摘要：從電路模塊化和程控的思想出發(fā)，對SZY-1型雙折射測試儀的信號發(fā)生器部分進行了改進。用單片機通過軟件編程產生方波信號，并用鍵盤控制其相位大小，取代了原來的硬件電路實現(xiàn)相位粗調和細調的方法。闡述了軟件設計流程，并對改進后的電路進行了仿真，結果性能良好。
關鍵詞：雙折射測試儀；單片機；移相；選頻

0 引言
    雙折射率是表征各向異性晶體光學特性的一個非常重要的光學參數，由材料的成分結構以及生成條件等多種因素所決定，并且與波長有關。測量雙折射率的方法多樣，其中有最小偏向角法、棱鏡法、電光調制法、偏光干涉法等。SZY-1型雙折射率測試儀便是依據電光調制的方法設計的一種雙折射率測量系統(tǒng)。
    國內折射率測試儀的開發(fā)歷時彌久。1987年，北京理工大學工程光學系研制的激光旋光雙折射測試儀通過鑒定并獲得機電部科技進步獎。現(xiàn)在市面上的雙折射率測試儀主要有以下幾種：上海舒佳電氣有限公司生產的全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-10A、全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-22。其中全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-10A具有雙折射系數的線性解析度高達0．0lnm，可同時測量延遲軸和主軸兩個方向，基于光學相位差的雙折射系數顯示，一秒采樣時間等特點。全自動雙折射測量系統(tǒng)ABR-22具有可同時或獨立測量線性和周向雙折射系數，無需樣品旋轉，即可測量主軸和延遲軸的線性雙折射系數、圓周雙折射系數的旋轉角，一秒采樣時間，可選樣品旋轉臺，二維或三維顯示，可全自動操作等優(yōu)點。與此類似的還有一種PTC-4型應力雙折射儀。但以上測量系統(tǒng)成本太高，不能達到一個較高的性價比。本文對北京大學無線電廠在1982年生產的一臺雙折射率測試儀的信號源部分進行改進，用單片機程控代替了原來的硬件調相電路，相位調節(jié)的范圍增大。

1 SZY-1型雙折射率測試儀存在的缺陷
    雙折射率測試儀是一種測量雙折射率的儀器。其本身由氦-氖激光管及電源、光具座、電光調制器等光學部分和光電調制器的交、直流調場電源、調制信號檢測、顯示及直流電壓測試等電路部分組成。
    該儀器采用激光-電光調制的方法，核心器件是電光調制器。經高壓電路生成的可調直流電壓上加載一個同步載波信號，兩者共同輸入電光調制器用以對通過電光調制器的入射光的光程差進行控制。其原理框圖如圖1所示。

    其中，同步信號產生的原理框圖如圖中虛線框中所示，分為信號產生、整形、分頻和移相、選頻輸出四部分。信號產生電路采用電容三點式振蕩器，產生f=36kHz的正弦波，然后經過整形電路將邊緣緩慢變化的正弦波變成邊沿陡峭的矩形脈沖。信號的分頻是將36kHz的信號經分頻器變成三路相位相差60°的6kHz的方波分別送入移相電路和基準電路。移相電路是將信號的相位移動一個角度，以保證電壓穩(wěn)定性不因聯(lián)絡線連鎖跳閘、相繼退出而遭到破壞，可以明顯提高電壓穩(wěn)定極限。在移相電路前需要對原方波進行積分以得到近似的正弦波。選頻輸出是將得到的移相信號加以選頻。因為振蕩電路的輸出有許多諧波，一般不需要都放大，所以要用選頻放大器選出所需要的頻率。通過選頻輸出的最終信號要與基準信號進行對比，以示相移的程度。
    經過分析，原硬件電路設計復雜，而且功能模塊使用較少，有必要對原電路進行改進。

2 電光調制信號源改造方案
    同步信號源整體結構改造框圖如圖2所示。

    新的設計方法是采用現(xiàn)在普遍使用的硬件和軟件結合的方法。首先由編程實現(xiàn)單片機產生兩路6kHz方波，一路送至示波器作為基準，另外一路相對于基準相位調節(jié)后送至選頻輸出模塊。相位粗調的兩鍵分別控制方波相對于基準相位10°增加和減少；相位細調的兩鍵控制方波1°增加和減少。選頻輸出電路也在原來基礎上進行了調整。
2．1 單片機系統(tǒng)的設計
    設計的移相控制器選用STC89C52單片機為微處理器。8位單片機STC89C52具有高可靠性、超低價、低功耗且抗干擾性強等特點。它與8051單片機兼容，同時又有很多的改進，工作電壓范圍寬，為3．4～6．0V，內部看門狗電路經過特殊處理，可省去外部看門狗，其電源抗干擾能力強。該系列單片機支持匯編語言和C語言編程。STC89C52的內部帶有8kB的Flash程序存儲器和2kB的EEPROM，同時帶有512Byte的RAM，內部有3個定時器／計數器，可進行8、13和16位的定時／計數。
    利用2個定時器／計數器T0和T1，一個作為基準方波電平的翻轉計數之用，另外一個作為相位延遲計數之用。這里按鍵采用中斷型。圖3單片機連接圖。

2．2 選頻電路設計
    選頻電路基本上采用原來的設計思想，經鍵控調節(jié)后的方波信號經電容C4積分后進入晶體管Q1，Q1接成射隨器作為隔離級。在其發(fā)射級上串接有電位器RV1引至面板，通過控制Q2的基極電流，達到調節(jié)控制信號輸出幅度的目的。電感線圈TF1、電容C7等組成的諧振回路接在Q2的輸出回路中，并使其調諧在6kHz的頻率上，使信號的諧波成分很小，作為調制信號源輸出到電光調制器。如圖4所示。
    整個電路用到一些常用壓值的電壓如+15V、+5V。因此電源的設計可以采用傳統(tǒng)的變壓、整形、濾波、穩(wěn)壓的方法得到。由于這兩電源輸出的電流都小于1A，所以+15V電壓的獲得可以利用穩(wěn)壓芯片7815，而同理，單片機所需要的+5V電壓可采用7805電源模塊得到。

3 系統(tǒng)軟件設計
    主程序流程圖如圖5所示。

    安裝后，系統(tǒng)對鍵盤接入點的電平自動進行檢測。當按下key1鍵時即相位增加100，按下key2鍵則相位減少100，用參數1記錄兩按鍵的綜合效果值。當按下key3鍵時相位增加10，按下key4鍵則相位減少10，用參數2記錄兩按鍵的綜合效果值。根據兩參數的值即可計算出最終移相。將其轉化成相應的延遲時間，即可得到相應于基準方波的另一路相移信號。

4 雙折射率測試儀改造實施與調試
    將連接好的電路進行仿真，并對每一部位電路所產生的波形進行檢測，發(fā)現(xiàn)完全符合原電路原理。調節(jié)相應器件，波形也隨之發(fā)生變化，性能良好。仿真波形如圖6所示。

    焊接好的電路(不包含電源)如圖7所示。

5 結束語
    經過長時間使用，改造后的雙折射測試儀信號源電路具有工作穩(wěn)定、可靠性高、成本低等優(yōu)點，可在測量儀器中推廣使用。