本文介紹了激光功率計的變換與顯示電路，該電路的主要功能是直接指示激光功率的大小。該電路把由激光功率計輸出的模擬電壓量變為數字脈沖輸出，并且把輸出脈沖的頻率實時顯示出來，同時具有精度高、線性好、工作穩定的特點。

在原子核物理實驗中，需用激光發生裝置產生一定能量的激光對原子光電截面進行測量。實驗要求知道激光發生裝置產生的激光功率。為了簡捷方便地了解激光功率的大小，在實驗中使用了激光功率計。它的輸出為一個模擬電壓量，該模擬電壓的幅度隨激光功率的變化而變化，為了便于實驗人員實時觀測并記錄數據，設計并研制了本電路。電路的主要功能是把由功率計輸出的模擬電壓變為與之相對應的數字脈沖輸出。該脈沖可以直接被記錄下來，脈沖頻率正比于功率計輸出模擬電壓的大小，即正比于激光的功率，同時該電路也實時顯示出輸出脈沖信號頻率的大小。

1、電路基本構成

電路主要由緩沖放大電路、V-F轉換電路、計數率計電路、甄別顯示電路等4部分組成。V-F轉換電路的輸出脈沖信號一路輸出到計數率計電路，另一路直接作為計數輸出，計數輸出可直接送入定標器或數據采集系統。激光功率計的變換與顯示電路結構框圖見圖1。該電路安裝在標準雙寬NIM插件里，在一個雙寬NIM插件里安裝了兩個相對獨立的工作通道，能同時對兩路激光功率計輸出的信號進行采集變換與顯示。

2、主要單元電路原理介紹

2.1、緩沖放大器

為了滿足不同幅度信號的測量與數據采集的要求，設計了緩沖放大器，其輸入信號為0～2V。主要由緩沖級與放大兩部分組成。緩沖級是由LF356構成的一個跟隨器。放大級由增益粗調和細調兩級構成。兩級均采用運算放大器LF356構成。增益粗調分為×1、×10、×100三檔，×1檔通過選擇開關來選擇，×10、×100檔可通過增益調節跳線器Jumper進行選擇和設置。增益細調級放大倍數調節可通過改變電位器的阻值實現，增益調節范圍0～10倍。放大級基本電路結構見圖2。第一級放大倍數可通過J3、J4兩個跳線器的選擇進行調節；第二級放大倍數由電位器R115調節。

2.2、V-F轉換電路

它是本電路中的關鍵部分，它把輸入的模擬電壓信號轉變為規則的脈沖信號輸出，脈沖信號的頻率與輸入模擬電壓成正比。在此采用LM331構成V-F轉換器。LM331是一種通用集成電路，十分適于用作電壓頻率轉換，其輸出脈沖信號的頻率精確地正比于輸入電壓，它具備電壓頻率轉換技術的所有優點。它由1.9V基準電壓、電流開關、比較器、雙穩態多諧振蕩器等構成。V-F轉換電路的基本電路圖見圖3。V-F轉換電路將電壓輸入轉換為頻率輸出，輸出頻率由下式得出

2.3、計數率計電路

為了簡單直觀，并實時地指示V-F轉換電路輸出信號頻率的變化趨勢，也即實時指示激光功率的變化趨勢，采用了計數率計電路方案。它是對單位時間內輸入的脈沖進行計數，給出正比于輸入脈沖頻率的輸出電壓。計數率計電路是基于電流脈沖對電容C充電，而電容C又經過與其相并聯的R放電，通過測量電容充放電平衡時流經電阻R的電流，或兩端的電壓，來實現脈沖平均計數率的測量。

圖4給出了簡單的RC電路，假定信號源產生平均計數率為N的輸入電流脈沖Ii（t），Ii（t）具有恒定的幅度和寬度，每個電流脈沖包含的電荷為Q。可以看出，每來一個脈沖，電容兩端充有電荷Q，因為平均計數率為N，則單位時間內電容上的充電電荷為NQ，電容C上的電荷同時會通過電阻R泄放。當電容充放電平衡時，流過R的放電電流I平均=NQ∝N，R上產生的壓降的平均值V平均=NQR，因此可以從輸出電壓讀出脈沖計數率N。考慮到測量的精度與電路的實現，簡單的RC電路并不能完全滿足要求，從而設計了二極管泵電路（圖5a）和改進的二極管泵電路（圖5b）等原理電路，可用來構成計數率計電路。

設計的計數率計電路是一個改進的二極管泵電路，二極管泵電路的基本原理見圖5a，它由二極管D1和D2、定量電容C1、積分電容C及電阻R組成，圖中Ri為信號源內阻。當輸入脈沖到來時通過內阻Ri及D1向C1充電，在輸入脈沖過后，D1截止，C1上的電荷經D2和C放電，通常有C C1，C1放電到穩態，原來充貯在C1上的電荷重新分布到電容C。C在每次充電后它的兩端電壓就升高，如果C和R兩端的電壓升為V平均，則C1放電到穩態時也V平均，則每次從C1轉移到C的電荷Q為（Vi-V平均）C1，由于V平均的存在，每次在C上電荷的增量Q隨著V平均的增加而減少，不是一個恒定的量。如果輸入脈沖計數率為N，則每單位時間向C充電的電荷為（Vi-V平均）C1N，充放電平衡時，充電電流與放電電流必相等，即（Vi-V平均）C1N=I平均=V平均/R，則V平均=［NRC1/（1+NRC1）Vi］，由此可見，V平均和N的關系存在非線性，為了改善二極管泵電路的非線性，在設計計數率計電路時采用改進后的二極管泵電路，基本原理如圖5b所示。它采用運算放大器構成積分器，A點的電位始終接近于零（虛地），使輸出V平均的變化與Vi對C1和C的充電幾乎無關，每次脈沖作用時，C上的電荷增量Q恒定，此時每單位時間向C充電的電荷為QN，充放電平衡時，有QN=I平均=V平均/R，從而使電路的輸出電壓與輸入脈沖計數率成線性關系。

2.4、甄別顯示電路

本單元電路將單位時間內的計數分6檔顯示，由LED指示。甄別顯示電路（圖6）。主要由運算放大器LM339構成，當輸入電位（在此輸入電壓由計數率計電路的輸出給出）大于相應甄別單元預置電位時，該甄別單元輸出變為高電平，驅動相應的指示LED亮。

3、結束語

設計并調試完成的激光功率計的變換與顯示電路測量精度高，工作性能可靠，穩定性好，且各項技術指標達到了設計要求。