干涉條紋可逆計(jì)數(shù)儀

1、干涉條紋可逆計(jì)數(shù)儀（interference fringe counter）呂少華 李拓 姜寧（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)室）摘要：設(shè)計(jì)了一種新的干涉條紋可逆計(jì)數(shù)儀，分析了對(duì)計(jì)數(shù)進(jìn)行干擾的幾種因素及排除的方法。該設(shè)計(jì)應(yīng)用光電變換原理，把由氦氖激光器或鈉光燈所發(fā)出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚?，把干涉條紋變化的數(shù)量用計(jì)數(shù)器記錄并顯示出來(lái)，比常規(guī)的干涉條紋計(jì)數(shù)手段更加自動(dòng)化，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確直觀。關(guān)鍵詞：邁克爾遜干涉儀；光電轉(zhuǎn)換；可逆計(jì)數(shù)器；抗干擾Abstract: A new interference fringe counter on the basis of photo electri

2、c principles which converts optical signals emitted by helium-neon laseror or sodium-light lamp into electrical ones is introduced.After data processing and caculating,number of interference fringes is displayed by the counter.This meter is automatic and the data paocessed are more precise than thos

3、e of the existing interference fringe counter.Keywords: Michaelson interferometer；Photo electric effect；Reversible counter； Anti-interference引言基于邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)中用人眼觀察干涉條紋的不便性和不同實(shí)驗(yàn)人對(duì)同一次實(shí)驗(yàn)或者同一實(shí)驗(yàn)人對(duì)幾次實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果不同，并且在觀察過(guò)程中出現(xiàn)的由于抖動(dòng)而產(chǎn)生的對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響等問(wèn)題，我們?cè)O(shè)想通過(guò)運(yùn)用學(xué)習(xí)過(guò)的模擬電路和數(shù)字電路知識(shí)，設(shè)計(jì)制作一種儀器來(lái)完成條紋的計(jì)數(shù)工作，由此提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和說(shuō)服力。并且我們?cè)O(shè)計(jì)的該干

4、涉條紋可逆計(jì)數(shù)儀更可以配合測(cè)量?jī)x器應(yīng)用到其他許多領(lǐng)域，比如通過(guò)對(duì)微小位移或者微小形變來(lái)達(dá)到工作所需要的精度等等。此外，該儀器的制作成本相對(duì)比較低，能為廣大的高校、研究機(jī)構(gòu)所接受，操作簡(jiǎn)便。1工作原理：1.1光信號(hào)接收電路該電路主要由三個(gè)光電三極管組成，這三個(gè)光電三極管在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中相當(dāng)于可逆計(jì)數(shù)儀的“眼睛”，用來(lái)接收邁克爾遜干涉儀輸出的條紋信號(hào)，并且將信號(hào)輸入到下一級(jí)處理單元。而且條紋的辨向也與三個(gè)光電三極管的分布位置相關(guān)。其中一個(gè)三極管接收到的環(huán)境光強(qiáng)作為比較基準(zhǔn)，另外兩個(gè)三極管接收到的光強(qiáng)即可與其進(jìn)行比較而達(dá)到辨向的目的。圖1 光信號(hào)接收電路12光信號(hào)輸入電路該電路即將前一級(jí)電路傳遞過(guò)來(lái)的信

5、息通過(guò)ST288A集成電路進(jìn)行處理。此芯片的使用即是該可逆計(jì)數(shù)器的亮點(diǎn)之處也是核心之處。其引腳功能如圖（2）所示。它具有多種功能，它的雙向脈沖輸出功能，完成了方向的辨別處理，將原來(lái)的信號(hào)賦予了“方向”，由正反方向脈沖輸出到計(jì)數(shù)器電路完成數(shù)字信號(hào)的累加，并且該芯片具有內(nèi)部整形電路和數(shù)字濾波功能，結(jié)合三個(gè)光電三極管的分布去除了抖動(dòng)誤差。該集成電路還利用差分放大電路消除了背景光的影響。整體電路如圖（3）所示。 圖（2）ST288A引腳功能 圖3 光信號(hào)輸入與處理電路濾波整形部分將原來(lái)的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成矩形脈沖信號(hào)如圖（4）所示，即0與1兩種數(shù)字信號(hào)輸入到計(jì)數(shù)器芯片，完成計(jì)數(shù)。 圖4 濾波整形1.3計(jì)數(shù)

6、電路計(jì)數(shù)電路我們采用了ICM7217A/C集成電路，此芯片的COUNT與ST288A的輸出相連接完成數(shù)字信號(hào)的傳遞。1.3.1可逆計(jì)數(shù)器的性能特點(diǎn)： 我們采用了一個(gè)4位十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，一般計(jì)數(shù)時(shí)可完成加法或減法計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)頻率范圍是DC2MHz。它具有集成度高、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣、外圍電路簡(jiǎn)單、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。（1）當(dāng)計(jì)數(shù)器呈全零狀態(tài)時(shí)能輸出全零信號(hào)。（2）利用芯片內(nèi)部的多路掃描振蕩器產(chǎn)生位選通信號(hào)，通過(guò)對(duì)4位共陰極LED顯示器進(jìn)行多路驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描顯示。它還具有無(wú)效零自動(dòng)消隱及強(qiáng)迫顯示器消隱的功能。（3）具有多路BCD碼及位選通信號(hào)輸出，便于配計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或打印結(jié)果。（4）靜態(tài)功耗極

7、低，顯示器消隱時(shí)芯片總功耗小于5mW，正常顯示時(shí)總功耗約0.5W。采用5V單電源供電，環(huán)境溫度范圍是2085。1.3.2可逆計(jì)數(shù)器的工作原理： 可逆計(jì)數(shù)器工作原理如圖（5）所示， C/B為進(jìn)位借位輸出端，做加法計(jì)數(shù)且從9999變成0000（萬(wàn)位上的1溢出）時(shí)，輸出一個(gè)進(jìn)位信號(hào)（正脈沖）；做減法計(jì)數(shù)由0000變成9999（相當(dāng)于從萬(wàn)位上借一頂萬(wàn)，再?gòu)膫€(gè)位減1）時(shí)，輸出正脈沖借位信號(hào)。計(jì)數(shù)時(shí)輸出BCD碼，COUNT1為計(jì)數(shù)輸入端，靠下降沿計(jì)數(shù), 計(jì)數(shù)脈沖幅度應(yīng)大于2.5V。U/D為加/減記數(shù)控制端，當(dāng)U/D=1時(shí)做加法計(jì)算，U/D=0時(shí)做減法計(jì)算。LR是寄存器置數(shù)控制端，將LR懸空時(shí)做一般計(jì)數(shù)，當(dāng)

8、LR加正脈沖時(shí)預(yù)置寄存器，然后令LR端懸空，計(jì)數(shù)器做加法。當(dāng)LR0時(shí)強(qiáng)迫顯示器消隱。 圖5可逆計(jì)數(shù)器工作原理如圖LC是計(jì)數(shù)器控制端，LC懸空時(shí)做一般計(jì)數(shù)，令計(jì)數(shù)器做減法，減至零時(shí)，輸出全零信號(hào)。SCAN是掃描輸入端，此端可以懸空，亦可對(duì)地接一只電容C。振蕩頻率f0經(jīng)過(guò)4分頻后得到位掃描頻率f1，f1與C的關(guān)系見(jiàn)表，若采用外掃描方式，掃描信號(hào)應(yīng)加至SCAN端。f1與C的關(guān)系（表1）：SCAN端外接電容CpF振蕩頻率標(biāo)稱值f0Hz位掃描頻率f1Hz位掃描周期T1ms懸    空25006251.62012503123.2906001508 表1 f1與C的關(guān)系D1D4

9、是位選通信號(hào)輸出端，分別接4只LED數(shù)碼管的公共陰極，低電平有效；位掃描順序是D4（最高位MSB）D3D2D1（最低位LSB）。由于掃描到不同位時(shí)所輸出的數(shù)據(jù)可以不同，因此在相鄰的位掃描信號(hào)之間需留出10s的位間消隱時(shí)間，以等待數(shù)據(jù)線的輸出能穩(wěn)定下來(lái)。2干擾因素的處理：在實(shí)驗(yàn)中還有一個(gè)影響較大的問(wèn)題就是干擾因素，干擾因素進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)中可以是讀數(shù)不準(zhǔn)確，甚至可能使我們所制作的實(shí)驗(yàn)儀器完全失去它應(yīng)有的作用。我們考慮到的干擾因素如下：21 環(huán)境中的非穩(wěn)定光源的影響：首先邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)必須在暗室中進(jìn)行，但是不可避免的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有可能會(huì)因?yàn)殚_(kāi)門和等光的緣故導(dǎo)致光電三級(jí)管接收信號(hào)的不準(zhǔn)確性，光強(qiáng)低于光電三

10、極管靈敏度的光可以忽略不計(jì)，但是我們必須有效的控制光強(qiáng)高于三極管靈敏度的光線進(jìn)入光電三極管通過(guò)與老師交流，我們知道光電三極管是一個(gè)可以接收周圍所有光信號(hào)的光敏感元件，所以我們可以在光電管上制作簡(jiǎn)易的光電門，來(lái)限制光電三極管的敏感區(qū)域，比如一個(gè)外殼，在外殼上刻上一條透光縫，此處透光縫的寬度是有限制的，必須是條紋寬度的量級(jí)，最好是條紋的寬度一樣寬，使光電三極管單向接收光信號(hào)，而不導(dǎo)致接收的光信號(hào)紊亂而失去方向辨別的能力。 22 由于干涉條紋自身特點(diǎn)產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素而形成的干擾：條紋的亮暗程度不是躍變的，而是一個(gè)緩慢的變化過(guò)程，由亮到暗，有個(gè)漸變的過(guò)程, 也就是有個(gè)過(guò)渡階段。光電三極管能接收光信號(hào)但

11、是沒(méi)有識(shí)別能力。而數(shù)字化的計(jì)數(shù)電路要求輸入量是“0” 或“1”即要求條紋的變化要么亮要么暗，對(duì)于亮與暗中間的過(guò)渡狀態(tài)不能識(shí)別。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光敏管對(duì)準(zhǔn)明條紋和暗條紋之間的位置時(shí)，計(jì)數(shù)電路會(huì)迅速變化，因?yàn)檫@部分恰好處在計(jì)數(shù)電路的閾值附近, 稍有微小的噪聲干擾信號(hào)，就會(huì)使電路狀態(tài)不穩(wěn)定而使計(jì)數(shù)狀態(tài)不準(zhǔn)。 我們通過(guò)參考資料發(fā)現(xiàn)可以使用施密特電路來(lái)解決該問(wèn)題，因?yàn)樵撾娐房梢园丫徛兓男盘?hào)輸出為矩形波，其原理是輸入信號(hào)由低向高變化時(shí), 若其電壓值超過(guò)正向閾值電壓, 輸出即升為高電平, 只有輸入電壓降到低于負(fù)向閾值電壓時(shí), 輸出才變?yōu)榈碗娖? 使輸入由高低之間的緩慢變化過(guò)程變成輸出只有高和低, 即只有

12、“0” 態(tài)和“1” 態(tài)，這樣可以很好的解決上述干擾。23 電源的50Hz工頻干擾由于交流電源本身的頻率為50Hz而光電轉(zhuǎn)換器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，且自身濾波電路中會(huì)產(chǎn)生耦合頻率，這就電源使用中產(chǎn)生的電磁波會(huì)對(duì)濾波電路產(chǎn)生影響，所以我們要加入一個(gè)50Hz的陷波電路來(lái)排除干擾3 應(yīng)用舉例 由于該儀器中造成條紋變動(dòng)的因素來(lái)自三個(gè)方面：一是光路中媒質(zhì)或元件折射率n的變化，二是裝置結(jié)構(gòu)的變化，三是光源的移動(dòng)d。所以我們可以通過(guò)用其他物理量轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨先c(diǎn)中的量的變化來(lái)精密測(cè)得。 以下是邁克爾遜干涉儀測(cè)量的結(jié)果：N=100次數(shù)d1/mmd2/mmd1-d2/mm1/nm2/nm/nm127.0629027

13、.096440.03354670.8661.4661.08227.1036327.137710.03408681.6661.7327.1390927.172380.03329665.8661.1427.1740027.206750.03275655.0660.9527.1080027.239800.03180636.0660.3 表2 測(cè)量結(jié)果此外，比如在工業(yè)中經(jīng)常使用的精密加工中對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控；利用物體的熱漲冷縮來(lái)測(cè)量溫度或熱膨脹系數(shù)；利用光程差的變化來(lái)測(cè)量某種氣體的折射率以及據(jù)此設(shè)計(jì)出的由于現(xiàn)在小型煤礦中多次發(fā)生爆炸而要大量使用的瓦斯報(bào)警器；還有測(cè)量水壩用的水壩位移量測(cè)繪器，該儀器還可以測(cè)量大橋橫向穩(wěn)定程度等等。所以利用此原理制作的儀器有著很廣泛的應(yīng)用。結(jié)束語(yǔ) 目前，由于CMOS集成電路具有靈敏度高，工作電壓范圍大等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛和成熟的各種計(jì)數(shù)器都是利用CMOS集成電路制成的?？赡鏃l紋計(jì)數(shù)儀也是以CMOS集成電路為基本組成部分，將信號(hào)進(jìn)行差分處理后計(jì)數(shù)。此計(jì)數(shù)儀具有抗干擾強(qiáng)、集成度高、應(yīng)用范圍廣、外圍電路簡(jiǎn)單、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：1 邱