本文介紹了激光功率計(jì)的變換與顯示電路，該電路的主要功能是直接指示激光功率的大小。該電路把由激光功率計(jì)輸出的模擬電壓量變?yōu)閿?shù)字脈沖輸出，并且把輸出脈沖的頻率實(shí)時(shí)顯示出來，同時(shí)具有精度高、線性好、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)。

在原子核物理實(shí)驗(yàn)中，需用激光發(fā)生裝置產(chǎn)生一定能量的激光對(duì)原子光電截面進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)要求知道激光發(fā)生裝置產(chǎn)生的激光功率。為了簡(jiǎn)捷方便地了解激光功率的大小，在實(shí)驗(yàn)中使用了激光功率計(jì)。它的輸出為一個(gè)模擬電壓量，該模擬電壓的幅度隨激光功率的變化而變化，為了便于實(shí)驗(yàn)人員實(shí)時(shí)觀測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并研制了本電路。電路的主要功能是把由功率計(jì)輸出的模擬電壓變?yōu)榕c之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字脈沖輸出。該脈沖可以直接被記錄下來，脈沖頻率正比于功率計(jì)輸出模擬電壓的大小，即正比于激光的功率，同時(shí)該電路也實(shí)時(shí)顯示出輸出脈沖信號(hào)頻率的大小。

1、電路基本構(gòu)成

電路主要由緩沖放大電路、V-F轉(zhuǎn)換電路、計(jì)數(shù)率計(jì)電路、甄別顯示電路等4部分組成。V-F轉(zhuǎn)換電路的輸出脈沖信號(hào)一路輸出到計(jì)數(shù)率計(jì)電路，另一路直接作為計(jì)數(shù)輸出，計(jì)數(shù)輸出可直接送入定標(biāo)器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。激光功率計(jì)的變換與顯示電路結(jié)構(gòu)框圖見圖1。該電路安裝在標(biāo)準(zhǔn)雙寬NIM插件里，在一個(gè)雙寬NIM插件里安裝了兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的工作通道，能同時(shí)對(duì)兩路激光功率計(jì)輸出的信號(hào)進(jìn)行采集變換與顯示。

2、主要單元電路原理介紹

2.1、緩沖放大器

為了滿足不同幅度信號(hào)的測(cè)量與數(shù)據(jù)采集的要求，設(shè)計(jì)了緩沖放大器，其輸入信號(hào)為0～2V。主要由緩沖級(jí)與放大兩部分組成。緩沖級(jí)是由LF356構(gòu)成的一個(gè)跟隨器。放大級(jí)由增益粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩級(jí)構(gòu)成。兩級(jí)均采用運(yùn)算放大器LF356構(gòu)成。增益粗調(diào)分為1、10、100三檔，1檔通過選擇開關(guān)來選擇，10、100檔可通過增益調(diào)節(jié)跳線器Jumper進(jìn)行選擇和設(shè)置。增益細(xì)調(diào)級(jí)放大倍數(shù)調(diào)節(jié)可通過改變電位器的阻值實(shí)現(xiàn)，增益調(diào)節(jié)范圍0～10倍。放大級(jí)基本電路結(jié)構(gòu)見圖2。第一級(jí)放大倍數(shù)可通過J3、J4兩個(gè)跳線器的選擇進(jìn)行調(diào)節(jié)；第二級(jí)放大倍數(shù)由電位器R115調(diào)節(jié)。

2.2、V-F轉(zhuǎn)換電路

它是本電路中的關(guān)鍵部分，它把輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的脈沖信號(hào)輸出，脈沖信號(hào)的頻率與輸入模擬電壓成正比。在此采用LM331構(gòu)成V-F轉(zhuǎn)換器。LM331是一種通用集成電路，十分適于用作電壓頻率轉(zhuǎn)換，其輸出脈沖信號(hào)的頻率精確地正比于輸入電壓，它具備電壓頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)。它由1.9V基準(zhǔn)電壓、電流開關(guān)、比較器、雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器等構(gòu)成。V-F轉(zhuǎn)換電路的基本電路圖見圖3。V-F轉(zhuǎn)換電路將電壓輸入轉(zhuǎn)換為頻率輸出，輸出頻率由下式得出

2.3、計(jì)數(shù)率計(jì)電路

為了簡(jiǎn)單直觀，并實(shí)時(shí)地指示V-F轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)頻率的變化趨勢(shì)，也即實(shí)時(shí)指示激光功率的變化趨勢(shì)，采用了計(jì)數(shù)率計(jì)電路方案。它是對(duì)單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，給出正比于輸入脈沖頻率的輸出電壓。計(jì)數(shù)率計(jì)電路是基于電流脈沖對(duì)電容C充電，而電容C又經(jīng)過與其相并聯(lián)的R放電，通過測(cè)量電容充放電平衡時(shí)流經(jīng)電阻R的電流，或兩端的電壓，來實(shí)現(xiàn)脈沖平均計(jì)數(shù)率的測(cè)量。

圖4給出了簡(jiǎn)單的RC電路，假定信號(hào)源產(chǎn)生平均計(jì)數(shù)率為N的輸入電流脈沖Ii（t），Ii（t）具有恒定的幅度和寬度，每個(gè)電流脈沖包含的電荷為Q。可以看出，每來一個(gè)脈沖，電容兩端充有電荷Q，因?yàn)槠骄?jì)數(shù)率為N，則單位時(shí)間內(nèi)電容上的充電電荷為NQ，電容C上的電荷同時(shí)會(huì)通過電阻R泄放。當(dāng)電容充放電平衡時(shí)，流過R的放電電流I平均=NQ∝N，R上產(chǎn)生的壓降的平均值V平均=NQR，因此可以從輸出電壓讀出脈沖計(jì)數(shù)率N。考慮到測(cè)量的精度與電路的實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的RC電路并不能完全滿足要求，從而設(shè)計(jì)了二極管泵電路（圖5a）和改進(jìn)的二極管泵電路（圖5b）等原理電路，可用來構(gòu)成計(jì)數(shù)率計(jì)電路。

設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)率計(jì)電路是一個(gè)改進(jìn)的二極管泵電路，二極管泵電路的基本原理見圖5a，它由二極管D1和D2、定量電容C1、積分電容C及電阻R組成，圖中Ri為信號(hào)源內(nèi)阻。當(dāng)輸入脈沖到來時(shí)通過內(nèi)阻Ri及D1向C1充電，在輸入脈沖過后，D1截止，C1上的電荷經(jīng)D2和C放電，通常有CC1，C1放電到穩(wěn)態(tài)，原來充貯在C1上的電荷重新分布到電容C。C在每次充電后它的兩端電壓就升高，如果C和R兩端的電壓升為V平均，則C1放電到穩(wěn)態(tài)時(shí)也V平均，則每次從C1轉(zhuǎn)移到C的電荷Q為（Vi-V平均）C1，由于V平均的存在，每次在C上電荷的增量Q隨著V平均的增加而減少，不是一個(gè)恒定的量。如果輸入脈沖計(jì)數(shù)率為N，則每單位時(shí)間向C充電的電荷為（Vi-V平均）C1N，充放電平衡時(shí)，充電電流與放電電流必相等，即（Vi-V平均）C1N=I平均=V平均/R，則V平均=［NRC1/（1+NRC1）Vi］，由此可見，V平均和N的關(guān)系存在非線性，為了改善二極管泵電路的非線性，在設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)率計(jì)電路時(shí)采用改進(jìn)后的二極管泵電路，基本原理如圖5b所示。它采用運(yùn)算放大器構(gòu)成積分器，A點(diǎn)的電位始終接近于零（虛地），使輸出V平均的變化與Vi對(duì)C1和C的充電幾乎無關(guān)，每次脈沖作用時(shí)，C上的電荷增量Q恒定，此時(shí)每單位時(shí)間向C充電的電荷為QN，充放電平衡時(shí)，有QN=I平均=V平均/R，從而使電路的輸出電壓與輸入脈沖計(jì)數(shù)率成線性關(guān)系。

2.4、甄別顯示電路

本單元電路將單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)分6檔顯示，由LED指示。甄別顯示電路（圖6）。主要由運(yùn)算放大器LM339構(gòu)成，當(dāng)輸入電位（在此輸入電壓由計(jì)數(shù)率計(jì)電路的輸出給出）大于相應(yīng)甄別單元預(yù)置電位時(shí)，該甄別單元輸出變?yōu)楦唠娖剑?qū)動(dòng)相應(yīng)的指示LED亮。

3、結(jié)束語

設(shè)計(jì)并調(diào)試完成的激光功率計(jì)的變換與顯示電路測(cè)量精度高，工作性能可靠，穩(wěn)定性好，且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

技術(shù)專區(qū)多功能連接和快速充電能力應(yīng)用解決方案7812穩(wěn)壓塊能對(duì)多大范圍內(nèi)的電壓穩(wěn)壓?7812參數(shù)特性及穩(wěn)壓電源電比特幣挖礦消耗的電力太可怕熱鬧的背后需要新的電力技術(shù)ADI推出兩款高性能氮化鎵（GaN）功率放大器（pA）模塊詳細(xì)特斯拉電池管理系統(tǒng)深度剖析