移动干涉条纹电子计数器的设计

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1、基本电路理论课程论文2006-2007第一学期移动干涉条纹电子计数器的设计F0503025班5050309696王礴摘要：本文讨论了如何利用电子仪器代替人眼在迈克尔逊干涉实验中计数，达到减小实验误差、减轻实验操作人员的负担的目的。一、问题来由这学期选修的“高级光学组合”物理实验利用组合式迈克尔逊干涉仪（图1）测量激光波长、空气及玻璃的折射率，其原理是通过两面发射镜来制造光程差，在观察屏上产生干涉图样（图2）。图1.光学组合套件迈克尔逊干涉方式（来源PASCO）图2.不同光程差下的迈克尔逊干涉图样（来源：上海交大物理系）1基本电路理论课程论文2006-2007第一学期进行实验时，须记录通过观察

2、屏（ViewingScreen）上某一指定参考线的条纹数目。随着可动反射镜（MovableMirror，图1）的平移，干涉图样中的同心圆条纹会从中间吐出，再向四周扩散，就像喷涌的泉眼；或是向中间收缩，在圆心处消失（见图2）。测量光波长实验需要至少20个条纹通过参考线，而测量玻璃折射率的实验中，在要求的情况下，通过参考线的条纹数量达80之多。不断变换的同心圆环很容易让人产生错觉和厌烦情绪，从而极大地影响读数精度。图3.观察屏上的干涉图样（来源我在实验中读得是相当辛苦，那可否借助光电系PASCO）统来代替操作人员进行读数呢？二、解决方案答案当然是肯定的。图4.移动条纹电子计数器模式图计数系统构造

3、如上图所示，选取光敏电阻作为该系统的传感器（光敏电阻特性见“工程实现-器件选择”）。同时注意到，套件中的可调发射镜（AdjustableMirror）并不是完全反射，部分光线是可以透过它的。因此在其背面固定一光敏电阻R1作为参照，其阻值自始至终变化极小。同时，在观察屏上遵照实验要求，选择图案中心之外的第一或第二条条纹作为参考固定另一光敏电阻R2，用于测量条纹的变化。图5.光敏传感器的位置设置通过对两电阻的端电压做差，在明暗条文交替时产生脉冲，由Counter纪录，移交寄存器，并通过二进制转七段解码器，最终在数码管上显示出当前通过参考线（测量用光敏电阻）2基本电路理论课程论文2006-2007

4、第一学期的条纹数目。三、工程实现ò电路：传感器部分：由于观察屏上的明暗条纹间隔不大，所以电阻不可能完全处在暗区中。因此，随着条纹的移动，电阻的变化并不会十分明显（相对于千欧到吉兆欧的变化而言）。采用运放对参考电阻与测量电阻的差进行放大，以达到计数器的高电平标准。图6.条纹传感器部分电路条纹传感器部分电路如图6所示，R5=R7，R6=R8。由“虚短”原则，有ua=ub。根据给定的电流参考方向，有：i1=(uc-ua)/R5i2=(ud-ub)/R7=(ud-ua)/R5i3=ub/R8=ua/R8，i4=(ua-uout)/R6又由“虚断”原则，有i2=i3，即：(ud-ua)/R5=ua/R

5、8得ua=R8*ud/(R5+R8)又有i1=i4，即：(uc-ua)/R5=(ua-uout)/R6将ua代入上式，求得输出电压为：uout=R6*(uc-ud)/R5输出电压Uout为uc，ud差的R6/R5倍。R1、R2、R3、R4构成电桥。R1为参考光敏电阻，R2为测量用光敏电阻。系统初始化时，可通过调节R3使电桥平衡。D1为明暗条纹的标志灯，D1亮起时，表示R2上为暗条纹。计数器、寄存器部分：3基本电路理论课程论文2006-2007第一学期图7.计数器部分电路使用两块74HC160（BCDDecadeCounter）连接成BCD十进制计数器。输出Q0~Q3送至并入并出寄存器74HC

6、195（Parallel-AccessShiftRegister），再传到显示部分。开关K为清零开关，K闭合时，清零有效，这是计数的第一步。实验开始后断开K。D0~D3口为预留扩展口，在“功能扩展”部分中会作进一步阐述。显示部分：本系统使用二位七段数码管作为显示器，从寄存器出来的数据，经74LS47(BCD-to-7-SegmentDecoder)解码，输出到数码管，具体连接这里不再赘述。ò器件选择：光敏电阻：光敏电阻实际是半导体器件，但因没有极性，故称为“电阻”。不同材料制成的光敏电阻对不同光谱的敏感度不尽相同，这里的激光波长处于600nm到700nm之间。同时，光敏电阻的光电流不能随着光

7、强改变而立刻变化，其时间常数一般处于ms量级。这是光敏电阻的主要缺点之一，选择时应加以注意。这也提醒我们：实验过程中可动反射镜、玻璃的运动不可太快，否则将影响计数器读数。电阻：图6中，R5、R6、R7、R8关系到输出倍数，可通过试验确定。ò功能扩展：如前所述，可在计数器处通过D0~D3进行预设置，确定计数初始值。还可以添加键盘和寄存器，预设中断值。即达到某一预设数值后，系统发出提示（如使用蜂鸣器）。这样，操作