Магистерская_Аникеев (Автокорреляционный метод приема ультракоротких импульсов), страница 7

Плата управления и обработки данныхВ основе платы управления используется микроконтроллер AVR ATmega32компании Atmel. Принципиальная электрическая схема платы управленияпредставлена в Приложении Б.Контроллер ATmega32 (DD2) имеет встроенный 10-битный аналоговоцифровой преобразователь, который используется для оцифровки сигнала, поступающего с фотоприемного модуля. При необходимости входной сигналможно ослабить, используя аттенюатор с регулируемым коэффициентом ослабления. Аттенюатор представляет собой микросхему аналоговых ключей DA1.46Она позволяет программно изменять сопротивление делителя напряжения, образованного резисторами R4-R11, и соответственно, ослаблять сигнал с фотоприемного модуля максимум в 8 раз.Контроллер AVR ATmega 32 поддерживает режим внутрисхемного программирования, что ускоряет процесс разработки и отладки устройств с этимконтроллером [24].

Частота микроконтроллера задается кварцевым резонатором QZ1, имеющим частоту 16 МГц. На плате реализовано разделение на «аналоговую» и «цифровую» часть.Для связи платы управления с персональным компьютером применяетсяинтерфейс USB, реализуемый микросхемой FT232RL (DD1).

Эта микросхемапозволяет создать мост USB – UART, поддерживает интерфейс USB 2.0 и имеетвстроенную память с возможностью программирования [25].Для генерации аналогового сигнала применяется внешняя микросхема ЦАПDAC8551 [26]. Цифро-аналоговый преобразователь DA3 подключается к микроконтроллеру через интерфейс SPI. Из-за того, что цифро-аналоговый преобразователь генерирует униполярный сигнал, а для динамика требуется биполярный, применяется стандартная схема с использованием операционного усилителя OP213FSZ (DA4).Цифро-аналоговый преобразователь генерирует пилообразный сигнал с периодом 75 с, который подается на усилитель динамика. Для получения требуемого напряжения на выходе ЦАП необходимо передать ему двоичный код, состоящий из 16 символов, где все единицы соответствуют напряжению 5 В, а всенули – напряжению 0 В.Для питания ЦАП и операционного усилителя используется микросхема источника опорного напряжения DA2.Для удобства ручной настройки уровня мембраны динамика в конструкциюблока управления был добавлен программируемый энкодер, подключаемый кплате управления.

При этом шаг смещения мембраны также задается программным путем.47Перечень элементов приведен в Таблице 1 Приложения В. Топология печатной платы приведена на рисунке 5.7.Рисунок 5.7 – Топологии печатной платы управления и обработки данных5.2.2. Программа для микроконтроллераДля работы микроконтроллера платы управления и обработки данных былнаписан программный код [27], приведенный в Приложении Г. Программамикроконтроллера состоит из главной функции, а также четырех функций, вызываемых с компьютера с помощью синхронного приемо-передающего интерфейса USART.

Главная функция инициализирует команды интерфейсовUSART, SPI, используемых таймеров Т1 и Т2, аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователя, а также запускает функцию установления динамика в среднее положение (set_zero). Блок-схема главной функции изображенана рисунке 5.8.48Рисунок 5.8 – Блок-схема главной функции main и вложенной set_zeroВ программный код введены следующие функции, необходимые длянастройки автокорреляционного приемника, а также снятия результатов: функция установки ручного режима HANDMODE, в котором возможно регулирование уровня динамика инкрементальным энкодером.Также данный режим запускает работу аналого-цифрового преобразователя для оценки уровня интенсивности падающего на фотодиод излучения; функция установки шага энкодера FACTOR; функция установления коэффициента ослабления аттенюатора ATTEN; функция возвращения динамика в исходное среднее положениеZERO.49Блок-схемы выше описанных функций изображены на следующих рисунках: функция HANDMODE – рисунок 5.9, функция ATTEN – рисунок 5.10,функции ZERO и FACTOR – на рисунке 5.11.Рисунок 5.9 – Блок-схема функции HANDMODE50Рисунок 5.10 – Блок-схема функции ATTENРисунок 5.11 – Блок-схемы функций FACTOR и ZERO515.2.3.

Усилитель динамикаТак как для управления динамиком необходим более мощный сигнал, чемгенерируемый цифро-аналоговым преобразователем, применяется усилительдинамика. Его основная задача – усиление сигнала от ЦАП и согласованиенагрузки динамика. Усилитель динамика сконструирован на базе микросхемыусилителя LM1875 [28]. LM1875 – усилитель мощности, обладающий малымиискажениями и подходящими под поставленную задачу характеристиками.Усилитель спроектирован так, чтобы использовать как можно меньшее количество внешних компонентов.

Усилитель также имеет защиту от перегрузок –внутреннее ограничение по току и температурное отключение питания. В схемеусилителя используются передовые цепи для обеспечения низких уровней искажений даже при больших уровнях выходной мощности. Усилитель имеет высокий коэффициент усиления, высокую скорость нарастания сигнала, широкийдиапазон полной мощности, большой размах напряжения, широкий диапазондопустимой нагрузки по току и напряжению питания. Основные характеристики усилителя LM1875 приведены в Таблице 5.2. Для микросхемы используетсястандартная схема включения, описанная в технической документации. Перечень элементов электрической принципиальной схемы приведен в Таблице 2Приложения В.

На рисунках 5.12 и 5.13 показаны электрическая схема и топология печатной платы соответственно.52GND VinC1R1C2R2+12VDA1GND51-12V2C3C4VCCVEER4 R5VoutGND43C5R3Рисунок 5.12 – Схема электрическая принципиальная усилителя динамика.Рисунок 5.13 – Топология печатной платы усилителя динамика.53Таблица 5.2 – Основные характеристики усилителя LM 1875ПараметрЗначениеМаксимальная выходная мощность, Втдо 30Кратковременная пиковая выходнаядо 90мощность, ВтДиапазон эффективно усиливаемых ча-15...70 000 Гцстот, ГцКоэффициент нелинейных искажений, %0,07 (35 Вт; 4 Ом; 1 кГц)Допустимая нагрузка по току, А4Диапазон напряжения питания, В16-605.2.4.

Фотоприемный модульФотоприемный модуль состоит из фотодиода и усилителя фотодиода. Схема фотоприемного модуля показана на рисунке 5.14. В основе усилителя лежитмикросхема операционного усилителя LM358 (DA3) [29].DA1+12+12C3-C5-12VINC1VOUT2C23GNDDA311J112+12V2-12VDA2-123C6-C83DATAVIN4VOUT24OUT AVCCNIN AOUT BIN AIN BVDDNIN B56FD1783GNDGNDC91R1Рисунок 5.14 – Схема электрическая принципиальная фотоприемного модуляМикросхемы DA1 и DA2 используются для преобразования напряжения с12 В до 5 В. Необходимость в понижении напряжения связана с тем, что используемый блок питания имеет на выходе напряжение только 12 В и минус5412 В, тогда как все современные электронные компоненты требуют для своейработы напряжения питания 5 В [30,31].Резистор R1 и конденсатор C9 определяют напряжение усиленного сигналас фотодиода и фильтрацию этого сигнала по частоте соответственно.

Они рассчитывалисьисходяизследующихтребований:ф = 150 кГц, изл =50 мВт, = 12 мА, вых = 5 В. Расчет производился по следующим формулам:вых = ∙ , = ∙ изл ,ф =1∙,(33)(34)(35)В результате расчетов получились следующие значения: R1=16 кОм,C7=0,5 нФ. Конденсаторы С1-С8 используются для фильтрации напряженияпитания. Топология печатной платы и фотография изготовленного фотоприемного модуля показаны на рисунке 5.15.

Перечень элементов печатной платыприведен в Таблице 3 Приложения В.55Рисунок 5.15 – Топология печатной платы и внешний вид изготовленногофотоприемного модуля5.3.Проведение предварительных экспериментовВ качестве источника излучения использовался гелий-неоновый лазер ЛГН208Б. Характеристики лазера представлены в Таблице 5.3.Таблица 5.3 – Основные характеристики лазера ЛГН-208Б.ПараметрЗначениеРабочий газ (смесь)Гелий-неонДлина волны излучения, мкм0,63Мощность излучения, мВт1Диаметр пучка, мм1,4Цвет излученияКрасныйГабариты излучателя, мм35х28056На рисунке 5.16 представлена фотография пятна лазерного излучения навыходе интерферометра Майкельсона.Рисунок 5.16 – Фотография лазерного излучения на выходе интерферометраДля исключения флуктуационных ошибок на выходе фотоприемника сначала снимается проверочная последовательность 100 значений интенсивности оптического сигнала (без движения мембраны динамика).

График проверочнойпоследовательности показан на рисунке 5.17. Как видно из графика значенияинтенсивности колеблются в пределах 9 относительных единиц на выходе АЦП(при среднем сигнале 150 отн.ед.).57300Интенсивность, отн.ед.25020015010050159131721252933374145495357616569737781858993970Смещение мембраны, отн.ед.Рисунок 5.17 – График проверочной последовательности на выходе фотоприемникаДалее производится запуск установки с заданным режимом. На рисунке 5.18представлен оцифрованный сигнал на выходе фотоприемника в укрупненноммасштабе в режиме с минимальным шагом.30025020015010050018361671250633414176501158466681751683519186100211085611691125261336114196150311586616701175361837119206200412087621711225462338124216250512588626721275562839129226Интенсивность, отн.ед350Смещение мембраны, отн.ед.Рисунок 5.18 – График оцифрованного сигнала на выходе фотоприемника (укрупненныйвид)Из графика можно сделать вывод об отсутствии какой-либо модуляции сигнала (то есть максимальное значение сигнала во всем измеряемом диапазонепримерно одинаково).