干涉型光纖擾動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)和仿真

在現(xiàn)代傳感系統(tǒng)中，干涉型光纖擾動(dòng)傳感器以其極高的靈敏度得到了廣泛關(guān)注。其中關(guān)鍵部分是信號(hào)調(diào)理電路，它用來(lái)檢測(cè)和預(yù)處理非常微弱并夾雜著噪聲的傳感信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，光電探測(cè)器的輸出信號(hào)要先經(jīng)過(guò)前置放大、濾波等預(yù)處理環(huán)節(jié)，最大限度地抑制噪聲，為信號(hào)的進(jìn)一步處理打下基礎(chǔ)。本文主要討論了微弱傳感信號(hào)的調(diào)理電路設(shè)計(jì)，包括前置放大電路的設(shè)計(jì)，帶通濾波器的設(shè)計(jì)和運(yùn)放的選擇，并用MuItisim 10對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真。

1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
光電探測(cè)器接收到的光信號(hào)一般都非常微弱，而且光電探測(cè)器輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲之中。因此，要先對(duì)這樣的微弱傳感信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過(guò)前置放大電路、濾波電路來(lái)輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測(cè)信號(hào)。
其信號(hào)調(diào)理模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，完整的信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

在圖2中，電源電壓輸入端和地之間接入1μF的電容C9，C10，用來(lái)濾除電源帶來(lái)的干擾。

2 光電探測(cè)器及其工作模式選擇
2．1 光電探測(cè)器的選擇
光電探測(cè)器是一種通過(guò)光電效應(yīng)探測(cè)光信號(hào)的器件。選擇光電探測(cè)器應(yīng)考慮；光電靈敏度要求足夠高；信噪比高；相應(yīng)峰值波長(zhǎng)應(yīng)與發(fā)光器件的發(fā)射波長(zhǎng)、光纖的低損耗窗口相匹配；響應(yīng)速度快；輸出光電流-照度特性曲線的線性度好。
光電探測(cè)器的種類很多。在干涉型光纖傳感器中，光電探測(cè)器通常采用PIN結(jié)型和雪崩型光電二極管。
PIN光電二極管響應(yīng)頻率高，響應(yīng)速度快，供電電壓低，工作十分穩(wěn)定。雪崩二極管靈敏度高，響應(yīng)快，但需要上百伏的工作電壓，且增益會(huì)引起噪聲，容易帶來(lái)電流失真。考慮到該系統(tǒng)所據(jù)測(cè)的波長(zhǎng)范圍和器件在0～40℃范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，決定采用InGaAs PIN photodiode G8371-03型光電二極管。該光電二極管在溫度特性方面也相當(dāng)出色，比其他光電二極管有著更好的特性曲線。
2．2 光電探測(cè)器的工作模式
光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖3所示為光電二極管兩種模式的偏置電路。

在光伏模式時(shí)，光電二極管可非常精確地線性工作；而在光導(dǎo)模式時(shí)，光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。在反偏置條件下，即使無(wú)光照，仍有一個(gè)很小的電流(暗電流)。而在零偏置時(shí)則沒(méi)有暗電流，這時(shí)二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲。在反偏置時(shí)，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。該設(shè)計(jì)所針對(duì)的待檢測(cè)傳感信號(hào)是十分微弱的信號(hào)，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，所以該設(shè)計(jì)采用光伏模式。