声光调制驱动源数字线性电压控制技术研究

张文静，赵冬娥，马巧梅，张 斌

(中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051)

随着激光技术的快速发展和优质声光晶体材料的开发，基于布拉格衍射效应的声光调制技术与器件已得到广泛应用.例如，利用声光调制器产生双频激光束，通过表面等离子体相位检测法测量液体的折射率［1］.由于激光具有很好的单色性、方向性，利用激光作为显示光源，可以方便地实现三色合成的激光显示系统.该系统利用声光调制器响应速度快(ns 级)的特点，可以用来调制激光光强，使其达到一定的灰度等级［2-4］.自从1964年研制出第一台激光外差干涉仪以来，使激光外差干涉测量技术得到了快速发展，声光调制技术与器件在其中发挥了比较重要的作用［5-9］.为了配合快速发展的激光大屏幕图文显示技术，满足激光外差干涉技术的需要，开展了数字线性声光调制驱动源研究，实现了声光调制器对激光束光强的调制随控制电压的线性变化，从而使经过声光调制器调制的激光束的光强具有一定的灰度等级［10-11］.声光调制器主要由激光源、声光器件和驱动电源三部分组成.驱动源发射的射频功率信号输入到声光器件，该器件将电信号转换成超声信号并作用于声光介质，在声光介质中利用超声波产生的对光束衍射的“立体光栅”和激光的相干性可以快速有效地控制激光束的频率、方向和强度［5］.

本文着重介绍了数字线性声光调制驱动源数字电压控制器的组成、设计原理、实验结果以及线性电压补偿原理和实现方法.

1 设计要求及电路设计

声光调制驱动源数字电压控制器主要由单片机控制系统，显示驱动电路及LED 显示器，48 路数字控制模拟电子开关，48 级灰度选择电路和48组电阻分压器及数字电压控制接口电路等组成，其原理框图如图1 所示.

图1 硬件电路原理结构框图Fig.1 Frame of hardware circuit

1.1 设计要求

如图1 所示，本研究把线性灰度声光调制器驱动电源的控制电压0～5 V(D.C.)分为48 级档次电压.当灰度选择电路未动作时，4 位LED 均显示0，此时数字电压控制接口电路输出电压为0.1 V;当灰度选择按钮第1 次动作时，4 位LED显示L-01，此时数字电压控制接口电路输出电压为0.1 V;当灰度选择按钮第2 次动作时，4 位LED 显示L-02，此时数字电压控制接口电路输出电压为0.2 V;依次类推，当灰度选择按钮第48次动作时，4 位LED 显示L-48，此时数字电压控制接口电路输出电压为4.8 V.

1.2 灰度选择电路设计

灰度选择电路由48 组电阻分压电路，六片数字控制的模拟电子开关电路CD4051，1 个4.7 K的上拉电阻和一个自复按钮组成.其中自复按钮一端接地，另一端和与AT89C51 连接的上拉电阻连接.在设计中，为了使CD4051 更好地发挥多路电子开关的性能，应注意三方面内容:通断切换方式，减小导通电阻和消除抖动引起的误差.通断切换方式有“先断后通”与“先通后断”，为避免发生两个通道短接的现象，本研究中采用的是“先断后通”.CD4051 的导通电阻(RON)随电源电压(UDD)和输入模拟电压(U)的变化而变化，例如当UDD=5 V，USS=0 V，UEE=0 V 时，RON=280 Ω，且RON随U 的变化比较明显;而当UDD=12 V，USS=0 V，UEE=0 V 时，RON=100 Ω，且RON随U的变化较缓慢.可见，适当提高CD4051 的UDD有利于减小RON的影响.本研究中UDD=12 V，USS=0 V，UEE=0 V，利用0～5 V 的数字信号控制0～5 V 的模拟信号.多路模拟电子开关在通道切换时也与机械开关类似，存在着抖动过程，消除抖动的常用方法有两种:一种是硬件方法，另一种是软件方法，从实施方便考虑，本研究采用了软件除抖方法，即用软件延时的方法来消除抖动.

1.3 显示驱动电路设计

显示驱动电路由4 位共阴的7 段数码管LED和8 位串行LED 显示驱动芯片MAX7219 组成.MAX7219 是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器，可驱动8 位共阴极LED，且集BCD码译码器、多路扫描仪、段驱动和位驱动电路于一体，内含8 ×8 位双口静态SRAM.MAX7219 与8 位数字的7 段数码管LED 连接，通过串行数据线DIN，时钟信号线CLK 和数据锁存信号LOAD与AT89C51 单片机连接.

2 程序设计

2.1 主程序设计

根据硬件电路及程序设计要求，采用MCS-51汇编指令完成相应的程序设计.程序设计的思路是首先对MAX7219 进行初始化，然后对4 位LED进行测试，检测每个数码管的7 段显示是否正常，即让4 个LED 显示4 个8，500 ms 后显示4 个0，最后进入等待灰度等级选择电路动作状态，此时声光调制器的控制电压输入端不选通48 级档次电压的任何一个.系统的主程序流程图如图2 所示.

对MAX7219 进行初始化，主要包括对LED的模式，显示亮度，扫描数码管个数的限制和关闭模式等的确定.本研究中对LED 的工作模式选择不译码模式，此模式下LED所显示的字型与16 进制代码的对应关系如表1 所示.

图2 系统主程序流程图Fig.2 Flow chart of system main program

表1 LED 显示的字型与16 进制代码的对应关系Tab.1 LED display font and 16 hxadecimal code

2.2 MAX7219 操作时序分析

MAX7219 是典型的具有SPI 串行接口的显示驱动芯片［12］.本研究中的微处理器采用AT89C51，由于AT89C51 没有提供同步串行总线的相关硬件接口，单片机AT89C51 和SPI 接口的MAX7219 所有操作均由软件模拟SPI 时序的方法完成.

MAX7219 的工作时序如图3 所示.由图3 可知，MAX7219 的串行数据是以16 位数据包的形式从DIN 输入，传输的数据包格式如表2 所示.软件模拟SPI 时序的工作主要包括加载数据信号的产生，串行时钟的产生和数据的输入.

图3 MAX7219 的操作时序图Fig.3 Operating sequence diagram of MAX7219

表2 MAX7219 传输的数据包格式Tab.2 Transmission format of the data packet of MAX7219

2.3 软件模拟时序的SPI

从MAX7219 的工作时序图可见，数据在线的状态在时序脉冲CLK 的上升沿进入MAX7219 的移位寄存器，而在锁存信号LOAD 上升沿，移位寄存器的数据才能进入MAX7219 的内部寄存器.如果没有时钟信号的配合，数据在线的状态不会进入MAX7219 的寄存器，而LOAD 信号在空闲期间是高电平，不可能出现锁存信号，数据在线的状态变化不可能影响到MAX7219 的内部寄存器的值.因此，显示的内容不会因数据在线的状态发生变化而导致显示错误［11］.MAX7219 与单片机AT89C51 之间的数据包传送的程序流程图如图4 所示.

图4 软件模拟SPI 时序的流程图Fig.4 Flow chart of shoftware simulation of SPI sequence

3 实验及结果分析

实验装置由中心波长为650 nm 的半导体激光器及其驱动电源，工作频率为149 MHz 声光调制器及数字线性声光调制驱动源，手动精密旋转台，光功率计等组成.实验中，通过对精密旋转台旋转适当的角度，使声光调制器工作在布拉格衍射状态，分别对其0 级衍射光和+1 级衍射光的光功率进行了测试，测试结果如图5 所示.图5 所示的黑色五星符为0 级衍射光功率与数控电压的关系曲线，黑色星号为+1 级衍射光功率与数控电压的关系曲线.由图5 可见，由于声光器件具有固有的非线性特性，决定了衍射光强与线性控制电压的非线性关系，其线性相关系数为92.68%.通过线性补偿方式，可以提高线性相关系数，把0～5 V 的直流电压变为相邻档次电压差为0.1 V的48 级档次电压Ui(i=1，2，3，…，48)，即电压线性变化的梯度为

图5 0级和+1 级衍射光强度与数字控制电压关系曲线Fig.5 Dependence of diffraction light intensity on digital control voltage

由实验得到与之对应的48 级光功率的灰度值Pi(i=1，2，3，…，48)，光功率灰度值(P)与电压(U)的线性回归满足方程

当U1=0.1 V，U48=4.8 V 时，由式(2)可得到P1=0.033 8，P48=0.370 3，由此可以得到光功率变化的梯度

由式(3)及P1=0.033 8 可得到在此基础上，由式(2)可计算出由此可以得到线性补偿电压.例如，当档次电压时，取当档次电压时，取依次类推，即可得到48级档次电压U1，U2，U3，…，U48，此处的48 级档次电压具备了线性补偿功能.最后，通过调整48 组电阻分压器的阻值，即可得到具有线性补偿功能的48 级线性控制电压.补偿后衍射光强与线性控制电压的线性相关系数可达98%，衍射效率提高了7%.

4 结束语

在基于表面等离子体共振法测量溶液浓度的实验中，利用布拉格效应的声光调制器的0 级衍射光作为传感光束，+1 级衍射光作为参考光束.为了使两光束有一个合适的强度，以获得良好的测量效果，采用数字线性声光调制驱动源，其技术性能达到了设计要求，经过改进灰度等级可由48 级提高到256 级.把声光调制技术，单片机技术，数字控制模拟电子开关技术和线性补偿技术相融合，实现了声光调制的数字化和线性化，在激光大屏幕图文显示和激光外差干涉技术等领域具有广泛的应用.

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