用于光強(qiáng)檢測(cè)的前置放大及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路

在光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)中，由于光電探測(cè)器輸出的光信號(hào)通常是微弱的，各種噪聲的干擾直接影響有用信號(hào)的測(cè)量精度，而測(cè)量時(shí)既要考慮分辨率，又要兼顧測(cè)量范圍，這就要求與探測(cè)器相連的前置放大電路設(shè)計(jì)合理，以獲得大的動(dòng)態(tài)范圍和高的信噪比?，F(xiàn)有的光強(qiáng)信號(hào)放大電路大多只追求高增益，但忽略了對(duì)測(cè)量范圍的考慮，而且存在溫漂、噪聲變大、失調(diào)電壓偏大等問(wèn)題，不能滿足光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求。因此，研究出用于光強(qiáng)信號(hào)檢測(cè)的、能夠兼顧分辨率和測(cè)量范圍的、高性能的前置放大及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路就顯得非常必要。

1 基本原理

本文設(shè)計(jì)的電路由光電探測(cè)器、前置放大電路、量程轉(zhuǎn)換電路及暗電流補(bǔ)償電路組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

電路工作原理如下：當(dāng)電路通電后，量程轉(zhuǎn)換電路自動(dòng)將量程設(shè)置為最高檔，即前置放大電路的增益最大，輸出電壓Vo1經(jīng)次級(jí)放大后為Vo2，A/D轉(zhuǎn)換器每隔一段時(shí)間讀取一次輸出電壓Vo2進(jìn)行超量程或者欠量程判斷。判別標(biāo)準(zhǔn)以A/D轉(zhuǎn)換器的輸入上限的95%作為其上閩值Vmax，以A/D轉(zhuǎn)換器上限的10%作為下閾值Vmin，Vo2>Vmax為超量程，Vo2

若出現(xiàn)以下兩種情況：1)現(xiàn)量程處于最高量程時(shí)，放大器輸出Vo2仍欠量程;2)現(xiàn)量程處于最低量程時(shí)，放大器輸出Vo2仍超量程。那么電路將作為特殊處理，量程轉(zhuǎn)換電路將自動(dòng)維持原量程不變，以防止量程不穩(wěn)定情況的出現(xiàn)。為了避免兩種量程交叉點(diǎn)上可能出現(xiàn)的跳動(dòng)，本系統(tǒng)把低量程的超量程比較值和高量程的欠量程比較值之間設(shè)計(jì)了一定重疊范圍。由于光電探測(cè)器中不可避免地會(huì)存在一定的暗電流，為了減少暗電流噪聲的影響，該電路中增加了暗電流補(bǔ)償電路，通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電路可使無(wú)光強(qiáng)輸入時(shí)輸入到前置放大電路的電流為零。

2 電路設(shè)計(jì)

由于輸入到光電探測(cè)器的光很微弱，因此無(wú)論是光電探測(cè)器的選擇還是前置放大電路的設(shè)計(jì)都要求非常嚴(yán)格。本系統(tǒng)選用武漢昱升光器件有限公司的YSPD718插拔式同軸光電探測(cè)器，可探測(cè)波長(zhǎng)范圍是1 100～1 650nm，其具有響應(yīng)度高、暗電流小、線性度高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。該同軸光纖探測(cè)器可通過(guò)FC/PC光纖適配器直接與帶有傳感器的光纖相連接。

前置放大及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的原理示意圖如圖2所示。該電路選用美國(guó)Intersil公司的精密截波穩(wěn)定型運(yùn)算放大器ICL7652作為前置放大器，ICL7652除了具有普通運(yùn)算放大器的特點(diǎn)外，還具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小和漂移低等優(yōu)點(diǎn)，常用在測(cè)量微弱信號(hào)的前置放大器中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。ICL7652的輸入電阻在1012Ω以上，偏置電流25℃時(shí)小于30 pA，輸入失調(diào)電壓最大為5μV，失調(diào)電壓溫度系數(shù)為0.003μV /℃，共模抑制比在110 dB以上。光電探測(cè)器D1的正極接地，負(fù)極反向輸入到ICL7652，C1用來(lái)濾去D1輸出的高頻噪聲。ICL7652芯片的其它管腳的接法如圖2所示。C3和C4用于芯片失調(diào)電壓的周期性的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，R9和C5組成的濾波電路用來(lái)濾去ICL7652的斬波尖峰噪聲。R5、R6、R7、R8組成了暗電流補(bǔ)償電路，可以通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器R8來(lái)產(chǎn)生與暗電流大小相等、方向相反的電流進(jìn)行補(bǔ)償。

由于經(jīng)過(guò)傳感器調(diào)制的光強(qiáng)變化范圍可能很大，而測(cè)量時(shí)既要考慮分辨率，又要兼顧到測(cè)量范圍，運(yùn)用量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)就能較好地解決這個(gè)問(wèn)題。如圖2所示，量程轉(zhuǎn)換電路選用雙四路模擬開關(guān)74HC4052，74HC4052的真值表如表1所示，由單片機(jī)程控信號(hào)控制。從表格中可以看到，只有使INH管腳為低電平時(shí)，芯片才能正常工作，本電路把INH管腳一直接地，以保證芯片能隨時(shí)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。74HC4052根據(jù)B、A兩個(gè)地址線選擇內(nèi)部的4個(gè)通道之一，當(dāng)B、A輸入00～11時(shí)，分別對(duì)應(yīng)0～3通道上的開關(guān)處于閉合狀態(tài)。0～3 4個(gè)通道分別接R1、R2、R3、R4 4個(gè)電阻，其中R1=1kΩ、R2=10 kΩ、R3=100 kΩ、R4=1 MΩ，即兩相鄰量程間保持10倍率關(guān)系，這樣，顯示測(cè)量結(jié)果時(shí)只需改變小數(shù)點(diǎn)的位置即可。

3 軟件設(shè)計(jì)

量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換是通過(guò)單片機(jī)程控信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在讀取光信號(hào)的功率值時(shí)，需要選擇合適的量程進(jìn)行測(cè)量，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換程序的流程圖如圖3所示。該程序隔一定的時(shí)間間隔運(yùn)行一次，以刷新數(shù)據(jù)。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

利用Protel 99SE軟件，對(duì)于前置放大電路進(jìn)行仿真測(cè)試，可以得到以下的結(jié)果。首先對(duì)電路輸入正弦電壓，測(cè)量前置放大電路輸出電壓波形，可以得到圖4。

從圖4可以看出，在有輸入信號(hào)的情況下，放大電路各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸出波形一一對(duì)應(yīng)，波形穩(wěn)定，說(shuō)明整個(gè)放大電路運(yùn)行良好，與設(shè)計(jì)的預(yù)期效果一致。

接著對(duì)ICL7652斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器進(jìn)行檔位變動(dòng)，相當(dāng)于輸入不同的頻率，分別測(cè)試各個(gè)檔位下的幅頻特性曲線，如圖5所示。

從幅頻特性曲線可以看出，檔位以10倍遞增的時(shí)候，電壓放大倍數(shù)對(duì)應(yīng)增加20 dB，完全符合電路的設(shè)計(jì)要求，可知放大電路的換擋功能運(yùn)行正常。

在100 kΩ檔位的時(shí)候，最高的電壓放大倍數(shù)為79 dB，可以得出光接收模塊的帶寬為76 dB;由圖5可知此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率約為160 Hz，則可得此電路對(duì)于高于160 Hz的噪聲有很好的抑制作用。放大電路的整體設(shè)計(jì)符合實(shí)驗(yàn)的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種高性能的用于光強(qiáng)檢測(cè)的前置放大及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路，具體包括光電探測(cè)器、暗電流補(bǔ)償電路、前置放大電路、量程轉(zhuǎn)換電路等。選用同軸尾纖型光電探測(cè)器，ICL7652作為前置放大器，量程轉(zhuǎn)換電路選用雙四路模擬開關(guān)74HC4052，通過(guò)單片機(jī)程控信號(hào)的變化可在四個(gè)量程之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換，通過(guò)調(diào)節(jié)暗電流補(bǔ)償電路可減小光電二極管暗電流所產(chǎn)生的影響，能有效地把同軸尾纖型光電探測(cè)器產(chǎn)生的微弱光電流轉(zhuǎn)化為較大的電壓信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電路模塊具有低噪聲、高增益、高共模抑制比、失調(diào)小、可探測(cè)光強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍大(0～76 dB)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足光強(qiáng)檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用需要。