《移动干涉条纹电子计数器的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《移动干涉条纹电子计数器的设计（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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 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
2、程论文 2006-2007 第一学期 进行实验时，须记录通过观察屏（Viewing Screen）上某一指定参考线的条纹数目。随着可动反 射镜（Movable Mirror，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 PASCO） 我在实验中读得是相当辛苦，那可否借
3、助光电系 统来代替操作人员进行读数呢？ 二、解决方案 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（Adjustable Mirror）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，
4、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 第一学期 的条纹数目。 三、工程实现 三、工程实现 ? 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
5、给定的电流参考方向，有： i1 = (uc-ua)/R5 i2 = (ud-ub)/R7 = (ud-ua)/R5 i3 = ub/R8 = ua/R8，i4 = (ua-uout)/R6 又由“虚断”原则，有 i2 = i3，即： (ud-ua)/R5 = ua/R8 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
6、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（BCD Decade Counter）连接成 BCD 十进制计数器。输出 Q0Q3 送至 并入并出寄存器 74HC195（Parallel-Access Shift Register） ，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。D0D3 口为预 留扩展口，在“功能扩展”部分中会作进一步阐述。 显示
7、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-Segment Decoder)解码，输出到数码管，具体连接这里不再赘述。 ? 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
8、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。 ? 功能扩展： 如前所述，可在计数器处通过 D0D3 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 作人员可以专注于实验仪器的变化，而不用同时兼顾读数。 原本希望通过对“测量光敏电阻”两端的电压对反射镜的变化进行微分，或记忆光敏电 阻处于亮条纹时的端电压作参考值。 但考虑操作人员的对仪器的调整并不均匀， 这样实现起 来的难度也较大，不如设参考电阻来得方便。 最后，感谢陈老师一学期的辛勤教学！祝陈老师身体健康！ 参考资料： 参考资料： 电路基础 大学物理实验 PASCO物理组合实验系列高级光学组合实验 (平台部分) 光敏电阻特性测定及其应用，大连海事大学 4基本电路理论课程论文 2006-2007 第一学期 5
