基于AD采样的激光稳频自动控制电路的设计

张 珍

（武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉 430074）

为长期有效的探测到高空钠层荧光，必须使脉冲染料激光器的输出激光波长长期稳定在钠原子的共振波长上。但由于温度、气压、振动等原因，染料激光器在工作时波长很容易偏离这一数值。通常采用人工手动调整波长的方式，但这不仅增加了激光器运行的复杂程度，还会造成人为误差因素，影响探测数据质量。

激光器在现实生活中应用十分广泛，如在共振荧光激光雷达和差分吸收激光雷达中，都要求使用可调谐脉冲激光器，脉冲染料激光器就是其中最常用的一种［1］。在这类激光雷达中，不仅要求脉冲染料激光器的波长能准确地调整到被探测原子分子的吸收波长上，而且要求它一经调定就长期稳定不变。后一要求通常很难达到。目前，在工程应用上，一般是采用在激光雷达工作过程中定期地对其输出波长进行人为的校正调整。校正调整越频繁，激光雷达探测精度越高。这种办法不仅非常麻烦，而且在两次校正调定之间，激光雷达的探测精度也会受到波长漂移的影响。

1 激光稳频自动控制的需求分析

由于激光器产生的激光与基准源进行比较，获得一个与激光波长对应的模拟信号，要想获得此模拟信号大小，必须采用模数转换（ADC）对其进行量化，将其转化成数字量后，再送入计算机进行信号处理与分析，最后反馈控制激光器的发射激光波长。不仅如此，由于激光的脉冲宽度为数十纳秒（～10ns），其激发的共振荧光也在几个微秒以内，因此，必须采用高速AD转换才能准确获得此脉冲信号的峰值。

2 激光稳频自动控制的方案设计

为实现激光稳频自动控制，我们使用一种原子分子稳频的脉冲染料激光器，该激光器采用一种原子分子频率基准源对输出脉冲染料激光进行鉴频和稳频。提供该激光器的稳频方法，该方法通过微处理器对鉴频信号进行数据采集、分析和处理获得激光频率偏离的误差信号，通过反馈控制光栅转角，达到将脉冲染料激光器的输出频率长期稳定在原子分子频率基准的目的。稳频电路采用智能控制，而不采用通常的差分或锁相模拟电路控制，提高了稳频激光器的抗干扰能力和自动化程度，有利于提高它在共振荧光和差分吸收激光雷达中应用的效果［2］。其原理框图如图1所示。

图1 脉冲染料激光器原子稳频原理框图

其原理为：从染料激光器的输出光中分出一小部分送入钠原子共振泡中，共振泡输出信号的大小代表染料激光器的波长与钠原子共振波长的一致程度。该信号经过放大和适当延时后，送入采样保持电路，将原子共振泡脉冲输出信号的峰值变成相应的直流信号。该直流信号经A／D转换后送入单片机，单片机不停地通过该直流信号的变化来判断染料激光器的波长与钠原子共振波长的相对关系，并通过快速控制染料激光器的波长调节元件，使染料激光器的波长一直处在与钠原子共振波长一致的状态。

3 激光稳频自动控制电路中元器件的选取

AD781采用低功耗八脚小型DIP封装，非常适用于高密度布局电路。AD781能在700ns时间内跟踪输入信号并达到满量程，其保持误差仅为0.01μV／μs，并具有很好的线性和优良的直流和动态性能。因此AD781也非常适合12bit和14bit高速采样保持放大器。AD781是一种完整的采样保持放大器，它内含保持电容，无需外接元件与外部调整。AD781采样保持放大器在精度和速度方面十分适用于12bit AD转换器。它具有快速的采样和保持建立时间，并有良好的驱动能力，因此AD781适用于快速、高精度的AD应用场合。

经过ADC量化后的数字量要送入计算机进行信号处理与分析，由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有接收移位寄存器（串→并）和发送移位寄存器（并→串）。为了完成上述串行接口的任务，串行通信接口电路一般由可编程的串行接口芯片、波特率发生器、EIA与TTL电平转换器以及地址译码电路组成。其中，串行接口芯片随着大规模继承电路技术的发展，通用的同步（USRT）和异步（UART）接口芯片种类越来越多，它们的基本功能是类似的，都能实现上面提出的串行通信接口基本任务的大部分工作，且都是可编程的。使用这些芯片作为串行通信接口电路的核心芯片，会使电路结构比较简单。使用MAX232芯片可以将PC机串行口的RS－232C电平转换为TTL标准电平。对于TTL电平转换器则采用了RS－485通信芯片来实现。

4 硬件制作与软件系统实现

此次设计的硬件部分在Protel DXP 2004环境中实施，首先根据每个芯片的特性绘制电路原理图及元器件封装，然后由原理图生成网络表，最后根据网络表绘制PCB板。系统的软件设计主要分为Kiel51软件编程、asm汇编语言、C语言、编程器和Labview软件编程设计［3］等。其中图形化编程语言LabVIEW的出现为串口调试与数据分析带来了极大方便。

5 基于AD采样的激光稳频自动控制电路的自动稳频测试

综合上面软硬件部分的设计该原子稳频脉冲染料激光器已经正常运行。从实验结果来看，该稳频方法十分有效。首先，使用该稳频器后，一个晚上可以不用人为调整染料激光器的波长。其次，从激光雷达的回波数据来看，一个晚上的稳定性非常优越，比人为调整时信号信号随调整者变化好得多。另外为了检验波长调节是否准确，在观察波长调节期间，当每次波长自动调整好后，根据平时调节波长的经验进行两者对比，发现波长最大误差范围不超过0.2格，这也就是人眼能调节的最大灵敏度范围，如果不仔细调节，手动调节误差要比0.2格大得多。通过采用上述这些技术措施，既提高了钠层荧光激光雷达的性能，又提高了其自动化和实用化程度，为昼夜连续观测提供了保障。

6 结 语

随着微电子技术和计算机通信技术的飞速发展，在越来越多的领域都用到了AD采样、串口通信以及激光技术来传输信号，它们与一般的技术相比有一个最明显的优点就是传输速度快，能更好的对议器设备实现实时控制，能够提高工作效率。因此在以后的发展中AD采样和串口通信会在越来越多的设备中被用到。在实际应用中。我们可以充分利用串口通信、AD采样使其完成远程监控、工业勘测等多种功能，广泛应用于工业军事国防等。同时将LabVIEW软件开发与串口通信结合设计开发数据采集系统和控制硬件设备，不仅能节约大量开发时间和减少硬件成本，还可以为今后的系统升级留有很大空间，同时还使得系统具有很好的可移植性。

1 陈杨骎，杨晓华.激光光谱测量技术［M］.上海：华东师范大学出版社.2006年第1版

2 程学武，李发泉，宋娟等.原子分子稳频的脉冲染料激光器及其稳频方法［P］.中国，发明专利.申请号：200510019816.X

3 杨乐平，李海涛，肖相少等.LabVIEW程序设计与应用［M］.北京：电子工业出版社.2001