一种用于光声光谱的光源调制器驱动装置

1.本实用新型属于自动化控制技术领域，尤其涉及一种用于光声光谱的光源调制器驱动装置。


背景技术：

2.在光声光谱系统中，对光进行调制是产生光声信号的必要条件。光调制装置一般是由马达带动标准斩波叶片，在特定速度下把一束未经调制的光源调节成特定频率的断续光，经过调制的光源的占空比与标准叶片匹配，一般为50％，把一束光源调节为“断-续-断”的交变光源，该频率与马达速度线性相关。在光学实验中，对光信号进行测量，此时用于光声光谱的光源调制器可以提供一个参考信号，就可以使用锁相放大器测量光信号输出的光声信号。用于光声光谱的光源调制器将光源信号经过特定频率调节后，再输出一路与该频率相同的ttl信号，锁相放大器以此参考信号将有效的微弱信号从众多频率干扰信号中提取出来。
3.目前市场上很多激光器的调制可以通过电调制的方式实现，而对于一些光源信号，如宽带光声光谱所用的宽带光源，很难通过电调制的方式对输出光进行调制，必须通过机械斩波器进行调制。目前市场上缺乏便于系统集成的模块化的用于光声光谱的光源调制器，实验室常用斩波器比如美国 thorlabs公司的mc2000b，不仅体积大，而且价格高昂。
4.另外，精密光源调制器对斩波稳定度要求很高，既要求用于光声光谱的光源调制器的机械部分精度要高，还需要考虑系统对斩波速度有要求，即需要系统的响应速度快。目前市面上斩波器难以在实现小体积的同时做到精确斩波。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中的问题，本实用新型提供一种用于光声光谱的光源调制器驱动装置，实现体积小型化的同时对斩波频率的精准控制。
6.本实用新型采用了以下技术方案：
7.一种用于光声光谱的光源调制器驱动装置，该驱动装置包括电源，及分别与所述电源连接的pwm波发生器、反相整形器和驱动马达，所述pwm波发生器的输出端连接所述反相整形器的输入端，所述反相整形器的输入端连接驱动马达的信号接收端，所述驱动马达连接并驱动光源调制器转动；所述反相整形器为74hc14施密特反相器。
8.优选的，所述pwm波发生器的输入端设置有stm32单片机通用定时器， pwm波发生器的输出端设置有驱动器，所述启动器型号为l297，用于接收单片机输出的pwm波。
9.优选的，沿所述电源的输出端方向还依次连接有晶体管稳压器a和晶体管稳压器b。
10.优选的，所述晶体管稳压器a为型号mic29302wu的输出电压可调的单通道线性恒压器，输出电压幅值为5v，所述晶体管稳压器b为型号 ams1117的三端恒压器，输出电压幅值为3.3v。
11.优选的，所述晶体管稳压器a和晶体管稳压器b内部均设置有热过载保护电路、输出晶体管安全区保护电路和电流限制电路，电流限制电路连接至输出晶体管安全区以保护电路。
12.优选的，所述驱动马达包括步进电机和机械运动组件，所述步进电机内置型号为l298的电机驱动芯片，所述机械运动组件内置型号为78m05的恒压器。
13.优选的，所述反相整形器内部设置有6个非门电路，用于对六路信号进行反相和滤波处理。
14.优选的，所述反相整形器包含pwm波输入接口、pwm波输出接口、 ttl输入接口和ttl输出接口。
15.优选的，所述步进电机的输入端连接反相整形器的pwm波输出端，所述步进电机的输出端连接反相整形器的ttl输入端，所述反相整形器的ttl 输出端连接恒压器的输入端，所述恒压器的输入端连接并带动光源调制器工作。
16.本实用新型还提供一种包含上述用于光声光谱的光源调制器驱动装置的光源调制器。
17.优选的，所述光源调制器包括底座和竖直设置在底座上的斩波转片，沿所述斩波转片的周向等间距开设有多个大小均匀的镂空调制窗口，所述斩波转片的圆心设置有转轴，该转轴连接所述驱动装置的输出端，并由所述驱动装置控制转轴转动，从而带动所述斩波转片绕滤盘圆心转动。
18.本实用新型的有益效果在于：
19.本实用新型的驱动装置工作过程为：经电源供能，pwm波发生器产生 pwm波首先经由反相整形器反相整形，之后进入驱动马达步进电机，由电机驱动芯片接收处理后的pwm波，输出标准的ttl逻辑电平信号，恒压器接收该ttl信号并驱动光源调制器工作。
20.所述pwm波发生器的输入端设置有stm32单片机通用定时器，pwm 波发生器的输出端设置有驱动器，所述驱动器型号为l297，用于接收单片机输出的pwm波。stm32单片机最小系统设计有pwm波输出单通道，并且通过修改stm32通用定时器参数值可以分别对输出的pwm波信号幅值和周期进行调节。
21.反相整形器为型号74hc14的施密特反相器，pwm波经过反相整形，可以减少尖峰脉冲对输出pwm波精度的影响。
22.反相整形器内部设置有6个非门电路，可以最多用于对六路信号进行反相和滤波处理。
23.驱动马达内置型号为78m05的恒压器，该恒压器可以使马达内部逻辑电路部分在低压下工作，并对外输出逻辑电压5v，用于驱动用于光声光谱的光源调制器工作。
24.单片最小系统根据调速反馈模块输出供锁相放大器解调的参考信号，由于单片最小系统的io口驱动能力较弱，无法达到实验的要求，因此需要增加驱动芯片，将单片的输出信号转换成ttl输出。本实用新型中驱动芯片使用型号为l298的电机驱动芯片，由滤波器进行滤波处理，减少高频信号的干扰，输出一段完整平滑的方波信号。
25.商业的斩波器，其控制器是一个小型机箱，所占的体积大，不便于系统集成，本实用新型提供的驱动装置则将控制器简缩为一个电路控制板，利用本发明提供的驱动装置的光源调制器可以通过上位机通讯实现光源选择，并且仪器大小可以根据自主需要来设计。
26.本实用新型通过pwm波发生器、反相整形器以及驱动马达的配合，斩波精度高，频率范围宽，符合市场精度要求，可以实现光源调制器的高精度斩波和小型集成化应用。
附图说明
27.图1为本实用新型的驱动流程示意图；
28.图2为本实用新型中反相整形器的逻辑电路示意图；
29.图3为本实用新型使用的光源调制器结构示意图；
30.图4为本实用新型实施例2中在20-180hz范围内两种光学调制器的h2o 的吸收谱谱线比较。
31.图5为本实用新型实施例2中在1500-1800hz范围内两种光学调制器的 h2o的吸收谱谱线比较。
32.图6为本实用新型实施例2中在所有频率区间内两种光学调制器的h2o 的光声信号的对比。
具体实施方式
33.下面结合附图来对本实用新型的技术方案做出更为具体的说明：
34.实施例1
35.如图1-3所示，一种用于光声光谱的光源调制器驱动装置，该驱动装置包括电源、pwm波发生器、反相整形器和驱动马达。
36.电源供能模块输出端电压值为3.3v～12v，沿电源的输出端方向依次连接有晶体管稳压器a和晶体管稳压器b。其中晶体管稳压器a为型号 mic29302wu的输出电压可调的单通道线性恒压器本实施例中设置输出电压幅值为5v；所述晶体管稳压器b为型号ams1117的三端恒压器，将晶体管稳压器a的输出电压值调整为3.3v。晶体管稳压器b输出的电压分别给所述 pwm波发生器、反相整形器和驱动马达供电。
37.本驱动装置中，所述pwm波发生器的输出端连接所述反相整形器的输入端，所述反相整形器的输入端连接驱动马达的信号接收端，所述驱动马达连接并驱动光源调制器转动。pwm波发生器和反相整形器、驱动马达共同配合，实现对光源调制器的控制，提高斩波精度。
38.所述晶体管稳压器a和晶体管稳压器b内部均设置有热过载保护电路、输出晶体管安全区保护电路和电流限制电路，电流限制电路连接至输出晶体管安全区以保护电路。
39.所述pwm波发生器的输入端设置有stm32单片机通用定时器，pwm 波发生器的输出端设置有驱动器，所述驱动器型号为l297，用于接收单片机输出的pwm波。
40.上述pwm波由stm32单片机通用定时器设计输出，基于arm的微控制器设计有pwm波输出单通道，并且通过修改stm32通用定时器参数值可以对输出的pwm波占空比进行调节。
41.反相整形器为型号74hc14的施密特反相器，pwm波经过反相整形，可以减少尖峰脉冲对输出pwm波精度的影响。上述74hc14是一款兼容耗压低标准系的快速晶体管反相器，遵循jedec标准，逻辑功能为6路数模转换的相位反转器，其能耗低，响应时间短，把外部反馈的输入信号转换整形成平滑、无尖峰的输出信号。
42.74hc14为有数模转换的相位反转器的六相位反转器，a端为输入端，y 端为输出
端，单个芯片六路输入输出。如图2所示，1,3,5,9,11,13为输入端， 2,4,6,8,10,12为输出端，输出结果与输入结果反相。即如果输入端为高电平，那么输出为低电平；如果输入低电平，输出为高电平。pwm波经过74hc14 反相整形后进入机械运动模块，避免了尖峰信号对实验的影响。
43.本实施例中，反相整形器包含pwm波输入接口r1、pwm波输出接口 r2、ttl输入接口r3和ttl输出接口r4。r3接ttl输入用于反馈调整。驱动马达包括步进电机和机械运动组件，单片机根据调速反馈模块输出供锁相放大器解调的参考信号，由于单片机io口驱动能力较弱，无法达到实验的要求，因此需要增加驱动芯片，将单片的输出信号转换成ttl输出。本实用新型中驱动芯片使用型号为l298的电机驱动芯片，由滤波器进行滤波处理，减少高频信号的干扰，输出一段完整平滑的方波信号。
44.步进电机的输入端连接反相整形器的pwm波输出端，所述步进电机的输出端连接反相整形器的ttl输入端。机械运动组件内置型号为78mo5的恒压器，所述反相整形器的ttl输出端连接恒压器的输入端；78mo5恒压器可以使马达内部逻辑电路部分在低压下工作，并对外输出逻辑电压5v，上述恒压器的输入端连接并驱动用于光声光谱的光源调制器工作。
45.在一种实施方式中，如图3所示，包含上述驱动部的光源调制器，包括底座10和竖直设置在底座10上的斩波转片20，沿所述斩波转片20的周向等间距开设有6个大小均匀的镂空调制窗口21，所述斩波转片20的圆心设置有转轴22，该转轴22连接所述驱动装置的输出端，并由所述驱动装置控制转轴22转动，从而带动所述镂空调制窗口21绕滤盘圆心转动，调制光源；上述驱动装置设置在壳体30内部或外接设置。通过pwm波发生器、反相整形器以及驱动马达的配合，可以实现光源调制器的高精度转动。
46.实施例2
47.以实施例1中包含本实用新型提供的驱动装置的光源调制器和商业光源调制器(型号mc2000b，美国thorlabs)进行对比试验。
48.体积对比：商业光源调制器由斩波装置和斩波器控制箱组成，该控制箱体积约为327cm3，本实用新型提供的驱动装置体积为16cm3，商业光源调制器控制箱的体积是本实用新型的20倍左右。
49.性能对比：在一个密闭的光声池内，用商业光源调制器对光源进行频率调制，采集光声信号，之后将本实用新型的光源调制器替代商业光源调制器，继续采集光声信号，频率设定范围为20-150hz和1500-1800hz，结果如图4
‑ꢀ
6所示，图中斩波器即光源调制器。
50.图4为在20-180hz范围内，波长1395nm的h2o激光器，分别经过两种光学调制器进行频率调节后，对光声池内h2o的吸收谱线进行测量的结果，每幅图分别代表150、160、170、180四个频率下的h2o的吸收谱谱线比较。
51.图5为在1500-1800hz范围内，波长1395nm的h2o激光器，经过经过两种光学调制器进行频率调节后，对光声池内h2o的吸收谱线进行测量，每幅图分别代表1540、1550、1560、1570四个频率下的h2o的吸收谱谱线比较。
52.图6显示了在所有频率区间内两种光学调制器的h2o的光声信号的对比，由图可知自制的光学调制器r2值稍大于商业斩波器，满足光声光谱仪器设计精度要求。
53.由二者的光信号吸收谱对比可知本实用新型的光源调制器具有很好的稳定性和调制功能，和商业光源调制器相比性能较为相近，且在不同频率下的光声信号也体现出很
好的一致性，表明利用本实用新型提供的驱动装置可以实现在体积减小的同时达到较高的精度。
54.以上仅为本实用新型创造的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型创造；尽管参照前述实施方式对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本实用新型创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型创造的保护范围之内。