激光计时装置设计

钱 侬

（苏州大学物理科技与技术学院，江苏 苏州 215006）

激光具有相干性、单色性、方向性等很多优良性质.激光器种类繁多，分气体、固体和其他激光器（如准分子等）.我们用的较多的是气体激光器，它工作物质均匀一致，保证了激光束的优良光束质量，使大部分的气体激光器能产生接近高斯分布的光束模式.谱线范围广，有数百种气体可以产生激光，已经观测到的激光谱线接近万余条，既能连续又能脉冲工作，且效率高，输出激光功率大，在工农业生产、科学研究、国防、材料加工、医疗、测量、能源、通信等领域有着广泛的应用，在这里设计利用He－Ne激光器来进行发射和PY1接收放大，利用分频器对时基信号进行分频计时.

实验1.前置放大.

本系统中，由于激光接收头得到的信号比较微弱，而且存在背景及接收器本身有源和无源电路产生的噪声，所以必须增加高增益和低噪声的前置放大器，进行滤波、放大、修整.一般情件况下，可用运算放大器来完成，在这里选用HA17324四运放.图1是HA17324运放的工作电路图，图2是四运放的内部框图.工作原理是PY1检测到信号后，由PY12脚输出很微弱的电信号，经低通滤波后送到IC10脚，信号进行一级消噪放大，此放大倍数很小，放大后信号从8脚输出，由电容C8耦合到IC的6脚做二级信号放大，提高了稳定性和抗干扰性.IC的另外两个运放构成窗口式电压比较器，当IC的7脚电压在Ua和Ub之间时，IC的1脚和14脚均无输出；当7脚电压大于Ub时，IC的14脚输出高电平，当7脚电压小于Ua时，IC的1脚输出高电平.经过D1D2互相隔离及逻辑或的作用从P点输出控制脉冲信号.其中R11用于设定窗口的阈值电平，调节R11可调节检测器的灵敏度.HA17324各引脚的实测工作电压如表1.（用MF47型万用表测得）

表1

图1

图2

通过测量可知，放大器有信号输入时，它的1脚和14脚输出3.8V脉冲信号.

实验2.门控电路和连接电路.

门控电路是由与非门和反相器构成，电路如图3，其中加入了连接电路图4.门控电路输入信号端接收从前置放大电路传来的信号.如为高电平，三极管导通，微小继电器通电工作，常闭开关断开，下一三极管导通，在A点产生低电平“0”，经反相器再与控制信号进入与非门，可在控制信号端加一高电平信号（可直接接在电源上，这样在开启装置时就有高电平输入），与非之后再经过一个反相器后，信号L送入下一级.如果输入信号处于低电平的情况下，不能使三极管导通，继电器不能工作，常闭开关闭合，A是高电平，最后得到信号L为“0”.

图3

图4

设计如图4的一个连接电路，是为了使电路相互隔离，互相独立，这样既可以使电路模块化，可以使它们不互相影响，还可以起到保护电路的目的.电路如右图所示，它通过一微小继电器在不同信号下控制电路工作，其中，调节Rb可以使三极管饱和导通.

实验3.钟控电路部分.

钟控电路是此计时装置的又一组成模块，它是由计时电路、编译码电路、显示电路和控制电路组成.主要起到记录时间、显示时间和开机清零的作用.下面分别介绍一下电路.

（1）振荡电路.

该系统中采用石英晶体振荡器.石英晶体等效电路符号和阻抗频率特性如图5所示.

图5

由阻抗频率响应可知，石英晶体的选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率fs，且等效品质因素Q值很高.只有频率为fs的信号最易通过，而其他频率的信号均会被衰减.石英晶体振荡器电路如图6所示，图中并联在两个反相器输入、输出间的电阻R的作用是使反相器工作在线性放大区.R的阻值，对于TTL门电路通常在0.7～2kΩ之间；对于CMOS门则常在10～100MΩ之间.电路中，电容C1用于两个反相器间的耦合，而C2的作用，则是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出.电容C2的选择应使2πRC2fs≈1，从而使RC2并联网络在fs处产生极点，以减少谐振信号损失.C1的选择应使C1在频率为fs时的容抗可以忽略不计.下左图的振荡电路是另一种接法，它仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中的R、C的数值无关.这是因为电路对fs频率所形成正反馈最强而易于维持振荡.

图6

选用8～16pf微调电容，以对振荡频率作微量调整.从精度考虑，振荡频率越高，计时准确度就越高，但这样会使分频器的级数增加.所以，要确定好振荡频率和分频器级数还有分频的次数.此设计中100kHz振荡频率需要将它变成周期为1s的脉冲信号，为此，需对它进行5级十分频实现，采用五片C180同步十进制加法计数器组成分频器.如图7，当控制端EN＝1时，CP上升沿到来时计数；CP＝0时，EN下降沿到来时计数.Cr为正脉冲置零端，QD为十分频输出，将十分频器串联起来，如图7所示.由QD5得到周期为1s的秒信号，由QB5得到周期为0.4s的秒信号，在此设计中，我们要的就是周期为1s的秒信号，即QD5的输出端信号.

图7

（2）编码﹑译码显示电路.

前面利用石英晶体振荡电路来输出频率一定的脉冲，利用分频器得到所需的时基信号脉冲，再把此脉冲加到计数电路上.脉冲送到4518构成的二进制编码电路，每输入一个脉冲.输出脚就进一位.输出的BCD码经过解码电路驱动LED显示.电路图如图8所示.

图8

（3）单稳态延时控制电路.

控制电路的主要作用是自动控制编码﹑译码显示电路的开启、清零，为下次测量做准备.它是用一片555电路做成的.它内部结构的简化原理如下图所示，由3个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT T以及缓冲器G组成，如图9

图9

图10

图中RD为复位输入端，当RD 为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出V0（3脚）为低电平.因此在正常工作时，应将其接高电平.由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2／3 Vcc和1／3 Vcc.555定时器作成的单稳态电路如图10所示，电路中RP、R2、C1决定延时清零时间，在上面的控制电路中，其工作原理是：当3脚输出为高电平时，三极管导通，则继电器工作，常开闭合，电源就导通，控制编码﹑译码显示电路开启工作；反之，当3脚输出为低电平时，三极管截止，继电器不工作，电源断开.

总图：激光计时装置电路涉及到光电转换电路PY1﹑运算放大电路﹑门控电路﹑连接电路﹑时钟振荡电路﹑分频电路﹑编码和译码显示电路和控制电路等几个方面，设计起来比较复杂，但在设计过程中始终贯穿模块化的理念，不同模块相互之间的联系尽可能的少（可用连接电路连接），一个模块在逻辑上尽可能独立，有完整单一的功能.在这个设计中，主要针对用于小球在液体中下落的计时，具体的电路框如图11.

图11

首先来介绍上面的部分，由于已经在前面具体的介绍了各个模块电路，这里就不在重复了.根据电路框图，具体如下：小球下落过程中，挡一下上面激光束（图12），上端接收器接收到信号，脉冲信号经过放大，进入隔离电路和主控门电路，之后控制可控硅导通（在电源和可控硅之间有一个继电器2，它是常闭的），从而使时钟电路工作，再把时钟信号输入计数器累加，最后进行编码，译码和显示.这个阶段是小球下落进行计时的过程.

图12

在小球到达下面激光束时，下端接收器收到信号（图13），输出一个脉冲，进行放大.然后信号一路传给三极管，三极管导通，则继电器2工作，常闭开关断开，可控硅断开，则时钟电路停止工作；还有一路是接555延时控制电路，延时一段时间后，控制三极管导通，继电器3通路，常开开关闭合，译码显示电路延时清零.具体的工作电路如下.

在上面的这些电路中，可控硅起到关键作用，有必要介绍一下.可控硅是一种控制器件，它可以控制开关，可以用微小的功率控制较大的功率，在随动系统中有广泛的作用.它有三个脚组成，即阳极 A、阴极C和控制极G.当控制极电流达到一定数值时（一般为几十mA），阴极与阳极之间导通，且管压降很小，约为1.0V.可控硅一旦导通后，控制极不再起作用，保持导通状态，若想要断开，应将阳极电流减小到某一数值或加反电压.

激光计时装置的设计主要是为了适应现代科学研究的需要，它能够解决以前实验中的系统误差问题，大大提高实验的效率.如果加以改进，这个装置还可以用于其他很多方面.比如说交通，报警，体育等等方面，具有很大的开发利用价值.

在实际试验时，由于激光束通过液体时会发生散射现象，方向不集中，造成激光束不易对准，PY1不易检测到.可通过可降低发射管的限流电阻（150Ω降至20Ω）提高发射功率，同时调节运放R11阈值电平灵敏度，可得到满意效果.这同时也给了笔者一个启发，即用在仓库里作为近物点的烟感报警器时，可降低发射管的限流电阻，降低发射功率至接收临界点，达到有烟雾使激光束发生散射现象时可迅速报警的目的.

图13

1 秦诚.医用电子学及实验（第1版）.北京：原子能出版社，1992.

2 最新集成电路应用大全（第1版）.北京：北京希望电脑公司，1995.

3 电子报（95年合订本）.成都：成都大学出版社，1995.

4 康华光.电子基础－数字部分（第5版）.北京：高等教育出版社，2006.