РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО МАЛОПОТРЕБЛЯЮЩЕГО БЛОКА ОБРАБОТКИ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

Наукосфера. №9 (1), 2025 Информационные технологии ISSN 2542-0402 9 http://nauko-sfera.ru/ УДК 681.787 DOI 10.5281/zenodo.17130841 Научная статья РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО МАЛОПОТРЕБЛЯЮЩЕГО БЛОКА ОБРАБОТКИ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ DEVELOPMENT OF A DIGITAL LOW-POWER ELECTRONIC BLOCK FOR PROCESSING INTERFEROMETRIC MEASUREMENT SIGNALS ЕРЕМИН ДМИТРИЙ ДЕНИСОВИЧ, МГТУ «Станкин». МАСТЕРЕНКО ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, доктор технических наук, доцент, профессор, МГТУ «Станкин». EREMIN DMITRY DENISOVICH, MSUT "Stankin". MASTERENKO DMITRY ALEXANDROVICH, Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor, Professor, MSUT "Stankin". В статье описывается процесс разработки и изготовления образца цифрового электронного блока подсчета количества интерференционных полос с низким потреблением тока с использованием доступных материалов, технологий и комплектующих. Приведена схема блока электрическая принципиальная, блок-схема алгоритма работы микроконтроллера, описаны режимы работы цифровой части схемы. В разработке использовались распространенные rail-to-rail операционные усилители и бюджетный микроконтроллер CH32V203K8T6. Программа реализована на языке C с использованием принципов автоматного программирования. This article describes the process of developing and manufacturing a sample of a digital electronic block for counting the number of interference fringes with low current consumption using available materials, technologies and components. The electrical circuit diagram of the block, the block diagram of the microcontroller operation algorithm are given, and the calculations of the modes of the analog part of the circuit are presented. The development used common rail-to-rail operational amplifiers with single-polar power supply and a budget microcontroller CH32V203K8T6. The program is implemented in the C language using the principles of automata programming. Ключевые слова: лазерный интерферометр, обработка интерференционной картины, автоматное программирование, фототранзистор, цифровые схемы. Key words: laser interferometer, interference pattern processing, automatic programming, phototransistor, digital circuits. ведение. Интерферометрия, как метод исследования, позволяющий измерять малые перемещения и определять геометрические параметры объектов с высокой точностью, является В Наукосфера. №9 (1), 2025 Информационные технологии ISSN 2542-0402 10 http://nauko-sfera.ru/ одним из перспективных направлений в измерительной технике. Для реализации этого метода измерения необходим источник когерентного излучения, в качестве которого, как правило, выступает оптический квантовый генератор – лазер. Лазерные интерферометры, обладая такими особенностями, как возможность работы в нанометровом диапазоне, высокая стабильность излучения, относительная простота регистрации интерференционной картины, широкий диапазон длин волн излучения, являются оптимальными устройствами для определения качества изготовления деталей машин, оптических систем, а также для использования в исследовательских целях [2, с. 174]. Неотъемлемой частью современного лазерного интерферометра является система, позволяющая обрабатывать картину, полученную в результате интерференции лучей. Использование таких систем, помимо обеспечения автоматизации измерительного процесса, дает возможность обезопасить оператора от попадания в глаза прямого или зеркально отраженного лазерного пучка, способного привести к ожогу сетчатки [5, c. 297]. На данный момент существует множество вариантов реализации блоков обработки интерферометрических измерительных сигналов. Например, в таких системах успешно применяются видеокамеры [3, с. 75] и ПЗС-матрицы [1, с. 298] в сочетании с пропускающим пространственными модуляторами света [7, с. 102], что дает возможность проводить измерения с погрешностью в десятки нанометров. Все перечисленные варианты конструкций обладают общей особенностью – использованные в них фотоприемные модули производят сложный цифровой сигнал, для обработки которого необходимы значительные вычислительные ресурсы. По этой причине подобные системы оснащаются компьютерами со специализированным программным обеспечением [6, с. 45], что в значительной степени усложняет и удорожает их, а также увеличивает габариты установки. Для решения задач, не требующих повышенной точности измерений, возможно разработать упрощенный блок, обеспечивающий надежный подсчет целого числа интерференционных полос. Подобная система будет надежнее, дешевле и миниатюрнее. Еще одним достоинством является возможность их реализации с применением доступных микроконтроллеров вместо компьютеров, что положительно скажется на мобильности и автономности. Описание процесса разработки подобного блока приведен далее. Материалы и методы. Картина пространственного распределения интенсивности при наблюдении интерференции электромагнитных волн называется интерференционной картиной. Возможность ее наблюдения связана с тем, насколько значения максимумов её интенсивности отличаются от минимумов. Чем больше отличаются значения максимумов и минимумов наблюдаемой интерференционной картины, тем она контрастнее, поскольку на ней лучше виден эффект перераспределения интенсивности пересекающихся волновых пучков [9]. Таким образом, для проектирования устройства, обеспечивающего подсчет интерференционных полос, необходим датчик, реагирующий на смену минимумов и максимумов интенсивности. Сигнал с такого детектора освещенности при необходимости должен пройти предварительную обработку перед подачей на отсчетное устройство. В общем случае, схема блока подсчета интерференционных полос выглядит следующим образом (рис. 1). Рис. 1. Общая схема блока подсчета интерференционных полос Наукосфера. №9 (1), 2025 Информационные технологии ISSN 2542-0402 11 http://nauko-sfera.ru/ В качестве светового датчика подходит фототранзистор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, выходной ток которого зависит от интенсивности попадающего на него излучения [4, с. 86]. Основными критериями подбора являются полоса спектральной чувствительности и размеры корпуса компонента — длина волны источника излучения должна попадать в полосу чувствительности, при этом, транзистор должен быть миниатюрным. Заданным требованиям отвечает фототранзистор ALS-PT19-315C. Нижняя и верхняя границы его полосы совпадают с длинами волн 390 и 700 нм соответственно, а пиковая чувствительность соответствует длине волны красного лазера – 630 нм [10]. Сигнал, снимаемый с фототранзистора, амплитуда которого в идеальном случае лежит в интервале между напряжением питания и потенциалом коллектора транзистора в режиме насыщения и, как и наличие смещения сигнала относительно нуля, зависит от интенсивности излучения. Для обеспечения стабильности сигнала и его последующей оцифровки была применена следующая преобразующая цепочка, продемонстрированная на рис. 2. Рис. 2. Преобразующая цепочка Сигнал с коллекторной цепи фототранзистора поступает на разделительный конденсатор C1 малой емкости для отсечения постоянной составляющей. Далее, сигнал попадает на неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления K = 10, обеспечивающий необходимую для дальнейшей обработки амплитуду. Затем, сигнал проходит через разделительный конденсатор С4. При помощи резистивного делителя напряжения R4-R5 достигается стабильное смещение сигнала, на уровень, равный половине питания. Далее усиленный и смещенный сигнал поступает на триггер Шмитта 74HC14, который, срабатывая при уровнях напряжения 1В и 4В, генерирует прямоугольный сигнал в соответствии с синусоидальным на входе, что обеспечивает оцифровку подготовленного аналогового сигнала. Стоит отметить, что сигнал после входного разделительного конденсатора не имеет смещения, т. е. его амплитудные значения могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. Чтобы операционный усилитель мог работать с таким сигналом, ему необходимо двухполярное питание с достаточным током, которое обеспечивал импульсный преобразователь ICL7660S. Выходной сигнал преобразующей цепочки используется для тактирования счетчика, ответственного за подсчет интерференционных полос. Эта часть разрабатываемого блока была реализована на микроконтроллере CH32V203K8T6. Доступный микроконтроллер в ми- Наукосфера. №9 (1), 2025 Информационные технологии ISSN 2542-0402 12 http://nauko-sfera.ru/ ниатюрном корпусе расширяет возможности блока, обеспечивая связь с ПК и, автоматизируя процесс интерферометрических измерений. В реализации был задействован один из шестнадцатиразрядных таймеров, сконфигурированный для тактирования от внешнего источника, и аппаратный УАПП. Также были активированы внешние прерывания для определения начала и конца отсчета полос Алгоритм работы микроконтроллера реализован с применением принципов автоматного программирования, что позволяет достичь максимального быстродействия текущей системы. Другим достоинством этого подхода является минимизация времени на отладку вследствие упорядоченности и, следовательно, простоты готовой программы [8, с. 8]. После инициализации переменных и структур происходит ожидание посылки от ПК и срабатывания внешнего прерывания, которое переключает контроллер из состояния ожидания в состояние начала отсчета. В этом состоянии сбрасывается счетный регистр таймера и переменная, хранящая результат отсчета. Далее, контроллер возвращается в состояние ожидания посылки и находится там до тех пор, пока не приходит внешнее прерывание, переводящее контроллер в состояние окончания отсчета. В этом состоянии происходит запись количества отсчетов таймера в переменную, хранящую результат отсчета и возвращение в состояние ожидания посылки от ПК, запрашивающей результаты измерения. Блок-схема программы приведена ниже на рис. 3. Рис. 3. Блок-схема алгоритма работы программы Результаты. Работоспособность готовой схемы блока подсчета полос была проверена в несколько этапов. В качестве первичной проверки было использовано SPICE-моделирование при помощи пакета программ NI Multisim 14.0 (рис. 4). Наукосфера. №9 (1), 2025 Информационные технологии ISSN 2542-0402 13 http://nauko-sfera.ru/ Рис. 4. SPICE модель схемы Для упрощения из схемы был исключен преобразователь напряжения, обеспечивающий операционный усилитель отрицательным напряжением питания. Источник сигнала был сымитирован при помощи генератора прямоугольных импульсов амплитудой 200 мА и заданным смещением 1 В. Результат преобразования начального сигнала продемонстрирована на рис. 5. Рис. 5. Осциллограмма полученных сигналов На рисунке 5 видно, что на осциллограмме присутствует 4 луча с каналов A, B, C, D. Сигнал с коллекторной цепи фототранзистора, отображенный зеленым лучом, имеет смещение и наименьшую амплитуду (канал A). Усиленный сигнал без постоянной составляющей (канал B, красный луч) смещается вверх при помощи делителя R4-R3(канал C, бирюзовый луч) и поступает на вход микросхемы-триггера U3, которая, в свою очередь, генерирует прямоугольный сигнал, позволяющий обеспечивать подсчет полос по его фронтам (канал D, розовый луч). Наукосфера. №9 (1), 2025 Информационные технологии ISSN 2542-0402 14 http://nauko-sfera.ru/ По ранее составленной принципиальной схеме была разработана топология платы блока подсчета интерференционных полос. С ее применением при помощи комбинированного метода было изготовлено несколько версий плат. Финальный вариант представлен на рис. 6. Рис. 6. Плата блока подсчета интерферометрических полос Проверка работоспособности готового макета блока подсчета интерференционных полос проводился с использованием компактного интерферометра Майкельсона, установка представлена на рис. 7. Интерференционная картина вместо экрана проецировалась на сторону платы, содержащую фототранзистор. При вращении винта микрометрической подачи происходило смещение полос картины, обеспечивая попеременное освещение светочувствительного датчика интерференционными максимумами. Параллельно блоку был подключен осциллограф, позволяющий отслеживать преобразования сигнала. Рис. 7. Установка для испытания блока подсчета интерферометрических полос Наукосфера. №9 (1), 2025 Информационные технологии ISSN 2542-0402 15 http://nauko-sfera.ru/ Процесс испытания был проведен следующим образом. При помощи винта картина подстраивалась так, чтобы фототранзистор не был освещен, т. е. на него попадала зона интерференционного минимума. Далее посредством плавного поступательного перемещения каретки и зеркала интерферометра достигалось смещение 50 полос интерференционной картины. Количество считанных блоком полос отображалось на мониторе ПК и сравнивалось с заданным ранее числом. Из 10 попыток в 4 случаях возникали лишние 1-3 отсчета, обусловленные условиями эксперимента, не обеспечивающими достаточной жесткости установки и необходимостью ручного смещения каретки с зеркалом. Обсуждение. Полученная система обладает рядом недостатков. Одним из них, является высокая чувствительности системы. Скачкообразное изменение интенсивности лазерного излучения, что возможно при использовании недорогих лазеров с некачественными источниками питания, может восприниматься блоком, как смещение полосы интерференционной картины. Этот аспект также повлиял на результаты проведенных испытаний. Для минимизации этого эффекта необходимо настраивать коэффициент усиления операционного усилителя с целью подобрать оптимальный уровень чувствительности. Другим недостатком разработанного блока является невозможность определения направления смещения. Доработка в виде дооснащения системы дополнительным оптическим каналом может решить данную проблему. Тем не менее, разработанный блок продемонстрировал свою работоспособность. Основными его преимуществами по сравнению с другими решениями являются небольшие размеры, низкая сложность изготовления, распространенность компонентной базы и вытекающая из всего ранее описанного высокая ремонтопригодность. Также, простота системы позволяет использовать всего один микроконтроллер вместо компьютера для обработки данных и дальнейшей автоматизации, что невозможно в конструкциях с применением ПЗСматриц и видеокамер. Все ранее перечисленное доказывает применимость разработанного блока обработки интерферометрических измерительных сигналов в составе простых миниатюрных автономных интерферометрических установок. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Семенов А.А., Щербакова А.А., Болдин В.В. Автоматизация контроля качества масла в транспортных машинах // Молодежь. Образование. Наука. 2023, №1, С. 298. 2. Малыкин Г.Б. История развития методов и интерференционных приборов // Оптика и спектроскопия. 2021. Т.129. С. 174. 3. Будаговская О.Н., Будаговский А.В., Будаговский И.А. Метод коррекции показаний при оценке контраста интерференционных полос с помощью 8-битовых веб-камер // Приборы и техника эксперимента. 2021. №3. C. 75. 4. Основы схемотехники приемопередающих электронных устройств / сост. А.С. Алейник, Е.В. Востриков, С.А. Волковский, [и др.]. Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2021. 86 c. 5. Пальцев Ю.П., Походзей Л.В. Обеспечение лазерной безопасности как медикотехническая проблема // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. 2022, №4, C. 297. 6. Азаматов З.Т., Базарбаев Н.Н., Баҳромов А.Б. Спекл-интерферометрия для дефектоскопии элементов микроэлектроники // Научный журнал Физика. 2022, №2, С. 45. 7. Балбекин Н.С., Венедиктов В.Ю., Венедиктов Д.В. Цифровое голографическое увеличение чувствительности интерферограмм // Автометрия. 2020, т.56, №2, С. 102. 8. Шалыто А. А. Парадигма автоматного программирования // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2008, № 53, С. 8. 9. Электромагнитные волны и оптика // Кафедра физики МГТУ им. Н.Э. Баумана. URL: http://fn.bmstu.ru/data-physics/library/physbook/tom4/ch4/texthtml/ch4_1.htm (дата обращения 20.07.25). Наукосфера. №9 (1), 2025 Информационные технологии ISSN 2542-0402 16 http://nauko-sfera.ru/ 10. ALS-PT19-315C/L177/TR8, Фототранзистор smd 1,7х0,8мм/390-700нм, световой ток 150uA @1000Lx // Группа компаний ПРОМЭЛЕКТРОНИКА. URL: https://www.promelec.ru/product/179622/ (дата обращения: 21.08.25). Поступила в редакцию: 08.09.2025 © Еремин Д.Д., Мастеренко Д.А., 2025. Принята в печать: 14.10.2025