微机在物理实验中的应用：第四讲 模／数转换器ADC

模/数转换器是微机与外部世界联系的又一个接口器件.模/数转换器将输入的模拟电压Ain转换为n位的二进制数.模拟电压Ain是连续变化的量,但输出的二进制数是离散值.输入的模拟电压Ain在一个最低有效位LSB的量化电压间隔内变化时,模/数转换器的输出都是同一个数字,也就是说,输出数字的变化不能完全反映输入电压     

自制AppleⅡA/D、D/A卡

在联机状态下微机应用于物理实验常常要将各种物理系统经过适当的传感器转换成模拟电压,然后经过模数转换器 ADC 转换成数字量输入计算机进行分析处理.计算机输出的信息也需要经过数模转换器 DAC 将数字量转换成模拟电压以便送到示波器显示或控制其他仪器.本文介绍两种用于 Apple Ⅱ     

线阵光纤激光相干合成控制器的设计

针对线阵光纤激光相干合成系统中对合成光束的质量、控制速度、控制精度的需求，完成了线阵光纤激光相干合成控制器的设计。该控制器以DSP2812和CPLD为核心处理器，通过AD976A模/数转换器接收光电探测器的电压信号，AD8544数/模转换器输出模拟电压控制压电陶瓷相位控制器，进而控制激光的相位变化。为了实现控制器与目标图像检测板和上位机的通信，设计了两路串口通信接口，并编写了相关测试程序，最终在线阵光纤激光相干合成系统中完成了四路1 064 nm激光的相干合成、扫描、跟踪实验。实验结果表明，该控制器搭载随机并行梯度下降（SPGD）算法，在光电探测器的配合下能够实现光纤激光锁相，控制主瓣能量变化优于±5%，锁相后主瓣能够完成±λ的扫描，扫描频率约为25 Hz，同时结合目标图像检测板完成了目标跟踪实验，实现激光相干合成条纹的目标跟踪。     

三维脊型光波导模斑转换器的设计和优化

在三维有限差分束传播法对脊形光波导的结构参数分析和优化的基础上,对单模光纤和脊形光波导连接耦合用模斑转换器进行了深入的研究,重点分析了影响模斑转换器性能的各种因素,如侧面边界、长度、大端宽度和厚度,以及连接光纤和模斑转换器的过渡波导的有关参数.仿真结果表明,三维锥形光波导模斑转换器大端宽度和厚度在11.5~13.5μm和4.5~6.5μm之间,且长度为200~500μm时插入损耗可低达2dB,比二维锥形光波导模斑转换器的插入损耗约减小2dB,其对横向偏移的容差也远远高于二维锥形光波导模斑转换器,合理的使用非线性边界的模斑转换器可以获得比线性边界的模斑转换器更小的插入损耗;过渡波导的宽度、芯层厚度应和三维锥形光波导模斑转换器的大端宽度和厚度一致,且其长度为150μm左右时损耗较小;另外,此类模斑转换器在减小耦合损耗的同时,还可以有效的进行光波模式的转换.     

用数字方法产生阻尼振荡波形

提出一种应用数字方法获得阻尼振荡波形的实验方案.采用一个D/A转换器的输出作为另一个D/A转换器的基准电压,实现了正弦波和指数波形在硬件上的相乘.采用此方法生成的阻尼振荡波形基波频率f与衰减时间常数τ之间完全独立可调.     

共线声光耦合的集成光学TE/TM模转换器

集成光学TE/TM模转换器是具有广泛应用前景的光电子器件。     

铷原子频标数字伺服系统

分析了铷频标内锁频环路相敏检波基本原理和数字伺服的基本方法. 采用单片机(MCU)、模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)设计了一种数字伺服系统. 利用该数字伺服系统,实现了铷原子频标的闭环锁定,短期稳定度指标达到一般商品铷钟水平.     

基于consensus滤波器的新型电压监测仪的设计

在进行深入分析consensus滤波器原理的基础上,提出了一种新的电压监测仪设计方法。首先将数模转换器在各个时刻测量的电压有效值看做一个小世界网络模型G中的一个节点。由于测量的电压信号容易被电网中的随机噪声所污染,通过consensus滤波器算法进行滤波,使得数模转换器测量的信号最终趋近于一个稳定的数值。仿真结果表明,该方法可以有效的还原被噪声污染的电压信号,而且即使在某一个时刻数模转换器出现故障失灵,所测量的数据也不受影响,仿真结果和实践应用表明了本文所提出方法的有效性和可行性。     

微机接口—理科专业课程之一

本文叙述了针对理科专业的微型计算机接口课程,其重点是放在器件与计算机的连接上,而不是计算机自身部件的连接。本实验使用的是比较常见的八位微机Rockwell AIM65.课程内容包括联络信号,查询,中断,模/数和数/模转换,以及步进电机的控制。介绍了汇编语言,课程自始至终都要用到这种语言。     

紧凑型圆极化模式转换器

提出了一种结构紧凑的、能将圆波导TM01模或同轴波导TEM模转换为圆极化TE11模的高功率微波模式转换器。该转换器由前后2个十字转门波导结对接组成,前者首先把圆波导TM01模转变为4个矩形波导中的TE10模,4个矩形波导的长度不等;后者再把4个经过不同相位延迟的矩形波导TE10模转变为圆波导中的圆极化TE11模。对所设计的1.75 GHz模式转换器进行了仿真研究,在中心频率上,该模式转换器转换效率为99%,轴比为0.03 dB;在1.575~1.900 GHz的频率范围内,转换效率大于90%,轴比小于2.5 dB,对应带宽为18.6%。     

同轴插板式TEM－TE11模式转换器的设计与实验研究

介绍了同轴插板式TEM－TE11模式转换器的设计:在同轴波导内沿径向插入四块金属板,将同轴TEM模转变为扇形截面波导TE11模,通过控制插板的长度使不同扇形截面波导输出TE11模的相位不同,最后在圆波导内形成TE11模;通过在插板的前端设置角向均匀分布的金属杆,实现了模式转换器的良好匹配。实验测得模式转换器的辐射方向图轴向最大,与数值计算结果吻合良好,表明实验中模式转换器的输出模式与数值计算结果一致,从而验证了同轴插板式模式转换器的可行性。     

高功率微波TM0n混合模式转换方法

针对现有基于特定模式成分所设计的高功率mTM0n-TEM/TM01混合模式转换器的工作原理,提出了一种大过模比结构下高功率TM0n混合模式的转换方法,可以实现将状态相对稳定且成分已知的GW量级任意模式成分比例、任意相位差的高功率TM0n混合模式微波高效转换为单一的TEM模或TM01模。利用该设计原则对之前所设计的高功率TM0n混合模式转换器进行优化改进,在保留了原有器件功率容量和频带特性的同时,大幅简化器件设计结构。     

硅基槽式纳米线多模干涉型模阶数转换器全矢量分析

提出了一种基于硅基槽式纳米线结构的紧凑式1×2多模干涉器型模阶数转换器,其中输入/输出通道为槽式直波导,经线性锥形过渡器连接居于中心的二次锥形槽式多模波导.采用全矢量频域有限差分法详细分析了垂直槽波导的模式特性,选取电场主分量E_y得到增强的quasi-TM模作为转换器的光信号模式.对比分析了矩形结构与二次锥形结构中的周期自镜像效应,发现二次锥形结构尺寸更短、损耗更低的特点.根据自镜像效应中一阶模成像位置设计多模干涉区域长度,经线性锥形过渡器从较宽输出端口输出一阶模,从较窄输出端口输出基模,从而实现模阶数转换功能.采用三维有限时域差分法详细分析了该转换器的光波传输特性,详细讨论了器件关键结构参数的制作容差.参数优化结果表明,该转换器的多模干涉区域的尺寸为3×5μm~2时,在1.55μm工作波长下,quasi-TM基模在输出quasi-TM一阶模端口的插入损耗约为0.35 dB,输出波导间的串扰约为-16.9 dB.另外,给出了输入模场主分量在器件中的传输演变情况.     

共聚焦生物芯片扫描仪中PMT电流增益的自动控制

根据共聚焦生物芯片扫描仪获得的图像,设计了计算机控制下的PMT电流增益自动控制系统.根据计算生物芯片图像的灰度分布与期望灰度分布的差异,得到期望灰度分布时PMT的期望电流增益,进而获得PMT的期望控制电压.一个12位数模转换器产生期望控制电压,自动控制PMT电流增益的调节,控制电压精度高达2 mV.实验结果表明,所设计的PMT电流增益自动控制系统可快速、准确地实现PMT电流增益调节,并具有稳定性高、抗干扰能力强的特点.     

焦面探测器阵列的信号处理器

一、引言本文论述一种信号处理装置,专用于二维碲镉汞-硅混合型(CMT-Si)光电探测器的阵列。此信号处理装置不使用数字信号处理(DSP)或快速高分辨率的模-数转换器(ADC),而只进行模拟区域内所需的非均匀性消除工作,就能克服与探测器有关的严重的固定图形噪声问题。采用这一方案的原因是出于自动武器制导和寻的系统,特别是反装甲任务所用的小型高速红外成象系统的需要。采用这一方案的样机已研制成功并已     

基于少模长周期光纤叠栅的模式转换器

本文提出一种在同一段少模光纤上写入两个不同周期Λ1和Λ2的长周期光纤光栅构成叠栅的方法,实现了纤芯基模LP_(01)向高阶纤芯模LP_(11)模式转换的宽带宽的新型的全光纤模式转换器.利用有限元法和耦合模理论建立了模式转换器的理论分析模型.数值仿真分析了叠栅中两个子光栅周期间隔、光栅长度、耦合系数等光栅参数对模式转换器的影响.仿真分析和实验结果表明,通过改变两个子光栅的周期间隔来改变两个损耗峰的位置,形成一个损耗峰,从而可以实现宽带宽的模式转换器,其10dB带宽约是单栅的2倍.与传统的模式转换器相比,该转换器带宽宽、转换效率高,尺寸小、抗干扰能力强,可以在模分复用系统和光通信中得到广泛的应用.     

紧凑型圆极化模式转换器

 提出了一种结构紧凑的、能将圆波导TM01模或同轴波导TEM模转换为圆极化TE₁₁模的高功率微波模式转换器。该转换器由前后2个十字转门波导结对接组成,前者首先把圆波导TM₀₁模转变为4个矩形波导中的TE₁₀模,4个矩形波导的长度不等;后者再把4个经过不同相位延迟的矩形波导TE₁₀模转变为圆波导中的圆极化TE₁₁模。对所设计的1.75 GHz模式转换器进行了仿真研究,在中心频率上,该模式转换器转换效率为99%,轴比为0.03 dB;在1.575~1.900 GHz的频率范围内,转换效率大于90%,轴比小于2.5 dB,对应带宽为18.6%。     

同轴插板式TEM-TE11模式转换器的设计与实验研究

 介绍了同轴插板式TEM－TE₁₁模式转换器的设计:在同轴波导内沿径向插入四块金属板,将同轴TEM模转变为扇形截面波导TE11模,通过控制插板的长度使不同扇形截面波导输出TE₁₁模的相位不同,最后在圆波导内形成TE₁₁模;通过在插板的前端设置角向均匀分布的金属杆,实现了模式转换器的良好匹配。实验测得模式转换器的辐射方向图轴向最大,与数值计算结果吻合良好,表明实验中模式转换器的输出模式与数值计算结果一致,从而验证了同轴插板式模式转换器的可行性。     

晶格振动声学支的边界耦合效应

在计入最近邻二体和三体作用的简谐近似下,解出了N×N正方简单格子的振动模。边界效应使通常将声子分支和用波矢量来标注的物理图象完全改变了。只能按空间型将声子分类。数字计算表明共价结构性质的加强可导致出现边界耦合软模。还给出了旋转模、内旋转模、公度非公度结构模,以及表面波声子模等一些新结果。边界耦合作用消除了声子的一些简并,使其频谱向高端和低端散开。理论被推广到三维一般情况,说明了边界耦合效应的主要结果。 关键词：     

L波段金属光子晶体TEM-TE11模式转换器实验研究

介绍了光子晶体模式转换器将TEM模转换为TE11模的验证实验测试结果。数值仿真得到中心频率1.31 GHz上,该模式转换器转换效率大于99%;在1.27~1.376 GHz频率上,模式转换器效率大于90%,相对带宽为8.1%。先后对其开展了微波暗室中的冷测实验以及在加速器平台上的热测实验,实验测试的辐射方向图结果与数值计算结果基本一致,输出微波模式均为典型的TE11模分布。热测实验表明所设计的模式转换器具有GW级功率容量。