精密儀器課程設(shè)計(jì)

1、精密儀器課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目: 激光干涉納米位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： * 學(xué) 號(hào)： * 指導(dǎo)老師： * *年*月目 錄第1章 引言 31.1納米技術(shù) 31.2納米測(cè)量技術(shù) 31.2.1納米測(cè)量技術(shù)的發(fā)展 31.2.2雙頻激光干涉技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 5第2章 總體方案設(shè)計(jì) 82.1總體框圖 82.2 雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)組成8第3章 檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 9 3.1雙頻激光干涉光路部分 9 3.2電路模塊103.2.1 光電轉(zhuǎn)換 113.2.2 I/V轉(zhuǎn)換電路113.2.3 消直電路 123.2.4 放大電路 123.2.5 低通濾波電路 133.2.6 整形電路 143.2.7 細(xì)分電路 153.

2、2.8 計(jì)數(shù)電路 163.2.9 顯示電路 173.3軟件模塊 18第4章 系統(tǒng)電路總圖 22第 5章 總結(jié)與展望 23參考文獻(xiàn) 25第 1 章：緒論1.1 納米技術(shù)納米技術(shù)作為當(dāng)前發(fā)展最迅速、研究最廣泛、投入最多的科學(xué)技術(shù)之一，被譽(yù)為21世紀(jì)的科學(xué), 并且和生物工程一起被認(rèn)為是未來(lái)科技的兩大重要前沿?？萍及l(fā)達(dá)國(guó)家為搶占這一高新技術(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)、制高點(diǎn)，競(jìng)相將納米技術(shù)列為21 世紀(jì)戰(zhàn)略性基礎(chǔ)研究的優(yōu)先項(xiàng)目, 投人了大量的人力、物力和財(cái)力。納米技術(shù)對(duì)許多工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始具有非常關(guān)鍵的作用。它不僅將為許多技術(shù)難題提供新的解決方案和思路, 而且會(huì)進(jìn)一步提高人們的生活水平, 并有可能在很大程度上改變?nèi)藗兊纳?/p>

3、活方式。從納米精度上的機(jī)械零件的加工和裝配、電子器件的生產(chǎn)制造、掃描探針顯微鏡的發(fā)展、微型機(jī)電系統(tǒng)的制造、到納米結(jié)構(gòu)材料的加工和生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的制造等，納米技術(shù)正在得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。納米加工和制造離不開(kāi)納米測(cè)量。精密計(jì)量已不能適應(yīng)納米技術(shù)發(fā)展的要求，而且成為了納米技術(shù)發(fā)展的瓶頸。因此，納米測(cè)量技術(shù)和測(cè)量裝置，不僅是21世紀(jì)納米技術(shù)實(shí)用過(guò)程中必須關(guān)注的焦點(diǎn)，而且也是21 世紀(jì)計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域研究的重中之重。1.2 納米測(cè)量技術(shù)1.2.1 納米測(cè)量技術(shù)的發(fā)展縱觀納米測(cè)量技術(shù)發(fā)展的歷程，它的研究主要向兩個(gè)方向發(fā)展：一是在傳統(tǒng)的測(cè)量方法基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的測(cè)試儀器解決應(yīng)用物理和微細(xì)加工中的納米測(cè)量問(wèn)題,分

4、析各種測(cè)試技術(shù),提出改進(jìn)的措施或新的測(cè)試方法；二是發(fā)展建立在新概念基礎(chǔ)上的測(cè)量技術(shù)，利用微觀物理、量子物理中最新的研究成果,將其應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中,它將成為未來(lái)納米測(cè)量的發(fā)展趨向。但納米測(cè)量中也存在一些問(wèn)題限制了它的發(fā)展。建立相應(yīng)的納米測(cè)量環(huán)境一直是實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量亟待解決的問(wèn)題之一，而且在不同的測(cè)量方法中需要的納米測(cè)量環(huán)境也是不同的,目前應(yīng)該建立一個(gè)合適的納米環(huán)境,尋求新的測(cè)量原理和多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)納米材料和納米器件的研究和發(fā)展來(lái)說(shuō)，表征和檢測(cè)起著至關(guān)重要的作用。由于人們對(duì)納米材料和器件的許多基本特征、結(jié)構(gòu)和相互作用了解得還不很充分，使其在設(shè)計(jì)和制造中存在許多的盲目性，現(xiàn)有的測(cè)量表征技

5、術(shù)就存在著許多問(wèn)題。此外，由于納米材料和器件的特征長(zhǎng)度很小，測(cè)量時(shí)產(chǎn)生很大擾動(dòng)，以至產(chǎn)生的信息并不能完全代表其本身特性。這些都是限制納米測(cè)量技術(shù)通用化和應(yīng)用化的瓶頸，因此，納米尺度下的測(cè)量無(wú)論是在理論上，還是在技術(shù)和設(shè)備上都需要深入研究和發(fā)展。納米計(jì)量技術(shù)按照量程、分辨率和測(cè)量不確定度的特點(diǎn)，可以分為兩大類：一類是激光干涉儀技術(shù)，其特點(diǎn)是量程大，可達(dá)幾十米，但對(duì)小于半個(gè)光波長(zhǎng)的位移需要用電子鑒相等細(xì)分方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于電子噪聲等非線性誤差的影響，半波長(zhǎng)以內(nèi)的位移測(cè)量并不可靠；另一類是差拍干涉儀技術(shù)、射線干涉儀技術(shù)、光學(xué) 射線干涉儀技術(shù)、頻率測(cè)量技術(shù)和光頻梳技術(shù)等，他們的特點(diǎn)是量程小，一般幾微米或

6、幾十微米，但分辨率和測(cè)量不確定度高，可達(dá)亞納米甚至皮米量級(jí)。所以為達(dá)到測(cè)量范圍為100 um，分辨率達(dá)1nm，選用激光干涉技術(shù)。激光干涉儀使用激光波長(zhǎng)作為基本刻度，其位移測(cè)量結(jié)果可以直接溯源到米定義波長(zhǎng)基準(zhǔn)，目前使用的干涉儀主要包括單頻激光偏振干涉儀和雙頻激光干涉儀。單頻的是在20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的，最初用于檢定基準(zhǔn)線紋尺，后又用于在計(jì)量室中精密測(cè)長(zhǎng)。原理：從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來(lái)會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)

7、器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測(cè)量結(jié)果，因而限制了單頻干涉儀的應(yīng)用范圍，只有設(shè)法用交流測(cè)量系統(tǒng)代替直流測(cè)量系統(tǒng)才能從根本上克服單頻激光干涉儀的這一弱點(diǎn)。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間內(nèi)幾乎壟斷了世界市場(chǎng)。它是在單頻激光干涉儀的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種外差式干涉儀，和單頻激光干涉儀一樣，雙頻激光干涉儀也是一種以波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行度量的儀器。由此，此課程設(shè)計(jì)最終選定基于雙頻干涉原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。雙頻激光干涉儀是激光在計(jì)量領(lǐng)域中

8、最成功的應(yīng)用之一，是工業(yè)中最具權(quán)威的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器。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(wèn)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)能真正用于實(shí)際生產(chǎn)。雙頻激光干涉儀可以在恒溫，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。它既可以對(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。1.2.2 雙頻激光干涉技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀國(guó)外生產(chǎn)激光干涉儀的公司

9、有美國(guó)的Ag2ilent (前身為HP) 、ZYGO、英國(guó)的Renishaw 等公司。目前世界上有三種比較典型, 也是比較成熟的激光干涉儀: 美國(guó)Hew lett Packar d 公司生產(chǎn)的HP 系列雙頻激光干涉儀; 美國(guó)Zygo 公司研制的用于DSW 光刻機(jī)X、Y 工作臺(tái)直線及角位移測(cè)量的雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng); 以及英國(guó)Renishaw公司的激光校準(zhǔn)系統(tǒng)。表1-1 各激光儀參數(shù)對(duì)比序號(hào)型號(hào)激光功率/mW分辨率/nm測(cè)量精度/pm測(cè)量速度/m*s-1廠家國(guó)別1SP125150.6352.54103美國(guó)2ML1011.00.11Renishaw英國(guó)3AXIOM/201.250.011.8ZYG

10、O美國(guó)4LDDM1011.4OPTODYNE美國(guó)5HP5527B1100.10.45HP美國(guó)6HP55291100.10.7HP美國(guó)7L-1K-10A1100.10.4TSK日本8M150010.60.4SIOS德國(guó)我國(guó)于70年代開(kāi)始了激光測(cè)量系統(tǒng)的研制，1975 年由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院與陜西機(jī)械學(xué)院研制出我國(guó)第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)雙頻激光干涉儀樣機(jī)，量程為60m，測(cè)量精度為0.5 10-6，到目前為止, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華中理工大學(xué)等也相繼開(kāi)展了對(duì)激光干涉儀及相關(guān)技術(shù)的研究, 成都工具研究所已生產(chǎn)出帶有測(cè)量空氣參數(shù)裝置并進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)募す飧缮鎯x。成都工具研究所的產(chǎn)品主要為MJS系列激光干涉儀，

11、其較早MJS系列的干涉儀采用進(jìn)口激光器的熱穩(wěn)頻技術(shù)，之后最新第四代的產(chǎn)品是基于雙縱模穩(wěn)頻技術(shù)，在測(cè)速的方面均有所創(chuàng)新和改進(jìn)。 圖1-1 成都產(chǎn)品 MJS系列激光干涉儀表1-2 目前國(guó)內(nèi)外干涉儀產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)對(duì)比AgilentRenishawZYGO成都工具所激光頭單/雙頻雙頻單頻雙頻雙頻產(chǎn)生雙頻方法塞曼效應(yīng)/聲光調(diào)制塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)最大頻差（MHz）4/203.651.2最高測(cè)速（mm/s）100010005100500300數(shù)據(jù)電路板最高測(cè)速下分辨率（nm）1.241.240.311.2420最高測(cè)速下測(cè)量范圍（m）4080404020近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)測(cè)量工具也提出了更高的要

12、求。為迎合新的測(cè)量要求,雙頻激光干涉儀也相應(yīng)向高分辨率、高精度、高測(cè)速等幾個(gè)方向發(fā)展。1、高分辨率僅依靠光學(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. 1m 量級(jí),目前的干涉儀產(chǎn)品通過(guò)電子細(xì)分的方法提高測(cè)量分辨率。國(guó)外Agilent 、ZYGO 等公司的產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)2048 細(xì)分,最大分辨率達(dá)到0. 15nm。清華大學(xué)精儀系殷純永教授的研究小組研制的SJD5 型雙頻激光干涉儀可實(shí)現(xiàn)640 細(xì)分,分辨率0. 49nm。2、高精度與納微米精密測(cè)量溯源在要求納米精度的條件下,出現(xiàn)大量科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題有待解決,諸如:非線性誤差(對(duì)半個(gè)波長(zhǎng)分割的不均勻性) 、空氣折射率影響、溫度壓力效應(yīng)、環(huán)境振動(dòng)影響

13、等問(wèn)題。同時(shí)BIPM 納米工作組已將激光干涉儀、高精度位移傳感器等列入國(guó)際計(jì)劃,納米精密測(cè)量技術(shù)的溯源成為迫切需要解決的課題。制造業(yè)的發(fā)展迫切需要解決高速加工過(guò)程中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精密測(cè)量和定位,許多精密機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度已達(dá)幾m/ s ,而從精度等方面考慮,只有激光干涉技術(shù)更適合解決以上問(wèn)題。近年來(lái)我國(guó)成功地克服了塞曼雙頻激光器的頻差閉鎖現(xiàn)象,研究出國(guó)內(nèi)外計(jì)量領(lǐng)域多年期盼的中頻差(340MHz 頻差可控輸出) He2Ne 激光器 ,并獲得專利。以這種激光器作為光源的雙頻激光干涉儀將實(shí)現(xiàn)4m/ s 的測(cè)量速度,其優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量速度快,且穩(wěn)頻系統(tǒng)和信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單可以實(shí)現(xiàn)，不增加太多造價(jià)。雙頻激光干涉儀

14、向著高分辨率、高精度、高測(cè)速等方向發(fā)展,為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),其研究領(lǐng)域也在進(jìn)一步深入拓寬,我們應(yīng)該加強(qiáng)研究,爭(zhēng)取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。第 2 章：總體方案設(shè)計(jì)2.1 總體方案設(shè)計(jì)總體框圖：雙頻激光干涉光路放大電路調(diào)理電路光電檢測(cè)電路位移顯示單片機(jī)系統(tǒng)細(xì)分電路計(jì)數(shù)電路圖2-1 總體框圖2.2 雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)組成雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)主要由光路和電路兩大部分組成。第 3 章：檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) .3.1雙頻激光干涉光路部分其組成部分：主要包括全內(nèi)腔HeNe激光器、分光鏡、檢偏器、干涉鏡、光電檢測(cè)器等組成。圖3-1雙頻激光干涉光路圖雙頻激光干涉工作原理：He

15、- Ne 激光器在縱向磁場(chǎng)的作用下, 其0.633um 譜線分裂成頻率相差1.5-2.0MHz, 偏振態(tài)分別為左右旋的兩束偏振光, 經(jīng)1/ 4 波片后成為正交的線偏振光。在干涉中, 線偏振光經(jīng)偏振分光器后一個(gè)頻率的光作為測(cè)量光, 另一個(gè)作為參考光, 兩路光相干后形成拍頻信號(hào)。當(dāng)測(cè)量反射鏡移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生多普勒頻移f , 其中包含被測(cè)位移信息, 對(duì)其積分可求出被測(cè)位移量。原理如圖2 所示, D1接收的信號(hào)為f1- f2 的拍頻信號(hào), D2接收的信號(hào)為(f1-f2)f 的拍頻信號(hào), 兩路信號(hào)相減得到含有被測(cè)位移信息的多勒頻移f 。代表測(cè)量長(zhǎng)度的累積脈沖數(shù)為:雙頻頻差與外加縱向磁場(chǎng)的大小成正比, 增加外加

16、磁場(chǎng)的大小可使雙頻頻差增大。但外加磁場(chǎng)也不能無(wú)限增大, 頻率牽引作用也限制了雙頻頻差的進(jìn)一步增大。3.2電路模塊電路模塊包括硬件和軟件兩部分。硬件部分由光電接收元件、信號(hào)處理電路及單片機(jī)系統(tǒng)組成；軟件功能主要實(shí)現(xiàn)干涉條紋信號(hào)的軟件細(xì)分, 測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)處理, 以及顯示和通信功能。光電元件 放大 消直I/V轉(zhuǎn)換干涉條紋整形電路低通濾波細(xì)分電路89C51 (軟件計(jì)數(shù))顯示圖3-2 電路模塊光強(qiáng)在硅光電池上發(fā)生移動(dòng), 移動(dòng)量的大小轉(zhuǎn)化為干涉條紋的移動(dòng)量, 經(jīng)過(guò)硅光電池轉(zhuǎn)化為正弦信號(hào)的變化量。經(jīng)后續(xù)電路放大、消直后, 得到兩路相差90正弦信號(hào)。放大后的信號(hào)分成兩部分, 一部分讓相差90的兩路正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化

17、為對(duì)應(yīng)方波, 讓其中一路微分成正向和反向脈沖, 讓這兩路脈沖與兩路正弦信號(hào)的方波分別“與”, 并送給單片機(jī)的計(jì)數(shù)器, 從而實(shí)現(xiàn)辨向和條紋周期的大數(shù)計(jì)數(shù)。另一部分, 經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換, 送給單片機(jī), 實(shí)現(xiàn)小數(shù)的計(jì)算。單片機(jī)軟件根據(jù)軟件細(xì)分原理進(jìn)行大、小數(shù)的組合處理, 把結(jié)果數(shù)據(jù)儲(chǔ)存, 并在顯示器上顯示出來(lái)。3.2.1 光電轉(zhuǎn)換 光電轉(zhuǎn)換電路能采集雙頻激光干涉信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成正弦電信號(hào)。其選擇標(biāo)準(zhǔn)包括噪聲、響應(yīng)速度、光譜響應(yīng)范圍、穩(wěn)定性及工作環(huán)境等指標(biāo)。硅光電二極管的光譜響應(yīng)范圍從可見(jiàn)光到1 100 nm ,響應(yīng)時(shí)間從10 -9s 到10-8s ,響應(yīng)速度快。選用探測(cè)單元為直徑為0. 8 mm 的PIN

18、 型高速硅光電二極管S10783 ，其響應(yīng)度為0. 46A/W，暗電流為0. 01 nA ，結(jié)電容為4. 5 p F。硅光電二極管在光伏模式下工作,可實(shí)現(xiàn)非常精確的線性度,被放大的信號(hào)只與入射光強(qiáng)成正比。此時(shí)暗電流為零,探測(cè)器的噪聲主要是散粒噪聲和電阻的熱噪聲,當(dāng)待測(cè)信號(hào)是微安級(jí)的微弱電流信號(hào)時(shí),這對(duì)提高系統(tǒng)信噪比是非常有益的。3.2.2 I/V轉(zhuǎn)換電路 I/V轉(zhuǎn)換電路將A 級(jí)光電流信號(hào)變換成與后續(xù)電路匹配的電壓信號(hào)。光電信號(hào)是一種微弱的并含有高頻噪聲的信號(hào)，輸入信噪比甚低，因此需要最大限度地抑制噪聲，采用低噪聲放大器來(lái)設(shè)計(jì)電路。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，一方面要檢測(cè)的光電信號(hào)為交流的，要求前置放大電路具

19、有一定的帶寬或頻率響應(yīng)特性，另一方面要獲得最大的信噪比，而等效噪聲帶寬又與信號(hào)帶寬成正比，因此，在保證有用信號(hào)不被濾除的情況下，采用壓縮前置放大電路的通頻帶的方法來(lái)減小噪聲，提高檢測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍.綜上所述，設(shè)計(jì)的前置放大電路如下圖所示。在器件的選擇上，選用低噪聲放大器 OP27，其具有極低的噪聲，良好的直流精度特性，低失真，高增益和寬達(dá) 63MH 的增益帶寬等優(yōu)點(diǎn)，此外，為了獲得良好的低噪聲性能，電路中一般都選用金屬膜電阻器和繞線電阻器，選用損耗較小的云母電容和瓷介電容來(lái)降低噪聲，在大容量電容中，選用漏電流很小的鉭電解電容，小容量電容則選用聚丙烯或聚苯乙烯類型。 圖3-3 I/V轉(zhuǎn)換電路消直

20、電路 由于干涉條紋對(duì)比度不為1 并受到外界干擾, 從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。為此采用如下圖所示的直流電平調(diào)整電路.通過(guò)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。圖3-4 消直電路3.2.4放大電路通過(guò)MAX4488 構(gòu)成同相放大器的次級(jí)放大電路后,正弦電壓信號(hào)由前置放大電路0. 23 V 輸出提升到次級(jí)放大電路2 V 輸出,滿足濾波和整形電路信號(hào)幅值要求。圖3-5 同相放大電路低通濾波電路前級(jí)放大完成了對(duì)干涉條紋的光電轉(zhuǎn)換，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，得到了光電壓信號(hào)。盡管前級(jí)放大電路從各方面考慮以減小噪聲，但輸出信號(hào)中的

21、噪聲成分仍然很大，有用信號(hào)易被噪聲覆蓋，如果直接轉(zhuǎn)換為方波，信號(hào)邊沿并不穩(wěn)定，因此，一般情況下考慮在整形電路前再加上濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)一步濾波，然后再進(jìn)行整形。由于激勵(lì)光被調(diào)制為一個(gè)固定的頻率，產(chǎn)生的光的頻率跟激勵(lì)光具有相同的低頻，因此應(yīng)選擇一個(gè)低通濾波器，中心頻率跟調(diào)制頻率一致，才可以方便地清除噪聲信號(hào)。Butterworth 低通濾波器在= 0 及其附近的通帶具有最平坦的幅頻響應(yīng),且隨著階數(shù)n 的增加,其頻率響應(yīng)特性越接近理想的低通濾波特性 。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)帶寬內(nèi)電壓幅頻響應(yīng)平坦及阻帶衰減的濾波器設(shè)計(jì)要求,選用2 階Butterworth 低通濾波器,采用一級(jí)運(yùn)算放大器MAX4488 、兩節(jié)RC

22、 濾波網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波電路實(shí)現(xiàn),根據(jù)動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)激光干涉信號(hào)頻率的要求,濾波器截止頻率f c = 530 kHz ,通帶增益K0= - 1 。其電路如圖 所示。圖 3-6 低通濾波器3.2.6整形電路經(jīng)過(guò)前置放大器對(duì)干涉條紋信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換及放大，濾波電路對(duì)信號(hào)噪聲的及濾除，理論上條紋移動(dòng)時(shí)就可以得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，但是由于電路器件響應(yīng)非理想等各種原因，導(dǎo)致電路濾波效果不太好，出來(lái)的光電壓信號(hào)為近似正弦的信號(hào)，仍含有少量的噪聲成分，信號(hào)的幅值和零點(diǎn)在某些地方仍發(fā)生抖動(dòng)，如果直接采用常規(guī)的比較器整形為方波，當(dāng)信號(hào)在設(shè)定的比較電壓值附近抖動(dòng)時(shí)，并且這種抖動(dòng)是無(wú)規(guī)律的，就會(huì)使得輸出的方波信號(hào)也

23、隨之產(chǎn)生抖動(dòng)，造成后續(xù)電路的誤處理。因此本課題這里采用555施密特觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器具有l(wèi)/3Vcc的回差電壓，其克服了輸入信號(hào)在設(shè)定電壓值附近抖動(dòng)的問(wèn)題，消除噪聲電平對(duì)信號(hào)整形為方波的影響，減小了對(duì)正弦波形質(zhì)量的要求。圖3-7 555施密特觸發(fā)器3.2.7細(xì)分電路細(xì)分電路主要完成對(duì)對(duì)信號(hào)的細(xì)分的功能，是系統(tǒng)檢測(cè)的必不可少的一部分，對(duì)信號(hào)的細(xì)分則直接影響系統(tǒng)的分辨力。本測(cè)量系統(tǒng),由于其基準(zhǔn)長(zhǎng)度為光波的波長(zhǎng)=0.6328m，若不進(jìn)行細(xì)分處理時(shí)，其測(cè)量分辨力只能達(dá)到/2=0.32m。為了提高該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量分辨力，在電路中加入了細(xì)分塊，將輸入的兩路信號(hào)進(jìn)行倍頻處理。當(dāng)倍頻數(shù)為m時(shí)，其分辨力將提高

24、到原來(lái)的m倍。本模塊將實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)2，4，8，16倍頻，從而實(shí)現(xiàn)0.16m，0.08m，0.04m，0.02m四種脈沖當(dāng)量。當(dāng)NE564壓腔振蕩器進(jìn)行不同倍數(shù)的倍頻，要改變外圍模擬電路的配置，故本設(shè)計(jì)先將輸入信號(hào)進(jìn)行倍頻處理,然后通過(guò)單片機(jī)控制分頻，從而實(shí)現(xiàn)程控倍頻。鑒相器是使輸出電壓與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差有確定關(guān)系的電路，它是鎖相環(huán)PLL的基本部件之一，鑒相器可以分為模擬鑒相器和數(shù)字鑒相器兩種。鑒相器的輸出信號(hào)包含很多的諧波分量，當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí)，這些分量的第一項(xiàng)為“直流”分量，其它頻率的分量為不需要的信號(hào)，而且在鎖相倍頻電路的信號(hào)傳遞中，也會(huì)有高頻噪聲對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，這些較高頻

25、率的分量也是不需要的信號(hào)，所以要用低通濾波器將其濾除。壓控振蕩器是輸出頻率與輸入電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系的振蕩電路VCO，在自動(dòng)頻率控制環(huán)路和鎖相環(huán)環(huán)路中，輸入控制電壓是誤差信號(hào)電壓，壓控振蕩器是環(huán)路中的一個(gè)受控部件。壓控振動(dòng)器VCO低通濾波器LF鑒相器PDM分頻圖3-8 鎖相倍頻電路結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)分辨率要求為1nm，激光波長(zhǎng)為632.8nm，光路已實(shí)現(xiàn)了2細(xì)分，故鎖相倍頻數(shù)應(yīng)設(shè)置為316，即m=316。圖3-9鎖相倍頻細(xì)分電路3.2.8計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)累加功能的技術(shù)的方法較多，常用的可分為軟件方法和硬件方法兩種：使用硬件計(jì)數(shù)，在執(zhí)行速度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)軟件計(jì)數(shù)方式，但硬件電路復(fù)雜，成本較高。使用軟件計(jì)數(shù)，外圍電

26、路比較簡(jiǎn)單，在計(jì)數(shù)頻率不高的情況下，具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可靠性也不如硬件電路。因此，本課題采用AT89S51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，不僅連接電路較簡(jiǎn)單，而且能達(dá)到較高的計(jì)數(shù)速度。本課題采用中斷計(jì)數(shù)的方式，如下圖所示，取計(jì)數(shù)脈沖接到中斷 INIT0、INIT1端，采用下降沿觸發(fā)方式，當(dāng)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的下降沿過(guò)來(lái)時(shí)即發(fā)生一個(gè)中斷，設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)變量 R，產(chǎn)生中斷后R計(jì)數(shù)值減 1，完成運(yùn)算后恢復(fù)中斷，繼續(xù)等待下一個(gè)下降沿的輸入，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。圖3-10 單片機(jī)的軟件計(jì)數(shù)中斷接口為了保證計(jì)數(shù)值不會(huì)溢出，采用一個(gè)字節(jié)兩個(gè) 8 位寄存器存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值，一個(gè)存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值低位數(shù)據(jù)，另一個(gè)存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值高位數(shù)據(jù)

27、，對(duì)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)的計(jì)數(shù)范圍為065536，并設(shè)定計(jì)數(shù)初始值不為 0，防止做減計(jì)算時(shí)出現(xiàn)負(fù)數(shù)而不便于輸出顯示。這樣，計(jì)數(shù)值在每次計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，就會(huì)根據(jù)判向信號(hào)電平高低計(jì)算刷新計(jì)數(shù)結(jié)果，為了控制數(shù)據(jù)發(fā)送頻率，通過(guò)發(fā)送延時(shí)程序，每隔 100ms 發(fā)送一次計(jì)數(shù)值。同時(shí)，為了便于控制計(jì)數(shù)的開(kāi)始與停止時(shí)刻，在 P1.3 端口接入一按鍵開(kāi)關(guān)。3.2.9 顯示電路如圖所示，本系統(tǒng)采用共陰極7段數(shù)碼管，以到達(dá)納米級(jí)位移大小的位移顯示。通過(guò)鎖存器輸出實(shí)現(xiàn)7片數(shù)碼管的位選，端口地址分配如表3。圖3-11 顯示電路3.3 軟件模塊開(kāi)始 入口重新賦初值設(shè)T0為模式1開(kāi)中斷（P0）R1（P2）R2啟動(dòng)T0返回等待中斷圖3-

28、12 程序流程圖ORG 0000HLJMP MAIN ORG 0000BH AJMP SERVE1ORG 0001BH AJMP SERVE2ORG 0030HMAIN: MOVE TMOD,#11H MOV TL0,#81HMOV TH0,#CFH SETB TR0SETB ET0MOV TL1,#81HMOV TH1,#CFH SETB TR1SETB ET1SETB EA SJMP $中斷程序：ORG 000BHSERVE1: MOV TL0,#81HMOV TH0,#CFHMOV R1, P0 MOV R2, P2RET1ENDORG 001BHSERVE2: MOV TL1,#81H

29、MOV TH1,#CFHMOV R3, P0 MOV R4, P2RET1END運(yùn)算程序：ORG 2000HSTART: MOVE A, 0.0000011BMOV B, R2MUL ABMOV R5,AMOV R6,BMOV A,R2MOV B,R1MUL ABADD A, R6MOV A,BADDC A,#00HMOV R7,AEND整數(shù)部分二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制：IBTD: CLR AMOV R1,AMOV R2,AMOV R3,AMOV R7,#8LOOP:CLR CMOV A, R6RLC AMOV A,R3ADDC A,R3DA AMOV R3AMOV A,R2ADDC A,R2DA AM

30、OV R2AMOV A,R1ADDC A,R1DA AMOV R1AMOV 50H,R1MOV 51H,R2MOV 52H,R3DJNZ R7,LOOPEND小數(shù)轉(zhuǎn)換：DBTD: MOV R0,53HMOV R1,#3LOOP: MOV A,R3MOV B,#10MUL ABADD A,BMOV R0 AINC R0DJZN R1,LOOPEND顯示程序及流程圖：DIS: MOVE R0,#50H 顯示緩沖區(qū)址MOV R2,#01H 位控字，先點(diǎn)亮最低位（右邊）MOV A,R2MOV DPTR,#TAB 字型表頭地址DPTRLP0: MOV P1,AMOV A,R0 取顯示的數(shù)據(jù)MOVC A,

31、A+DPTRMOV P0,A 送出顯示ACALL DISMDEC R0MOV A,R2JB ACC.5,LP1 判斷是否掃描到最左邊的顯示器了RL AMOV R2,AAJMP LP0LP1：RETTAB: DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H,6DH, 7DH, 07H, 7FH, 6FHDIMS: MOV R7,#02HDL:MOV R6, #0FFHDL1:DJNZ R6,DL1DJNZ R7,DLRET圖 3-13 顯示流程圖第 4章 系統(tǒng)電路總圖圖4-1 系統(tǒng)電路總圖第 5章 總結(jié)與展望課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重

32、要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，激光測(cè)量已經(jīng)成為當(dāng)今納米應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域，在現(xiàn)代生活中可以說(shuō)得是應(yīng)用廣泛。因此作為測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)來(lái)說(shuō)掌握激光干涉納米位移測(cè)量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是十分重要的。利用氦氖激光器并根據(jù)雙頻干涉儀的原理，設(shè)計(jì)了雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到測(cè)量納米級(jí)位移的目的。該系統(tǒng)先進(jìn)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(guò)程，最終轉(zhuǎn)換為對(duì)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，這是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)依據(jù)和關(guān)鍵。但是激光干涉測(cè)量精度受到多種因素影響。其測(cè)量誤差來(lái)源主要有：系統(tǒng)誤差，指受到系統(tǒng)客觀條件的限制，測(cè)量系統(tǒng)所存在的不可消除的誤差；阿貝誤差，在測(cè)量系統(tǒng)安裝過(guò)程

33、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(guò)程中被測(cè)對(duì)象多自由度運(yùn)動(dòng)等形成的誤差；環(huán)境誤差，激光儀工作過(guò)程中，環(huán)境的改變會(huì)導(dǎo)致測(cè)控誤差。 因?yàn)闂l件的限制，次設(shè)計(jì)無(wú)法進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，固只在理論上設(shè)計(jì)了雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。其基本原理是激光源產(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f11和f21。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-f2f，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

34、號(hào)處理以達(dá)到系統(tǒng)要求。 此次課程設(shè)計(jì)包括文獻(xiàn)檢索、文獻(xiàn)閱讀，方案構(gòu)思、確定，測(cè)量方法設(shè)計(jì)、控制方法設(shè)計(jì)，測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，繪制原理圖，撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告?；仡櫰鸫舜握n程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，在整整四周的日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，尤其是在單片機(jī)，protel等方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了較多的問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)認(rèn)真查閱書(shū)本、資料思考，終于掌握了相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用和軟件的操作，者說(shuō)明了我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足，明白了之前學(xué)習(xí)中的很多盲點(diǎn)。但是經(jīng)過(guò)這次實(shí)際我學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。所以針對(duì)設(shè)計(jì)中遇

35、到的問(wèn)題，我作以下總結(jié)，這可以作為以后學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。首先通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，提高自己獨(dú)立思考的能力。其次，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，但是這讓我明白了苦盡甘來(lái)的道理，凡事都不可能一次性成功，只有持之以恒，才能嘗到最后勝利的果實(shí)。最后，我需要鍛煉分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。從原理分析到系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要學(xué)會(huì)分析所實(shí)現(xiàn)的功能，將實(shí)際的問(wèn)題抽象概括化，找出各步驟之間的聯(lián)系，而分析問(wèn)題以及分析后如何取解決問(wèn)題是整個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵，需要謹(jǐn)慎的思維和考慮問(wèn)題的全面性。這次課程設(shè)計(jì)

36、終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多各種各樣的問(wèn)題，最后在老師和同學(xué)的指導(dǎo)幫助下，終于游逆而解。由此，對(duì)給過(guò)我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！參考文獻(xiàn)1李東光，張國(guó)雄高.速精密激光干涉測(cè)量的研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù). 天津大學(xué)，19982趙育良, 張忠民. 基于CCD 激光干涉微位移測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度分析J. 海軍航空工程學(xué)院，2002，07:35-373胡長(zhǎng)德, 陸加海, 幸褀 , 高娟. 基于激光干涉的長(zhǎng)導(dǎo)軌直線度誤差測(cè)量J. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院士官系，2008，12：10-154金鋒,盧楊,王文松,張玉平. 光柵四倍頻細(xì)分電路模塊的分析與設(shè)計(jì)J. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,12:1

37、073-1076.5金鋒,盧楊,王文松,張玉平. 光柵四倍頻細(xì)分電路模塊的分析與設(shè)計(jì)J. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,12:1073-1076.6張志文,曾志兵,羅隆福,王偉,郭斌,王承林. 基于新型全數(shù)字鎖相環(huán)的同步倍頻技術(shù)J. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,02:123-126+130.7陳一新. 鎖相倍頻器的1金鋒,盧楊,王文松,張玉平. 光柵四倍頻細(xì)分電路模塊的分析與設(shè)計(jì)J. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,12:1073-1076.8齊永岳,趙美蓉,林玉池. 納米測(cè)量系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望J. 儀器儀表學(xué)報(bào),2003,S1:91-94.9劉俊豐,同向前. 單片數(shù)字鎖相倍頻電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.

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39、6,12:1073-1076.16張志平,程兆谷,覃兆宇,朱健強(qiáng). 加速度對(duì)激光雙頻干涉儀測(cè)量誤差的影響J. 中國(guó)激光,2007,05:694-698.17齊永岳,趙美蓉,林玉池. 納米測(cè)量系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望J. 儀器儀表學(xué)報(bào),2003,S1:91-94.18劉俊豐,同向前. 單片數(shù)字鎖相倍頻電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 微計(jì)算機(jī)信息,2005,13:153-154.19郝媚美,鄭應(yīng)文. 一種實(shí)用的利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)的倍頻電路J. 福建電腦,2003,09:22-25.20余水寶. 智能數(shù)字鎖相倍頻技術(shù)研究J. 浙江師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,01:21-24.21張志文,曾志兵,羅隆福,王偉

40、,郭斌,王承林. 基于新型全數(shù)字鎖相環(huán)的同步倍頻技術(shù)22. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,02:123-126+130.23李廣云,樊鋼,李宗春. 雙頻激光干涉儀在測(cè)距儀精度自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用J. 解放軍測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào),1999,03:7-10.24戴高良,晃志霞,殷純永,徐毅,許捷. 納米精度雙頻激光干涉儀非線性誤差的確定方法J. 中國(guó)激光,1999,11:987-992.25陳一新. 鎖相倍頻器的相位抖動(dòng)及其抑制措施J. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002,06:81-84.26高賽,殷純永. 高測(cè)速雙頻激光干涉儀J. 光學(xué)技術(shù),2001,03:238-239+246.27齊永岳,趙美蓉,林玉池. 納米測(cè)量系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望A. 中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì).中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第五屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集C.中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì):,2003:4.28王淑珍. 基于白光干涉超精密表面形貌測(cè)量方法與系統(tǒng)研究D.華中科技大學(xué),2010.29張輝. 微納米測(cè)量環(huán)境控制機(jī)理及系統(tǒng)研究D.合肥工業(yè)大學(xué),2009.30康巖輝. 雙縱模雙頻激光干涉儀信