一种具有256级灰度线性声光调制器驱动电源的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有256级灰度线性声光调制器驱动电源，主要包括晶体振荡电路、模拟平衡调制电路、电平转换电路、前置放大电路和功率放大器、微处理器、程序存储器、多路数字控制电子开关、多组电阻分压器、显示驱动电路及LED显示器、灰度选择电路和数据通信电路；其特点是具有256档数字电压控制功能，相邻档次电压差易于调整且精度高，可以实现声光调制器对激光束光强的调制随控制的数字电压呈数字线性变化，从而使经过声光调制器调制的激光束的光强具有一定的灰度或强度等级。本发明具有操作简单，成本低廉，数字控制电压精度高等优点。
【专利说明】ー种具有256级灰度线性声光调制器驱动电源
【技术领域】
[0001]本发明属于声光调制【技术领域】，具体地说涉及到基于计算机、微处理器和多个模拟电子开关的具有256级灰度线性声光调制器驱动电源。该方法主要应用于基于声光调制技术的激光大屏幕图文显示技术和激光外差干涉测量技木。
【背景技术】[0002]声光调制器主要由激光源、声光器件和驱动电源三部分组成。驱动电源发射的射频功率信号输入到声光器件，该器件将电信号转换成超声信号并作用于声光介质，在声光介质中利用超声波产生的对光束衍射的“立体光柵”和激光的相干性可以快速有效地控制激光束的频率、方向和强度。随着激光技术的快速发展和优质声光晶体材料的开发，基于布拉格衍射效应的声光调制技术与器件已得到广泛应用。例如，由于激光具有很好的単色性、方向性，利用激光作为显示光源，可以方便实现三色合成的激光大屏幕显示系统，该系统中利用声光调制器的响应速度快(ns级)的特点，可以用来调制激光光强，使其达到一定的灰度等级；另外，自从1964年研制出第一台激光外差干涉仪以来，使激光外差干涉测量技术得到了快速发展，声光调制技术与器件在其中发挥了比较重要的作用。比如，四川压电与声光技术研究所李先梅，艾毅智研究了“线性灰度声光调制驱动源的研制”(參见:李先梅，艾毅智“线性灰度声光调制驱动源的研制”压电与声光，2001，23 (6): 422-425)以及重庆工学院电子信息与自动化学院徐霞，余成波，涂巧玲研究了 “ー种线性声光调制驱动电源的研制”(參见:徐霞，余成波，涂巧玲“ー种线性声光调制驱动电源的研制”激光杂志，2005，26 (2): 77-78)，这些先前技术涉及到控制电压的线性补偿技术，但没有研究数字电压产生的方法，也就是说这些先前技术不具有数字电压驱动功能，因此，都不利于实现微机自动控制。
【发明内容】
[0003]本发明的目的g在克服上述现有技术的缺陷，提供ー种基于计算机、微处理器和多个模拟电子开关构成的具有256级灰度线性声光调制器驱动电源，具有256档数字电压控制功能，可以实现声光调制器对激光束光强的调制随控制的数字电压呈数字线性变化，从而使经过声光调制器调制的激光束的光强具有一定的灰度(強度)等级的声光调制器驱动电源。
[0004]本发明通过以下技术方案来实现:
[0005]ー种具有256级灰度线性声光调制器驱动电源，其特征是:包括线性灰度声光调制驱动电路、数字电压发生器、灰度等级选择电路与数据通信电路、供电电源及计算机；所述的灰度等级选择电路或者计算机通过数据通信电路把灰度等级数据送给数字电压发生器，之后数字电压发生器产生线性驱动信号并控制线性灰度声光调制驱动电路，供电电源提供+24V直流电压、+12V直流电压及+5V直流电压；
[0006]所述的线性灰度声光调制驱动电路包含晶体振荡电路、模拟平衡调制电路、电平转换电路、前置放大电路与功率放大器；经所述的电平转换电路转换的电压通过模拟平衡调制电路对晶体振荡电路所产生的高频载波信号进行幅度调制得到调制信号，该调制信号经过前置放大电路线性放大后驱动功率放大器产生线性驱动信号；
[0007]所述的数字电压发生器包含微处理器U1、程序存储器、多路数字控制模拟电子开关、多组电阻分压器、显示驱动电路与LED显示器；在所述的程序存储器中的程序控制下，微处理器Ul通过灰度等级选择电路得到灰度等级数据或通过数据通信电路得到计算机发送的灰度等级数据，之后把灰度等级数据通过显示驱动电路显示于LED显示器，同时给多路数字控制模拟开关发送控制命令，选通多组电阻分压器的一組，并产生相应的档次电压；
[0008]所述的程序存储器中包含档次电压产生、显示及接收计算机传输数据程序；
[0009]所述的计算机中装有灰度等级数据处理及发送软件，其功能是把灰度等级数据通过数据通信电路发送给数字电压发生器。
[0010]所述的电平转换电路由ー个三极管Tl、四个固定电阻R6、R7、R8、R9及一个可调精密电阻W2组成，其中:所述的三极管Tl的基极接0.7-5.82V的数字控制电压、集电极接+12V直流电压、发射极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接地，三极管Tl、电阻R6组成ー个射极跟随器，电阻R7的一端接地，另一端与电阻R9及可调精密电阻W2的ー个固定端连接，电阻R9的另一端为电平转换电路的输出端，电阻R8的一端接地，另一端与三极管Tl的基极及可调精密电阻W2的另ー个固定端和动端连接，电阻R7、R8、R9与可调精密电阻W2组成ー个电压转换电路。
[0011]所述的多路数字控制模拟电子开关由16个数字控制模拟电子开关构成，每个数字控制模拟电子开关为ー组，每组数字控制模拟电子开关的四个二进制控制输入端A、B、C、D分别连接在一起，其中:数字控 制模拟电子开关组的输入端A与微处理器Ul的P0.0端ロ连接，输入端B与微处理器Ul的P0.1端ロ连接，输入端C与微处理器Ul的P0.2端ロ连接，输入端D与微处理器Ul的P0.3端ロ连接，16组数字控制模拟电子开关的第15脚分别与微处理器Ul的Pl.0、Pl.1……P1.7、P2.0、P2.1……P2.7端ロ连接，16组数字控制模拟电子开关的第I脚连接在一起，作为数字电压发生器的256级档次电压的输出端；
[0012]所述的灰度选择电路由微处理器Ul的P0.7端ロ、I个4.7K的上拉电阻及ー个自复按钮组成，自复按钮一端接地，另一端和与微处理器Ul的P0.7端ロ连接的上拉电阻连接。
[0013]所述的多组电阻分压器由256个精密可调电阻器与所述的供电电源的+12V直流电压组成，16个精密可调电阻器为ー组，每个精密可调电阻器的两个固定端分别连接在一起，其中的一端与+12V直流电压连接，另一端与直流地线连接，每组精密可调电阻器的每个电阻器的动端，分别与每组模拟电子开关的输入通道0-15连接；所述的多组电阻分压器，把0.7-5.82V的直流电压变为256级档次电压，各档次电压值与线性修正电压值一一对应，其相邻档次电压平均差为0.02V。
[0014]其显著的有益效果是:
[0015]1、在激光大屏幕显示应用领域，利用具有256级灰度线性声光调制器驱动电源驱动三基色声光调制器，以及计算机图像处理和控制技木，实现激光大屏幕图文显示；
[0016]2、在激光外差干渉测量领域，利用具有256级灰度线性声光调制器驱动电源驱动声光调制器，容易实现信号光与參考光的振幅匹配，完成激光外差干渉纳米测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的原理框图；
[0018]图2是本发明中线性灰度声光调制驱动电路原理图；
[0019]图3是本发明中数据通信电路和供电电源的原理图；
[0020]图4是本发明中数字电压发生器的一组电路和灰度选择电路原理图；
[0021]图5是本发明中显示驱动电路及LED显示器原理图；
[0022]图6是本发明中微处理器和显示驱动电路之间的数据包传送程序流程图；
[0023]图7是本发明的主程序流程图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合【专利附图】
【附图说明】【具体实施方式】，对本发明做进ー步详细的说明。
[0025]如图1所示，本发明的ー种具有256级灰度线性声光调制器驱动电源，包括线性灰度声光调制驱动电路、数字电压发生器、灰度等级选择电路与数据通信电路、供电电源及计算机；所述的灰度等级选择电路或者计算机通过数据通信电路把灰度等级数据送给数字电压发生器，之后数字电压发生器产生线性驱动信号并控制线性灰度声光调制驱动电路，供电电源提供+24V直流电压、+12V直流电压及+5V直流电压。
`[0026]所述的数字电压发生器包含微处理器U1、程序存储器、多路数字控制模拟电子开关、多组电阻分压器、显示驱动电路与LED显示器；在所述的程序存储器中的程序控制下，微处理器Ul通过灰度等级选择电路得到灰度等级数据或通过数据通信电路得到计算机发送的灰度等级数据，之后把灰度等级数据通过显示驱动电路显示于LED显示器，同时给多路数字控制模拟开关发送控制命令，选通多组电阻分压器的一組，并产生相应的档次电压。
[0027]所述的程序存储器中包含档次电压产生、显示及接收计算机传输数据程序；
[0028]所述的计算机中装有灰度等级数据处理及发送软件，其功能是把灰度等级数据通过数据通信电路发送给数字电压发生器。
[0029]如图2所示，本发明中线性灰度声光调制驱动电路原理。线性灰度声光调制驱动电路包含晶体振荡电路、模拟平衡调制电路、电平转换电路、前置放大电路与功率放大器；经所述的电平转换电路转换的电压通过模拟平衡调制电路对晶体振荡电路所产生的高频载波信号进行幅度调制得到调制信号，该调制信号经过前置放大电路线性放大后驱动功率放大器产生线性驱动信号。其中:
[0030]晶体振荡电路由一个晶体振荡器CRY2, —个三极管T2, —个可调精密电阻Wl, —个电感LI，四个电容CIO、Cll、C12、C13以及四个电阻RIO、Rll、R12、R13组成，其中三极管T2、电阻R12、R13及可调精密电阻Wl组成ー个射极跟随器，电感LI可用芯标称直径为
0.2mm的漆包铜线绕制,绕制直径为2mm,阻数15圈；
[0031]模拟平衡调制电路由ー个混频集成电路SCM-1 (U20)组成；
[0032]电平转换电路由一个三极管11、四个固定电阻1?6、1?7、1?8、1?9及一个可调精密电阻W2组成，其中:所述的三极管Tl的基极接0.7-5.82V的数字控制电压、集电极接+12V直流电压、发射极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接地，三极管Tl、电阻R6组成ー个射极跟随器，电阻R7的一端接地，另一端与电阻R9及可调精密电阻W2的ー个固定端连接，电阻R9的另一端为电平转换电路的输出端，电阻R8的一端接地，另一端与三极管Tl的基极及可调精密电阻W2的另ー个固定端和动端连接，电阻R7、R8、R9与可调精密电阻W2组成ー个电压转换电路。
[0033]前置放大电路由一个三极管T3，一个可调精密电阻W3，四个电容C14、C15、C16、C17以及三个电阻R14、R15和R16组成，常规电路连接关系略，如图2中所示。
[0034]功率放大器由一片射频放大器U21 (型号为MHW6222)和两个电容C18、C19组成，其中C19为ー瓷介微调电容，调整范围为5-15pF。常规电路连接关系略，如图2中所示。
[0035]如图3所示，本发明的数据通信电路和供电电源的原理。通信电路采用满足RS-232标准的单电源电平转换电路U18，主要完成计算机和微处理器Ul之间的数据传输，(本具体实施选用的微处理器Ul是单片机AT89C51，单电源电平转换电路U18是MAX232)，微处理器Ul的引脚10和11分别与通信电路U18的引脚9和11连接。另外，通信电路U18的引脚I和3之间接有电解电容E3、引脚4和5之间接有电解电容E4，其中引脚I和4接电解电容的正极性端；通信电路U18的引脚6和电源地之间接有电解电容E5、引脚2和电源VCC之间接有电解电容E2，其中引脚6接电解电容的负极性端、引脚2接电解电容的正极性端；通信电路U18的引脚7、10、12和13未用；通信电路U18通过三针插座Pl与计算机传输数据。供电电源由变压器BY、两个整流桥BI及四个稳压模块V1、V2、V3和V4组成，Vl采用三端稳压管78M24，V2采用三端稳压管78M12，V3采用三端稳压管78M06，V4采用三端稳压管78M05。供电电源输入220伏交流电经过变压器BY降压和整流桥B2、B1全波整流后，通过V1、V2变为稳定的+24V电压和+12V电压；+24V电压再通过V3变为+5V电压；+24V电压给晶体振荡电路、模拟平衡调制电路、前置放大器和功率放大器供电，+12V电压给电平转换电路和16个模拟开关⑶4067供电，+5V电压给微处理系统及显示系统供电。采用二级降压和稳压有效地提高了供电电源的抗干扰能力。
[0036]如图4所示，本发明中的数字电压发生器的一组电路和灰度等级选择电路原理。灰度等级选择电路由微处理器Ul的P0.7端ロ、I个4.7K的上拉电阻和ー个自复按钮组成，自复按钮一端接地，另一端和与微处理器Ul的P0.7连接的上拉电阻连接；灰度等级选择数据也可以通过计算机控制而完成，计算机把要控制的档次电压对应的档次数据(10进制为
0-255)通过图3所示的通信电路传送给微处理器Ul，微处理器Ul根据档次数据选通相应的通道并显示其档次数字；多路数字控制的模拟电子开关由16个16选I数字控制模拟电子开关(型号为⑶4067)构成，每个数字控制模拟电子开关为ー组，每组数字控制模拟电子开关的24脚接+12V、12脚接地，每组数字控制模拟电子开关的四个二进制控制输入端A、B、C和D分别连接在一起。其中:
[0037]输入端A与微处理器Ul的P0.0端ロ连接，输入端B与微处理器Ul的P0.1端ロ连接，输入端C与微处理器Ul的P0.2端ロ连接，输入端D与微处理器Ul的P0.3端ロ连接；每组数字控制模拟电子开关的第1管脚连接在一起，作为数字电压发生器的256级电压输出端；
[0038]每组数字控制模拟电子开关的允许端(第15脚)分别与微处理器Ul的PlO端ロ和P20端ロ的ー个连接，如第I组数字控制模拟电子开关U2第15脚与微处理器Ul的P1.0连接、第2组数字控制模拟电子开关U3的第15脚与微处理器Ul的Pl.1连接、……、第16组数字控制模拟电子开关U17的第15脚与微处理器Ul的P2.7端ロ连接；所述的多组电阻分压器由标称阻值为IOkQ欧姆的256个精密可调电阻器和ー个+12V直流电源组成，16个精密可调电阻器分为ー组，每个精密可调电阻器的两个固定端分别连接在一起，其中的一端与+12V直流电源连接，另一端与直流地线连接；16组精密可调电阻器的动端，分别与16组数字控制模拟电子开关的输入通道0-15连接，如第I组的精密可调电阻器的第I个电阻器Wl-1的动端与第I组数字控制模拟电子开关U2的第9脚连接、第2个电阻器W1-2的动端与第I组数字控制模拟电子开关U2的第8脚连接、……、第16个电阻器W1-16的动端与第I组数字控制模拟电子开关U2的第16脚连接，依次类推，第16组的精密可调电阻器的第I个电阻器Wl-1的动端与第16组数字控制模拟电子开关U17的第9脚连接、第2个电阻器W1-2的动端与第16组数字控制模拟电子开关U17的第8脚连接、……、第16个电阻器W1-16的动端与第16组数字控制模拟电子开关U17的第16脚连接。所述的多组电阻分压器，把0.7-5.82V的直流电压变为相邻档次电压差为0.02V的256级档次电压(Ui, i=l,2,3……256)，由此可以得到与之对应的256级灰度值(Pi, i=l，2，3……256)，灰度值(P)与电压(U)的线性回归满足P=bU+a,其中a和b可由最小二乗法求得，由式P=bU+a可计算出U1和U256对应的P1和P256以及256级档次灰度的相邻档次灰度差A P，由此可得到P1,P2，P3……P256，并由式P=bU+a可计算出U' W 2，U, 3……U, 256，当档次电压U1 !时，取U1=U'丨，当档次电压U' ,UW 2时，取U2=U' 2，依次类推即可得到256级档次电压U1, U2, U3……U256，此256级档次电压具有线性修正功能，由于声光调制器件固有的非线性特点，因此256级档次电压的相邻档次电压差不相等，其平均电压差为0.02V。
[0039]如图5所示，本发明中显示驱动电路及LED显示器原理。所述的显示驱动电路及LED显示器由一片显示驱动电路U19 (型号为MAX7219)，4位共阴的7段数码管LED组成。显示驱动电路U19是ー种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器，可驱动8位共阴极LED显示器，且集B⑶码译码器、多路扫描器、段驱动和位驱动电路于一体，内含8 X 8位双ロ静态SRAM。它连接微处理器与8位数字的7段数码LED显示器显示，它与CPU的接ロ有串行数据线DIN、时钟信号线CLK和数据锁存线LOAD。显示驱动电路U19的数据锁存线LOAD与微处理器Ul的P0.4端ロ连接`，时钟信号线CLK与微处理器Ul的P0.5端ロ连接，串行数据线DIN与微处理器Ul的P0.6端ロ连接。
[0040]如图6所示，本发明中的微处理器与显示驱动电路之间的数据包传送的程序流程图，其主要流程是:
[0041]设置计数器R3初始值为8，清0数据锁存线LOAD，数据高8位放入累加器A ；
[0042]清0时钟信号线CLK，累加器A右移一位到C，C送到串行数据线DIN，延时，置I时钟信号线CLK ；
[0043]判断计数器R3是否为0 ?是，设置计数器R3为8，数据低8位放入累加器A ;否，清0时钟信号线CLK，累加器A右移一位到C，C送到串行数据线DIN，延时，置I时钟信号线CLK ；
[0044]再清0时钟信号线CLK，累加器A右移一位到C，C送到串行数据线DIN，延时，置I时钟信号线CLK ；
[0045]判断计数器R3是否为0 ?是，置I数据锁存线LOAD，结束本次程序；否，清0时钟信号线CLK，累加器A右移一位到C，C送到串行数据线DIN，延时，置I时钟信号线CLK。[0046]如图7所示，本发明声光调制器驱动电源中的主程序流程图，其主要流程是:
[0047]上电开始，对该声光调制器驱动电源进行初始化，包括初始化显示驱动电路，4位LED显示器显示8888，禁止16片数字控制模拟电子开关选通(即置P1.0-P1.7端口和P2.0-P2.7端ロ为I);设置P0.7为输入口，关闭其它中断，打开串行ロ通信中断，清0灰度等级计数器，设置通信波特率和传输数据格式(数据格式为八位数据位，无奇偶位，ー个停止位)，延时0.5秒，之后4位LED显示器显示0000 ；
[0048]判断是否有灰度等级选择信号？有，按钮次数或计算机传输的档次数据存入档次存储器，根据档次存储器中的数据，选通相应的数字控制模拟电子开关对应的通道，并显示相应的档次数字，之后再判断是否有灰度等级选择信号；否，继续等待灰度等级选择信号。
【权利要求】
1.ー种具有256级灰度线性声光调制器驱动电源，其特征是:包括线性灰度声光调制驱动电路、数字电压发生器、灰度等级选择电路与数据通信电路、供电电源及计算机；所述的灰度等级选择电路或者计算机通过数据通信电路把灰度等级数据送给数字电压发生器，之后数字电压发生器产生线性驱动信号并控制线性灰度声光调制驱动电路，供电电源提供+24V直流电压、+12V直流电压及+5V直流电压； 所述的线性灰度声光调制驱动电路包含晶体振荡电路、模拟平衡调制电路、电平转换电路、前置放大电路与功率放大器；经所述的电平转换电路转换的电压通过模拟平衡调制电路对晶体振荡电路所产生的高频载波信号进行幅度调制得到调制信号，该调制信号经过前置放大电路线性放大后驱动功率放大器产生线性驱动信号； 所述的数字电压发生器包含微处理器U1、程序存储器、多路数字控制模拟电子开关、多组电阻分压器、显示驱动电路与LED显示器；在所述的程序存储器中的程序控制下，微处理器Ul通过灰度等级选择电路得到灰度等级数据或通过数据通信电路得到计算机发送的灰度等级数据，之后把灰度等级数据通过显示驱动电路显示于LED显示器，同时给多路数字控制模拟开关发送控制命令，选通多组电阻分压器的一組，并产生相应的档次电压； 所述的程序存储器中包含档次电压产生、显示及接收计算机传输数据程序； 所述的计算机中装有灰度等级数据处理及发送软件，其功能是把灰度等级数据通过数据通信电路发送给数字电压发生器。
2.根据权利要求1所述的ー种具有256级灰度线性声光调制器驱动电源，其特征是:所述的电平转换电路由ー个三极管Tl、四个固定电阻R6、R7、R8、R9及一个可调精密电阻W2组成，其中:所述的三极管Tl的基极接0.7-5.82V的数字控制电压、集电极接+12V直流电压、发射极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接地，三极管Tl、电阻R6组成ー个射极跟随器，电阻R7的一端接地，另一端与电阻R9及可调精密电阻W2的ー个固定端连接，电阻R9的另一端为电平转换电路的输出端，电阻R8的一端接地，另一端与三极管Tl的基极及可调精密电阻W2的另ー个固定端和动端连接，电阻R7、R8、R9与可调精密电阻W2组成ー个电压转换电路。
3.根据权利要求1所述的ー种具有256级灰度线性声光调制器驱动电源，其特征是:所述的多路数字控制模拟电子开关由16个数字控制模拟电子开关构成，每个数字控制模拟电子开关为ー组，每组数字控制模拟电子开关的四个二进制控制输入端A、B、C、D分别连接在一起，其中:数字控制模拟电子开关组的输入端A与微处理器Ul的P0.0端ロ连接，输入端B与微处理器Ul的P0.1端ロ连接，输入端C与微处理器Ul的P0.2端ロ连接，输入端D与微处理器Ul的P0.3端ロ连接，16组数字控制模拟电子开关的第15脚分别与微处理器Ul的Pl.0、Pl.1……P1.7、P2.0、P2.1……P2.7端ロ连接，16组数字控制模拟电子开关的第I脚连接在一起，作为数字电压发生器的256级档次电压的输出端； 所述的灰度选择电路由微处理器Ul的P0.7端ロ、I个4.7K的上拉电阻及ー个自复按钮组成，自复按钮一端接地，另一端和与微处理器Ul的P0.7端ロ连接的上拉电阻连接。
4.根据权利要求1所述的ー种具有256级灰度线性声光调制器驱动电源，其特征是:所述的多组电阻分压器由256个精密可调电阻器与所述的供电电源的+12V直流电压组成，16个精密可调电阻器为ー组，每个精密可调电阻器的两个固定端分别连接在一起，其中的一端与+12V直流电压连接，另一端与直流地线连接，每组精密可调电阻器的每个电阻器的动端，分别与每组模拟电子开关的输入通道0-15连接；所述的多组电阻分压器，把`0.7-5.82V的直流电压变为256级档次电压，各档次电压值与线性修正电压值一一对应，其相邻档次电压平 均差为0.02V。
【文档编号】H01S3/117GK103560392SQ201310425041
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】张志伟, 张文静, 赵冬娥, 司高潞, 罗莹, 闫文超, 杨鹏, 郝华伟, 董鉴珧 申请人:中北大学