一种消除半导体激光器干涉信号幅值调制的硬件电路的制作方法

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种消除半导体激光器干涉信号幅值调制的硬件电路。

背景技术：

激光器具有单色性好，亮度高，方向性好等优点，不仅推动了光学领域的研究进展，在精密测量、激光加工、医学生物学乃至刑侦鉴定等方面都有着较为广泛的应用并在其中扮演着至关重要的角色。

目前，有关于激光器干涉信号幅值调制的方法主要是基于软件算法或者利用单片机等嵌入式系统采集实现，上述两种方法在实际使用中均存在着严重的弊端，在一定程度上限制了干涉信号的后续处理及分析过程。

基于软件算法实现的干涉信号幅值调制是离线的数据处理系统，首先，该系统无法实现数据的实时处理，更无法利用幅值调制后的信号进行进一步的干涉测距分析等。其次，基于软件算法实现的干涉信号幅值调节需要第三方提供的硬件采集系统支持，利用这套采集系统将信号采集并传回上位机中，再通过上位机软件通过编程实现幅值调制。最后，该方案需要依靠软件算法来实现信号处理，对用户的编程能力和算法分析能力具有一定的要求，大大降低的整体适用性。

基于单片机等嵌入式系统的干涉信号幅值调制方案解决了上述系统的离线问题，但是嵌入式系统相对集成度高，整体过于庞大复杂。系统主要包括ad采集模块、存储模块、运算模块、控制模块以及da输出模块等。占用了大量的硬件资源，需要研发人员耗费大量的时间精力来调试软硬件系统，尤其当干涉信号频率较高时，系统采样及存储的难度就会呈指数及增长，对硬件资源及研发人员都是较大的挑战。此外，嵌入式系统由于采样精度、电路延时、系统误差等原因会给整个幅值调制系统引入新的误差，对后续测量测距等造成较大影响。

综上所述，现有的干涉信号幅值调整电路方案存在着离线不可连续、系统过于复杂、研发难度大以及信号处理效果差等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种消除半导体激光器干涉信号幅值调制的硬件电路，应用于激光器干涉信号的幅值调整，便于后续信号处理及系统测量测距分析等。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种消除半导体激光器干涉信号幅值调制的硬件电路，包括

第一输入信号幅值调整电路和第二输入信号幅值调整电路，分别用于获取迈克尔逊干涉光路的干涉信号及干涉前光频信号两路波形，并传输给基于运算放大器和模拟乘法器构成的除法电路；

基于运算放大器和模拟乘法器构成的除法电路，用于实现对半导体激光器干涉信号幅值的调制，并传输给输出幅值调理电路；

输出幅值调理电路，用于对基于运算放大器和模拟乘法器构成的除法电路修正后的信号进一步进行幅值调理再输出；

系统电源，用于为整个硬件电路供电。

本发明进一步的改进在于，第一输入信号幅值调整电路包括一个sma接口和一个rs1电位器，第二输入信号幅值调整电路包括一个sma接口和一个rs2电位器，干涉信号/光频信号通过sma接口接入硬件电路中，再将输入信号对地接rs电位器，通过调节rs电位器阻值实现输入信号的幅值放大或缩小。

本发明进一步的改进在于，设定input1表示干涉光频信号，input2表示干涉前光频信号，input1和input2均有两个引脚，引脚1连接外部光电探测器测量的信号，引脚2和gnd连接，引脚1和引脚2间并联接入了一个rs电位器，即相当于输入信号对地接了一个下拉电阻，通过调节rs电位器的阻值来提高输入信号的电势。

本发明进一步的改进在于，基于运算放大器和模拟乘法器构成的除法电路包括u2/ad711和u1/ad633，input1的引脚2接gnd，rs1电位器的引脚1接input1的引脚1，rs1电位器的2脚接gnd，input1的1脚接电阻r1的1脚，电阻r1的2脚接u2的2引脚，u2的3脚接gnd，u2的4脚接-12v，u2的7脚接+12v，u2的6脚接u1的3引脚，+12v接电容c1的1脚，电容c1的2脚接gnd，-12v接电容c2的1脚，电容c2的2脚接gnd，input2的2引脚接gnd，rs3电位器的1引脚接input2的1引脚，rs3电位器的2引脚接gnd，input1的1引脚接电阻r1的1引脚，u1的1引脚接input2的1引脚，u1的2引脚接gnd，u1的3引脚接除法器的输出，u1的4引脚接gnd，u1的6引脚接gnd，u1的5引脚接-12v，u1的8引脚接+12v，u1的7引脚接rs2电位器的2引脚，rs2电位器的1引脚接u2的2引脚，+12v接电容c3的1脚，电容c31的2脚接gnd，-12v接电容c4的1脚，电容c4的2脚接gnd。

本发明进一步的改进在于，输出幅值调理电路包括u3/ad711，电容c7一端连接上述除法器的输出信号，另一端连接电阻r2，电阻r2的另一端引脚连接u3的2引脚，u3的3引脚通过电阻r4连接gnd，u3的4引脚连接-12v，u3的6引脚连接output接口，u3的7引脚连接+12v，+12v通过电容c5连接gnd，-12v通过电容c6连接gnd，u3的6引脚通过反馈电阻r3连接u3的2引脚，电阻r3和电阻r2共同构成反馈回路，实现输出信号幅值调整。

本发明进一步的改进在于，系统电源通过p1电源接插件引入外部电源，再经过电容滤波后输入各电路芯片中。

本发明进一步的改进在于，p1是三引脚的电源接插件，引脚3接+12v，引脚2接gnd，引脚1接-12v；外部输入+12和gnd间连接了电容c8和电容c-cm实现滤波，外部输入-12v和gnd间外接了c9电容实现滤波；其中电容c-cm为25v/220uf的电解电容，正端接12v，负端连接gnd；电容c8和c9均是104的无极性陶瓷电容。

本发明进一步的改进在于，系统电源还设置有指示灯模块，指示灯模块由电阻r5和led1灯组成，+12v电能连接r5一端，r5另一端和led1正端相连，led1负端和gnd连接，r5的阻值为10k；通电后，led1两端的电压为2v，正常显示。

本发明具有如下有益的技术效果：

第一、基于模拟电路的干涉信号幅值调整方案可以实现干涉信号的实时连续处理分析。由前所述，常用的信号幅值调整方案采用的是离线的数据处理方式，将干涉信号采集一段并传入电脑端，再利用相关数值分析软件对信号进行运算分析实现幅值调整。本发明基于模拟运算放大器和模拟乘法器构建的除法电路可以将干涉信号和干涉前光频信号相除从而消除干涉信号的幅值调整项，由于模拟电路具有连续性，且系统时延小，故该方案可实现干涉信号连续处理。

第二、基于模拟电路的干涉信号幅值调整系统整体电路结构简单、便于操作、无需软件编程，对研发人员开发难度低。本发明只需要两个运算放大器和一个模拟乘法器并进行简单的电路连接便可以实现幅值相除的功能，不需要额外的硬件采集系统、嵌入式处理器、存储器等其他硬件外设。系统整体结构简单、易于操作使用。

第三、本发明所述幅值调整电路稳定可靠、系统精度高。现有的基于嵌入式系统的幅值调整方案需要依赖单片机等嵌入式硬件实现，由于嵌入式控制器的引入系统易受到电磁、温度等外界环境的干扰，从而使得整个系统的稳定性降低。此外，嵌入式系统需要完成ad采集及da转换等功能，ad采集等受限于系统采样芯片的精度，为了提高系统采样精度需要提升采样速率，采样速率的提升又会给数据存储带来压力。本发明基于模拟硬件电路实现的干涉信号幅值调制避免了数据采样及存储等问题，可实现实时数据处理分析，模拟数据输出，系统精度高、抗干扰能力强。

第四、本发明基于模拟硬件电路的干涉信号幅值调整系统简单易用、成本低廉，便于批量化投产。基于可调谐半导体激光器干涉信号幅值调制硬件模拟电路只需要模拟运算放大器、模拟乘法器和外围简单阻容元件便可以实现幅值调整功能，无需微控制器、ad采集系统等其他硬件外设，相对于其他方案来说本发明原理简单清晰，硬件电路易于实现，无需复杂昂贵的硬件外设，整体系统成本非常低廉，便于系统批量化推广使用。

附图说明

图1为基于迈克尔逊的干涉光路图。

图2为系统电源及指示灯模块图，其中图2(a)为系统电源，图2(b)为指示灯模块。

图3为输入信号幅值调整电路图。

图4为基于运算放大器和模拟乘法器构成的除法电路图。

图5为输出幅值调理电路图。

图6为系统整体电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

本发明提供的一种消除半导体激光器干涉信号幅值调制的硬件电路，基于运算放大器和模拟乘法器构成的除法电路实现对半导体激光器干涉信号幅值的调制。对系统进一步详细阐述如下：

1、外腔可调谐半导体激光器迈克尔逊干涉光路

基于外腔可调谐半导体激光器迈克尔逊干涉光路如附图1所示。图1中，pzt控制器1驱动外腔可调谐半导体激光器(ecdl)发出线性激光束，激光束先经过第一分光镜2将光束分为第一光束和第二光束两路，第一光束再经反射镜7反射后通入f-p标准具10中产生f-p信号，f-p信号最终通过第一光电探测器6和数据采集卡9传输到pc端。

第二光束经过第二分光镜3又分成第三光束和第四光束，第三光束经第二角锥棱镜5反射后沿原光路反射回第二分光镜3，第四光束经过第一角锥棱镜4后也沿原光路反射回第二分光镜3，两束返回的光在第二分光镜3处发生干涉，产生干涉信号，干涉信号通过第二光电探测器8和数据采集卡9传输到pc端。

2、电源及指示灯模块

电源是整个系统最基本的模块，本发明所述消除半导体激光器干涉信号幅值调制的硬件电路，因此系统需要稳定的电源供给。为满足系统恒压、低纹波的稳定电源输出，系统采用实验室学生电源供电，其输出电源纹波低至20mv，完全满足要求。如附图2所示，将外部电源通过p1电源接插件引入系统电源中，再经过电容滤波后输入各电路芯片中，此外，系统还增加了由电阻r5和led1共同构成的电源指示灯电路。系统上电后，指示灯会点亮，提醒用户此时是工作状态。

进一步，p1是三引脚的电源接插件，引脚3接+12v，引脚2接gnd，引脚1接-12v。外部输入+12和gnd间连接了电容c8和电容c-cm实现滤波，外部输入-12v和gnd间外接了c9电容实现滤波。其中电容c-cm为25v/220uf的电解电容，正端接12v，负端连接gnd。c8和c9均是104的无极性陶瓷电容。

进一步，指示灯模块由电阻r5和led1灯组成，+12v电能连接r5一端，r5另一端和led1正端相连，led1负端和gnd连接，r5的阻值为10k。通电后，led1两端的电压为2v，正常显示。

3、输入信号幅值调整电路

如前所述，除法器中需要分别通入干涉信号和干涉前光频信号共两路信号，由于干涉信号和干涉前光频信号都是由光电探测器获取的电压信号，本发明中所使用的外腔可调谐半导体激光器功率只有3mw，需要将上述信号经放大后再通入除法器电路中。

如附图3所示，输入信号幅值预调制电路主由一个sma接口和一个50k的rs电位器组成。干涉信号/干涉前光频信号通过sma接口接入硬件电路中，再将输入信号对地接rs电位器(50k)，通过调节rs电位器阻值实现输入信号的幅值放大或缩小。

进一步，input1表示干涉光频信号，input2表示干涉前光频信号。input1和input2均有两个引脚，引脚1连接外部光电探测器测量的信号，引脚2和gnd连接，引脚1和引脚2间并联接入了一个50k的rs电位器，即相当于输入信号对地接了一个下拉电阻，通过调节rs电位器的阻值来提高输入信号的电势。

4、基于运算放大器和模拟乘法器构成的除法电路

本发明提供的基于运算放大器和模拟乘法器构成的除法电路，通过除法电路将干涉信号除以干涉前光频信号从而实现消除干涉信号的幅值调制，实现干涉信号等幅输出。如图4所示为基于运算放大器和模拟乘法器构成的除法电路。

进一步，该除法电路主要由u2/ad711和u1/ad633等其他阻容元件组成，input1的引脚2接gnd，rs1电位器的引脚1接input1的引脚1，rs1电位器的2脚接gnd，input1的1脚接电阻r1的1脚，电阻r1的2脚接u2的2引脚，u2的3脚接gnd，u2的4脚接-12v，u2的7脚接+12v，u2的6脚接u1的3引脚，+12v接电容c1的1脚，电容c1的2脚接gnd，-12v接电容c2的1脚，电容c2的2脚接gnd，input2的2引脚接gnd，rs3电位器的1引脚接input2的1引脚，rs3电位器的2引脚接gnd，input1的1引脚接电阻r1的1引脚，u1的1引脚接input2的1引脚，u1的2引脚接gnd，u1的3引脚接除法器的输出，u1的4引脚接gnd，u1的6引脚接gnd，u1的5引脚接-12v，u1的8引脚接+12v，u1的7引脚接rs2电位器的2引脚，rs2电位器的1引脚接u2的2引脚，+12v接电容c3的1脚，电容c31的2脚接gnd，-12v接电容c4的1脚，电容c4的2脚接gnd。

ad711是经典运算放大电路，ad711是一款高速、精密、单芯片运算放大器，具有极高的性价比。它采用先进的激光晶圆调整技术，具有极低的失调电压和失调电压漂移特性。这款运算放大器具有出色的交流和直流性能，适合有源滤波器应用。压摆率为16v/μs，±0.01％建立时间为1μs，因而ad711非常适合用作12位dac/adc的缓冲器以及高速积分器。同时，建立时间性能则是任何类似ic放大器所无法比拟的。

图4中的ad633是模拟乘法器，其是一款低成本四象限模拟乘法器，其单片集成结构和激光校准使得ad633性能稳定可靠，满足高频电子线路对于模拟元器件的可靠性和稳定性要求。本发明利用模拟乘法器ad633和运算放大器构成除法器实现两信号相除，消除干涉信号调制项。如图4所示，ad633通过ad711的输出引脚和电位器rs2共同构成ad711的反馈回路，从而实现除法器功能。整体系统输出表达式如下：

上式中out为除法器输出信号，也就是系统调制后的波形，input1是激光器输出干涉信号，input2是干涉前光频信号，因为干涉信号和光频信号中都含有电流调制，故二者相除可以消除干涉信号的幅值调制。rs2是ad711运放的反馈回路的电阻，其单位是k，rs2和ad711负端输入的电阻r1构成经典比例放大，可以实现对输出信号的幅值调制。因为ad633模拟乘法器自带的增益系数为10v，通过r1和rs2比例电阻的调节可以实现out输出波形保持在理想的幅值范围中。

此外，图4中的电容c1、c2、c3和c4均是滤波电容，主要实现滤除电源中的纹波，保证系统稳定工作。

5、输出幅值调理电路

上述模拟除法器主要消除干涉信号中的幅值调制，修正后的信号还需进一步进行幅值调理再输出。

进一步，电容c7一端连接上述除法器的输出信号，另一端连接电阻r2，电阻r2的另一端引脚连接u3的2引脚，u3的3引脚通过电阻r4连接gnd，u3的4引脚连接-12v，u3的6引脚连接output接口，u3的7引脚连接+12v，+12v通过电容c5连接gnd，-12v通过电容c6连接gnd，u3的6引脚通过反馈电阻r3连接u3的2引脚，电阻r3和电阻r2共同构成反馈回路，实现输出信号幅值调整。

电容c7具有通交隔直的特性，可以滤除干涉信号中的直流信号分量，保存交流信号再通入后续信号调理电路中。由ad711构成的简单运算放大电路，将隔直后的信号再次通入负反馈的比例放大电路中，可以降低信号的输出电阻，提高信号输出及带负载能力。同时，也可以调节电阻r2和电阻r3的阻值进一步实现输出信号的幅值调整。

6、系统整体电路

本发明提出一种消除半导体激光器干涉信号幅值调制的硬件电路，如图6所示，系统主要包括电源输入及指示灯电路、输入幅值调制电路、基于运算放大器和模拟乘法器的除法器电路、输出幅值调制电路。

本发明系统简单便捷、功能强大、输出信号精度高、价格低廉，改变了传统幅值调整离线不可连续，功能冗余复杂，成本高昂不易推广等现状。经过实验验证，系统输出波形品质高、质量好，本发明一种消除半导体激光器干涉信号幅值调制的硬件电路方案切实可行。

本发明硬件电路的具体实现过程包括以下几个步骤：

步骤1，基于外腔可调谐半导体激光器搭建迈克尔逊干涉光路，如图1所示，分别获取干涉信号及干涉前光频信号两路波形。

步骤2，搭建系统电源电路，为整个硬件系统提供基本电能供给。本发明中，系统硬件模块由学生电源供电，系统电源包括滤波处理及带电指示灯显示，具体如图2所示。

步骤3，根据激光器干涉信号及干涉前激光器光频信号的品质特征分别对两路信号进行预处理，预处理主要是指对干涉信号及光频信号的幅值进行整体预放大或预缩小处理。由于不同激光器输出光强不同再外加上干涉光路的远近都会影响干涉信号/干涉前光频信号的幅值大小，需分别对两路信号进行预处理，使其在1-5v的幅值范围内，再接入后续电路中。

步骤4，基于运算放大器和模拟乘法器搭建模拟除法电路并根据系统设计要求进行放大。由于干涉信号和干涉前的光频信号包含相同的电流幅值调制信号，且干涉前光频信号成分比较单一，只包含有电流调制信号成分，将干涉信号除以干涉前光频信号即可以消除干涉信号中因电流调制而导致的幅值变化，实现干涉信号等幅度变化。模拟运算电路中没有现成的除法器电路，本发明中的除法器是由运算放大器和模拟乘法器构成，将模拟乘法器接入运算放大器的负反馈中，将干涉信号和干涉前的光频信号分别接入运算放大器和模拟乘法器的输入端，即可实现两路信号的相除运算。

步骤5，基于运算放大器搭建输出信号处理电路。首先，将经过除法器幅值调整的信号串联接入电容器，利用电容通交隔直的特性滤除电路中的直流分量。接着，将输出信号通入比例运算放大电路中，利用比例运算放大电路特性对输出信号幅值进行调节，减少系统输出阻抗，匹配后续测量电路。

综上，本发明在外腔可调谐半导体激光器的基础上研究其干涉信号幅值消除的硬件实现方法。首先，基于半导体激光器搭建迈克尔逊干涉仪进行干涉实验，获取干涉信号和干涉前光频信号共两路信号波形。接着，将获取的两路信号分别对应输入到基于运算放大器和模拟乘法器构成的硬件模拟除法器中，经过模拟除法器的数值计算可消除干涉信号中因为电流调制而导致的幅值调制，实现等幅度干涉信号输出。最后，将等幅干涉信号经过电容器滤除直流分量并通入由模拟运算放大器构成的比例放大电路中，对输出信号进行比例放大以及增强信号的输出能力等。