基于单片机的激光衍射光栅测试仪设计

1 引 言

激光衍射光栅是计算机光盘驱动以及消费电子等设备中激光读写头的关键部分。目前，专门用于测量激光衍射光栅参数的仪器还比较少见。DVD读写头中用到的激光波长通常是650 nm，该设计采用650 nm的激光二极管LD(Laser　Diode)作为衍射光栅源，结合高性能16位SPCE061A单片机，设计了激光衍射光栅测试仪，主要测试衍射光栅0级和1级光斑亮度和光栅透过率，以提高衍射光栅质量测试的精度和效率。

2 测试仪的工作原理

激光衍射光栅测试仪工作原理框图如图1所示。测试仪的硬件包括四部分：激光二极管的驱动电路、小信号采样及放大电路、LED显示电路和单片机的最小外围电路。系统显示部分选用2块4位的LED，采用动态扫描方式，各用1块分别显示光栅的光斑亮度比和透过率。



测试原理：激光二极管驱动电路为激光二极管提供稳定的合适的电压电流，驱动激光二极管正常发光。光电探测器将经光栅衍射后的光斑分别转换成微弱的电流，该电流经电流采样及放大电路后得到符合A／D采样范围的电压。该电压经A／D转换后得到相应的数字信号，将该数字信号进行数据处理，计算出光斑亮度比以及透过率的值，最后通过LED显示出来。同时，设置了重启、清零、开始／保持、报警域值范围设定等控制按键，以配合测试的进行。[page]

3 系统硬件设计

3．1 SPCE061A单片机的最小外围电路

测试仪MCU采用高性能16位SPCE061A单片机，它具有7通道10位电压模／数转换器(ADC)和32个可编程的I／O口，可通过内置在线仿真电路ICE(In－Circuit Emulator)接口在线调试。SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。它既是一个编程器(即程序烧写器)，又是一个实时在线调试器。用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具——硬件在线实时仿真器和程序烧写器。10位的单端ADC将GND与VREF之间的线性电压转换成2n个不同的数字量，即1 LSB=VREF／2n，该系统中1 LSB=2．5 V／1 024=2．4 mV。例如：假设从光探测器出来的电流为0．100 mA，经10 kΩ电阻采样后得到1 V电压，则A／D转换精度为2．4／1×100％=0．24％。再考虑到电流电压转换误差、AD采样误差等，经测试最后精度可以达到2％，基本可以满足测试精度。

3．2 激光二极管的驱动电路

设计选用激光二极管型号为日本索尼公司的SDL6161RL，工作参数为：输出波长为650 nm，工作电压选用DC 5 V，阈值电流55 mA，工作电流为65 mA，出瞳功率为7 mw。激光二极管驱动电路如图2所示。



图2中稳压管采用TL431，产生2．5 V稳压后，经过电压跟随器AR1、电压调整器AR2后得到一稳定的电压VREF送到AR3的正输入端。从AR3出来的电流信号经达林顿管的放大作用产生足够大的驱动电流，以达到激光二极管的工作电流需要。图中R2=R3，AR3工作在深度负反馈状态下，由虚短概念可知，AR3的正输入端和负输入端的电压相等，即：



由于达林顿管的第一级工作在饱和状态，则



因此只要给出合适的R6，R7，R10和R11便可得到所需的输出电压和电流。

3．3 小信号采样及放大电路

该系统具有两路采样通道，一路采样0级光斑和未加光栅时激光直接照射探测器的信号，另一路采样1级光斑光电转换后的信号。从光探测器出来的是0．01～0．5 mA的微弱电流信号，而单片机的ADC转换范围是0～2．5 V。为了使A／D转换的精度提高，必须对电流信号进行电流一电压转换并将信号放大。[page]

一般来说，ADC转换器在对量程范围内的中间值左右的转换误差最小。因此，设计时将所有电流信号都转换为1 V左右的电压信号。该系统需要测试的参数为光斑亮度比和光栅透过率，因此需要测量未加光栅前的探测器电流和加光栅后的两个亮光斑产生的电流。而未加光栅前的电流大概为0．4～0．5 mA，0级光斑的电流大概为0．1～0．2 mA，而1级光斑的电流大概为0．01～0．05 mA，因此它们放大的倍数会有很大差别。其中测量0级光斑和未加光栅时激光的光探测器是同一个，为了使两者产生的电压都在1 V左右，设计一个单刀双掷开关，以实现不同的放大倍数。

4 测试仪的软件设计

测试仪主程序流程图如图3所示。其中包括A／D转换子程序、LED显示子程序、外部按键中断子程序。



通过两路A／D分别对0级和1级光斑转换所得的电压信号进行采样，为了提高采样数据的稳定性与可靠性，采用了数字滤波。每路数据采样150次，去掉最大值和最小值之后再取平均值。每一种合格光栅，其光斑亮度比和透过率的值在一定的范围内，如果超过这个范围，说明该光栅参数不合格，仪器会显示U或倒U来说明该参数是上溢还是下溢，方便了用户。

5 测试结果与分析

对于10个光栅样品，测试的1级和0级光斑亮度比数据如表1所示。每个相同样品测5组数据。其中参考值为光栅厂家提供的标准样品值。




式(5)和式(6)中：δ为相对误差；D为均方差；Ri为测量值；R为平均值；N为项数。试验结果表明，测试仪测试误差小于2％，均方差小于2．2×10-3，完全满足设计要求。

6 结语

该设计利用高性能16位SPCE061A单片机实现了DVD等设备用激光二极管衍射光栅测试仪，非常适用于小批量衍射光栅的测试。经过实际测试验证，具有较高的稳定性和精确度。具有溢出报警功能，同时，该仪器成本低，体积小，检测效率高，具有较高的推广价值。