轉(zhuǎn)換速度上得到了保證，不會(huì)丟失脈沖。中斷脈沖用單穩(wěn)態(tài)221進(jìn)行了延伸，使其能夠達(dá)到單片機(jī)能夠識(shí)別的水平。</p><p><b>　　8）顯示電路</b></p><p>　　電路圖8 數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　如圖所示（部分端口用一對(duì)相同的

54、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)表示連線），本系統(tǒng)采用共陰極7段數(shù)碼管，以到達(dá)107×0.1nm大小的位移顯示。通過8155H PA輸出實(shí)現(xiàn)7片數(shù)碼管的位選，端口地址分配如表3。8155H的選通信號(hào)由Intel 8051單片機(jī)的P1.7口輸出，控制啟停工作，同時(shí)通過PB0～PB7輸出數(shù)據(jù)，供LED數(shù)碼管顯示。</p><p>　　表3 8155H端口地址分配</p><p>　　系統(tǒng)電路總圖(部分連線使

55、用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào))</p><p>　　根據(jù)測(cè)量電路設(shè)計(jì)框圖，上圖從左至右分別為：光電轉(zhuǎn)換模塊、干涉信號(hào)處理模塊、差分放大模塊、波形轉(zhuǎn)換模塊、鎖相細(xì)分模塊、連續(xù)計(jì)數(shù)模塊以及LED顯示模塊，特別說明：由于在鎖相細(xì)分模塊已經(jīng)設(shè)計(jì)了環(huán)路濾波環(huán)節(jié)，故系統(tǒng)不再單獨(dú)設(shè)計(jì)濾波器。</p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　軟件部分由Inte

56、l8051單片機(jī)編程控制，主要完成計(jì)數(shù)、細(xì)分、運(yùn)算、結(jié)果顯示等功能。本系統(tǒng)使用了兩片Intel8051，為敘述方便，在此標(biāo)號(hào)為first、second。</p><p>　　1)first piece：</p><p>　　作用：控制n分頻器的分頻數(shù)，即設(shè)置計(jì)數(shù)器8254的計(jì)數(shù)初值，程序流程如右下圖所示。</p><p><b>　　源程序：</b&

57、gt;</p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p><b>　　LJMP MAIN</b></p><p><b>　　ORG 2000H</b></p><p>　　MAIN:CLR A;清零累加器A</p><p>　　A

58、CALL LOOP；調(diào)用8254初始化子程序</p><p>　　MOV P2，#0FFH;設(shè)置P2作為輸入</p><p>　　L1:JB P2.0,L1; 判斷P2.0是否為1</p><p><b>　　;為1繼續(xù)采集數(shù)據(jù)</b></p><p>　　LOOP:MOV DPTR，#7FFFH;指向控制字寄存器<

59、;/p><p>　　MOV A，#38H；設(shè)置計(jì)數(shù)器0工作方式</p><p>　　MOVX @DPTR，A；控制字送入控制字寄存器</p><p>　　MOV DPTR，#7FFCH；指向計(jì)數(shù)器0</p><p>　　MOV A，#17H；先寫入低8位值</p><p>　　MOVX @DPTR，A</p>

60、<p>　　MOV A，#03H；再寫入高8位值</p><p>　　MOVX @DPTR，A</p><p><b>　　CLR A</b></p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　END</b></p><p&

61、gt;　　2)second piece：</p><p>　　作用：為兩片8254提供計(jì)數(shù)初值以及脈沖中斷入口，進(jìn)行中斷程序處理，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果送入LED數(shù)碼管顯示。</p><p>　　該程序是單片機(jī)控制兩片8254，實(shí)現(xiàn)連續(xù)計(jì)數(shù)功能，以及對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理最后實(shí)現(xiàn)位移顯示的功能。其中，LED數(shù)碼管顯示模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊分別設(shè)計(jì)成子程序，以便程序的調(diào)用。另外兩片8254計(jì)數(shù)器均設(shè)置為工作

62、方式5，即硬件觸發(fā)選通方式。在寫入方式控制字及計(jì)數(shù)常數(shù)值后，輸出OUT保持高電平，只有在門控信號(hào)GATE出現(xiàn)上升沿后才開始計(jì)數(shù)，計(jì)完最后一個(gè)數(shù)，輸出一個(gè)始終周期的負(fù)脈沖。計(jì)數(shù)過程尚未結(jié)束前重新觸發(fā)時(shí)，將使計(jì)數(shù)器自動(dòng)恢復(fù)初值重新開始計(jì)數(shù)。選擇方式5使得軟硬件很好的結(jié)合在一起。</p><p>　　數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)：由于硬件電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了兩片片8254的交替工作，無(wú)須再軟件控制，省去了很多工作，故Intel8051只

63、要采用中斷方式完成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理工作，因而節(jié)省了CPU資源和提高了效率。在這個(gè)模塊中，8051的工作是在中斷方式下采集8254計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，從而得出計(jì)數(shù)差值，同時(shí)判斷出方向，進(jìn)而進(jìn)行疊加運(yùn)算得出結(jié)果。</p><p>　　LED數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)：8051的P0口作為輸出口，硬件上通過一片8155H PB口進(jìn)行位選，段代碼由PA口輸出，通過查表的方式來輸出結(jié)果，由于采用了動(dòng)態(tài)顯示的方式，在同一時(shí)刻，只有選通位顯

64、示出相應(yīng)的字符，而其它各位則是熄滅的，所以需要考慮到顯示時(shí)間問題，使得在同一時(shí)刻，所有字符同時(shí)顯示，這就是所謂的LED顯示器的余暉效應(yīng)和人言的視覺暫留作用，只要每位顯示間隔足夠端，則可造成多位數(shù)碼管同時(shí)亮的假象，達(dá)到同時(shí)顯示的目的。本系統(tǒng)采用了7位數(shù)碼管，程序假定顯示一位保持1ms時(shí)間，則顯示完所有7位之后，只需7ms。</p><p>　　程序框圖如右下圖所示：</p><p><

65、b>　　源程序：</b></p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p><b>　　LJMP MAIN</b></p><p><b>　　ORG 0003H</b></p><p><b>　　LJMP INT0</

66、b></p><p><b>　　ORG 0013H</b></p><p><b>　　LJMP INT1</b></p><p><b>　　ORG 1000H</b></p><p>　　/*主程序，完成計(jì)數(shù)器、中斷初始化等*/</p><p&g

67、t;　　MAIN: SETB EX0;允許外部中斷0</p><p>　　SETB EX1;允許外部中斷1</p><p>　　SETB IT0;外部中斷0跳沿觸發(fā)</p><p>　　SETB IT1;外部中斷1跳沿觸發(fā)</p><p>　　SETB EA;CPU開中斷</p><p>　　XOR P1,#18H;設(shè)

68、置P1.3，P1.4為輸入</p><p><b>　　CLR A</b></p><p>　　MOV A,#7DH</p><p>　　MOV P2,A;選通計(jì)數(shù)器并且清零J-K觸發(fā)器</p><p>　　MOV DPTR,#7FFFH</p><p>　　MOV A,#6AH;計(jì)數(shù)通道1，工作

69、方式5</p><p>　　MOVX @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFDH</p><p><b>　　CLR A</b></p><p>　　MOVX @DPTR,A;設(shè)置計(jì)數(shù)初值</p><p>　　MOV DPTR,#BFFFH</p><p

70、>　　MOV A,#0AAH;計(jì)數(shù)通道2，工作方式5</p><p>　　MOVX @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#BFFEH</p><p><b>　　CLR A</b></p><p>　　MOVX @DPTR,A</p><p>　　MOV A,#7EH

71、 </p><p>　　MOV P2,A；置1J-K觸發(fā)器,開始計(jì)數(shù)</p><p>　　MOV 50H,#00H</p><p>　　MOV 51H,#00H</p><p>　　MOV 52H,#00H </p><p>　　MOV R2,#00H;由于First8254先開始工作</p>

72、<p>　　HERE1:MOV 30H,#05H</p><p>　　HERE:PUSH 50H</p><p>　　MOV A,P1;記錄P1端口值，用于判斷哪個(gè)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生中斷

73、

74、 </p><p>　　CJNE R2，#00H，SEC;判斷兩片計(jì)數(shù)停止前一刻仍在工作的計(jì)數(shù)器</p>&

75、lt;p>　　MOV DPTR,#7FFFH</p><p>　　MOV A,#8AH;寫入控制字，讀取計(jì)數(shù)通道2當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFEH</p><p>　　ACALL ADDD;調(diào)用加法子程序</p><p>　　MOV DPTR,

76、#7FFFH</p><p>　　MOV A,#4AH;寫入控制字，讀取計(jì)數(shù)通道1當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFDH</p><p>　　ACALL SUBS;調(diào)用減法子程序</p><p><b>　　JMP EQUL</b>&

77、lt;/p><p>　　SEC: MOV DPTR,#BFFFH</p><p>　　MOV A,#8AH;寫入控制字，讀取計(jì)數(shù)通道2當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#BFFEH</p><p>　　ACALL ADDD;調(diào)用加法子程序</p><

78、;p>　　MOV DPTR,#BFFFH</p><p>　　MOV A,#4AH;寫入控制字，讀取計(jì)數(shù)通道1當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#BFFDH</p><p>　　ACALL SUBS;調(diào)用減法子程序</p><p>　　EQUL:POP AC

79、C</p><p>　　CJNE A,50H,HERE1;比較前后兩次計(jì)數(shù)值</p><p>　　DJNZ 30H,HERE;判斷前后5次計(jì)數(shù)值是否發(fā)生變化，若不發(fā)生變化則說明計(jì)數(shù)結(jié)束</p><p>　　ACALL SWAP;調(diào)用數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序，該子程序?qū)崿F(xiàn)過程未寫源代碼，在此簡(jiǎn)述其原理將50H、51H、52H中的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，并分別用79H～7FH內(nèi)存單

80、元存放各個(gè)十進(jìn)制位，供LED顯示。</p><p>　　ACALL DISPLAY;調(diào)用LED數(shù)碼管顯示子程序</p><p>　　SJMP MAIN </p><p>　　/*顯示部分程序框圖如右圖所示*/</p><p>　　DISPLAY:MOV R0,#79H;置緩沖區(qū)指針初值</p><p>　　MOV R

81、3,#01H</p><p><b>　　MOV A,R3</b></p><p>　　LD0: MOV DPTR,#7F01H;8155H PA口，最左邊LED亮</p><p>　　MOVX @DPTR,A</p><p>　　INC DPTR;數(shù)據(jù)指針指向PB口</p><p><b&

82、gt;　　MOV A,@R0</b></p><p>　　ADD A,#0DH;加表格的偏移量，查詢段代碼</p><p>　　MOVC A,@A+PC</p><p>　　DIR1:MOVX @DPTR,A;顯示數(shù)據(jù)</p><p>　　ACALL DL;延時(shí)1ms</p><p>　　INC R0;顯示

83、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針指向下一個(gè)單元</p><p><b>　　MOV A,R3 </b></p><p>　　JB ACC.6,LD1;判斷是否掃描到最右邊的LED</p><p><b>　　RL A</b></p><p><b>　　MOV R3,A</b></p>

84、;<p><b>　　AJMP LD0</b></p><p><b>　　LD1:RET</b></p><p>　　TAB:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H</p><p>　　DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH;共陰極LED段代碼</p><p>　　DL:

85、MOV R7,#O2H;1ms延時(shí)子程序</p><p>　　DL0:MOV R6,#0FFH</p><p>　　DL1:DJNZ R6,#0FFH</p><p>　　DJNZ R7,DL0</p><p><b>　　RET </b></p><p>　　/*計(jì)數(shù)累加程序*/</

86、p><p>　　ADDD:MOVX A,@DPTR;讀取低8位</p><p>　　ADD A,50H;實(shí)現(xiàn)加法計(jì)數(shù)</p><p>　　MOV 50H,A ;結(jié)果存入50H</p><p>　　MOVX A,@DPTR;讀取高8位</p><p>　　ADDC A,51H </p><p>　　M

87、OV 51H,A ;結(jié)果存入51H</p><p><b>　　MOV A,52H</b></p><p>　　ADDC A,#00H </p><p><b>　　MOV 52H,A</b></p><p><b>　　RET</b></p><p>

88、<b>　　/*計(jì)數(shù)值相減*/</b></p><p>　　SUBS:MOVX A,@DPTR;讀取低8位</p><p><b>　　MOV R2,A</b></p><p><b>　　MOV A,50H</b></p><p>　　SUB A,R2;實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)</

89、p><p>　　MOV 50H,A ;結(jié)果存入50H</p><p>　　MOVX A,@DPTR;讀取高8位</p><p><b>　　MOV R2,A</b></p><p><b>　　MOV A,51H</b></p><p>　　SUBB A,R2;實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)<

90、;/p><p>　　MOV 51H,A ;結(jié)果存入51H</p><p><b>　　MOV A,52H</b></p><p>　　SUBB A,#00H </p><p><b>　　MOV 52H,A</b></p><p><b>　　RET</b>

91、</p><p>　　/*外部中斷0處理程序*/</p><p>　　INT0：MOV R1，#00H;</p><p>　　JB ACC.4,FIRST;為1，則發(fā)生中斷的是First8254 </p><p>　　MOV DPTR,#BFFFH</p><p>　　MOV A,#4AH; </p&

92、gt;<p>　　MOV @DPTR,A；寫入控制字，讀取計(jì)數(shù)通道1當(dāng)前值</p><p>　　MOV DPTR,#BFFDH</p><p>　　ACALL ADDD </p><p>　　SJMP F1;中斷返回</p><p>　　;FIRST原理同上</p><p>　　FIRST:

93、MOV DPTR,#7FFFH</p><p>　　MOV A,#4AH;寫入控制字，讀取計(jì)數(shù)通道1當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFDH</p><p>　　ACALL ADDD</p><p><b>　　F1:RETI</b>&

94、lt;/p><p>　　/*以外部中斷1舉例，程序流程圖如右圖所示*/</p><p>　　INT1:MOV R1,#01H</p><p>　　JB ACC.3,SECOND </p><p>　　MOV DPTR,#7FFFH</p><p>　　MOV A,#8AH;寫入控制字，讀取計(jì)數(shù)通道2當(dāng)前值<

95、/p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFEH</p><p>　　ACALL SUBS;調(diào)用減法子程序</p><p><b>　　SJMP F2</b></p><p>　　SECOND:MOV DPTR,#7FFFH</p><p

96、>　　MOV A,#8AH;寫入控制字，讀取計(jì)數(shù)通道2當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFEH</p><p>　　ACALL SUBS</p><p><b>　　F2:RETI</b></p><p><b>　　E

97、ND </b></p><p><b>　　總結(jié)與展望</b></p><p>　　系統(tǒng)最大的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)</p><p>　　針對(duì)氦氖激光器，根據(jù)雙頻干涉儀的原理，設(shè)計(jì)了雙頻激光干涉計(jì)數(shù)系統(tǒng)以達(dá)到測(cè)量微小位移的目的。本系統(tǒng)最為巧妙之處在于對(duì)差頻的計(jì)算轉(zhuǎn)化為對(duì)時(shí)間的積分過程，最終轉(zhuǎn)換為對(duì)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，這是貫穿整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)和

98、關(guān)鍵所在。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分辨率以及測(cè)量范圍要求，設(shè)計(jì)了鎖相倍頻模塊和雙通道緩沖連續(xù)計(jì)數(shù)模塊，對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行了791倍頻，并對(duì)其連續(xù)計(jì)數(shù)并通過單片機(jī)處理數(shù)據(jù)將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的位移量。</p><p>　　在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到鎖相倍頻電路的限制——分頻數(shù)為100～1000<3164（本系統(tǒng)實(shí)際的細(xì)分?jǐn)?shù)），故而采取了結(jié)合光路細(xì)分和電子細(xì)分的方法，但是光學(xué)細(xì)分有個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即光學(xué)細(xì)分是以犧牲干涉儀的測(cè)量速

99、度為代價(jià)的，光學(xué)細(xì)分?jǐn)?shù)即干涉儀測(cè)量速度降低的倍數(shù)，故而難以實(shí)現(xiàn)高倍細(xì)分，所以本系統(tǒng)以電子細(xì)分為主，光學(xué)細(xì)分為輔的方式，先從光路上進(jìn)行8細(xì)分，再進(jìn)行鎖相791倍頻細(xì)分，理論上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的分辨率。</p><p>　　總體測(cè)試電路設(shè)計(jì)部分，比較成功的是計(jì)數(shù)模塊的設(shè)計(jì)，即通過兩片8254的交替工作實(shí)現(xiàn)了連續(xù)計(jì)數(shù)的功能，又可以實(shí)現(xiàn)辨向的功能。對(duì)于8254中的兩個(gè)計(jì)數(shù)器，頻率較大的輸入信號(hào)計(jì)數(shù)值變化大，頻率小的計(jì)數(shù)值變化

100、小，若其中之一計(jì)數(shù)溢出或者計(jì)數(shù)結(jié)束，Intel8051讀取兩個(gè)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，通過程序計(jì)算得出頻率差值，根據(jù)差值的符號(hào)判斷參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)頻率大小，從而實(shí)現(xiàn)反射鏡位移方向的判斷。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)：用于驗(yàn)證雙頻激光計(jì)數(shù)系統(tǒng)所輸出的值是否正確。實(shí)驗(yàn)設(shè)備有雙頻激光計(jì)數(shù)系統(tǒng)、微位移驅(qū)動(dòng)臺(tái)、示波器、氦氖激光器。微位移驅(qū)動(dòng)臺(tái)可以手動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)在0～lO0um連續(xù)移動(dòng)，其核心部件為壓電陶瓷。</p>&

101、lt;p><b>　　誤差分析與補(bǔ)償</b></p><p>　　激光干涉測(cè)量精度受到多種因素影響。其測(cè)量誤差主要包括：①系統(tǒng)誤差，主要指受到激光干涉測(cè)量方法及測(cè)量系統(tǒng)元部件制造精度的限制，測(cè)量系統(tǒng)所存在的不可消除的誤差；②阿貝、余弦誤差，在測(cè)量系統(tǒng)安裝過程中，測(cè)量軸線與被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軸線之間的誤差角以及測(cè)量過程中被測(cè)對(duì)象多自由度運(yùn)動(dòng)等形成的誤差；③環(huán)境誤差，干涉儀工作過程中，環(huán)境的波

102、動(dòng)(空氣溫度、壓力及相對(duì)濕度的變化)引起空氣折射率的變化，由此導(dǎo)致的誤差；④延時(shí)誤差，由干涉儀測(cè)量電路延時(shí)、測(cè)量數(shù)據(jù)滯后所產(chǎn)生的誤差。</p><p><b>　　綜述</b></p><p>　　由于條件有限，無(wú)法進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，本文僅在理論上訴述了滿足儀器測(cè)量分辨率和量程要求的激光干涉測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。首先，雙頻干涉系統(tǒng)仍然基于多普勒測(cè)速的原理。雖然多普勒測(cè)速本身

103、非常簡(jiǎn)單，但直接測(cè)速，產(chǎn)生的信號(hào)是直流信號(hào)，用作測(cè)量很容易出現(xiàn)誤差。（當(dāng)物體開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，信號(hào)開始，當(dāng)物體停止的時(shí)候，信號(hào)消失）因此一般是引入載波來進(jìn)行干涉測(cè)長(zhǎng)。概念是產(chǎn)生出一對(duì)相差頻率△f的激光f1和f2，然后利用分束器產(chǎn)生出f1i和f2i。f11和f21拍頻產(chǎn)生出強(qiáng)度信號(hào)△f，而f12和f22用作干涉光束，由于反射鏡的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生出多普勒信號(hào)f1-f2±△f，最后將兩個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)鑒頻就測(cè)出頻率差△f。得到的信號(hào)對(duì)時(shí)間

104、積分，可以測(cè)出所求的目標(biāo)移動(dòng)距離。緊接著，根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)了一系列后續(xù)的測(cè)量電路，旨在解決信號(hào)處理以達(dá)到系統(tǒng)要求。</p><p>　　這種測(cè)量技術(shù)一般是利用塞曼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，因此其頻率差有限，通常在1～2MHZ，所以可測(cè)的速度上限大約是1.5m/s。本系統(tǒng)略顯不足的地方在于未設(shè)計(jì)閉環(huán)控制以及誤差補(bǔ)償?shù)却胧?，?duì)影響系統(tǒng)的測(cè)量精度的因素由于本人技術(shù)水平有限，未能制定出有效的解決方案，故未在測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中涉及，在此簡(jiǎn)

105、略說明。</p><p><b>　　經(jīng)驗(yàn)總結(jié)</b></p><p>　　通過這次的課程設(shè)計(jì)，在一定程度上擴(kuò)展了我們的知識(shí)面、加深了我們對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，也鞏固了我們對(duì)基礎(chǔ)理論的理解，進(jìn)一步提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力。</p><p>　　在課程設(shè)計(jì)中遇到來了一定的問題，經(jīng)過反復(fù)的研究，問題得到解決。在整個(gè)過程中，</p><

106、p>　　明白了之前學(xué)習(xí)中的很多盲點(diǎn)。針對(duì)設(shè)計(jì)中遇到的問題作如下總結(jié)。作為以后學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。</p><p>　　缺乏動(dòng)手能力。平時(shí)學(xué)習(xí)理論知識(shí)，時(shí)間能力相對(duì)薄弱，出現(xiàn)眼高手低得情況，在實(shí)際操作中出現(xiàn)各種低級(jí)錯(cuò)誤。</p><p>　　鍛煉分析問題解決問題的能力。從原理分析到系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要分析所實(shí)現(xiàn)的功能，如何將實(shí)際的問題抽象化，找出各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系。如何取分析問題以及分析后如

107、何取解決問題是整個(gè)過程的關(guān)鍵，需要謹(jǐn)慎的思維和考慮問題的全面性。</p><p>　　形成知識(shí)體系。課程設(shè)計(jì)的全過程中梳理了平時(shí)課堂上的知識(shí)點(diǎn)，將其整理成一個(gè)清晰的脈絡(luò)，對(duì)平時(shí)學(xué)習(xí)的一個(gè)綜合運(yùn)用的過程。通過課程設(shè)計(jì)，找到自己薄弱的環(huán)節(jié)，進(jìn)而對(duì)其鞏固，加深對(duì)基礎(chǔ)理論的理解和運(yùn)用。</p><p>　　在課程設(shè)計(jì)的過程中，通過親身實(shí)踐和學(xué)習(xí)，雖然遇到很多困難，但通過老師和同學(xué)的幫助、指導(dǎo)下基本

108、得到了解決，也使自己對(duì)一些問題有了新的看法和認(rèn)識(shí)。此次課程設(shè)計(jì)也是檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果的過程，讓我體驗(yàn)到課堂學(xué)習(xí)與實(shí)際工作距離之遙遠(yuǎn)，并通過綜合分析，找出學(xué)習(xí)中存在的不足，以便為完善學(xué)習(xí)計(jì)劃，改變學(xué)習(xí)內(nèi)容與方法提供實(shí)踐依據(jù)。對(duì)我們控制系專業(yè)的本科生來說，實(shí)際能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，而這種實(shí)際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須從課堂走向?qū)嵺`。這也是一次預(yù)演和準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，通過課程設(shè)計(jì)，讓我們找出自身狀況與實(shí)際需要的差距，并在以后的學(xué)習(xí)期間及

109、時(shí)補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)，為求職與正式工作做好知識(shí)、能力準(zhǔn)備。更重要的是通過對(duì)儀器開發(fā)流程的了解，進(jìn)一步激發(fā)了我們對(duì)專業(yè)知識(shí)的興趣，并能夠結(jié)合實(shí)際存在的問題在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　http://www.beidinghan.com/goodsid/goodsview/8020035.html.

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