基于單片機的采用音叉斬波技術(shù)的微弱激光探測系統

我們采用光電探測器作為系統的光電轉換元件,利用音叉進(jìn)行機械斬波，使入射的恒定(或緩變)光信號直接轉化為受調制的交流電信號,對其先進(jìn)行交流耦合放大，克服了用光電探測器的隨溫度漂移的影響，再進(jìn)行鎖相放大，用單片機對系統的模擬輸出信號進(jìn)行數據采集,并進(jìn)行非線(xiàn)性補償,克服了一般微光探測系統的缺點(diǎn)。該系統具有結構簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)。

系統設計

微光探測系統主要由內調制光電探測器、信號處理系統和單片機補償系統組成。其總體結構如圖1所示。

圖1 微弱激光檢測系統總體原理框圖

溫控電路系統

由于溫度變化對光電探測器存在著(zhù)影響，所以我們利用了橋式電路，通過(guò)鉑電阻采集溫度信號進(jìn)行與設定值進(jìn)行比較，從而利用半導體制冷器對光電探測器進(jìn)行主動(dòng)控溫，溫度控制在+10_C ，控制精度為0.5 _C。這樣大大減小了光電探測器隨著(zhù)溫度變化帶來(lái)的負面影響。

信號采集和信號調理系統

首先選取光電探測器作為光電轉換器件,通過(guò)有電感三點(diǎn)式起振帶動(dòng)音叉的諧振，從而實(shí)現了對入射微弱激光的斬波調制,可將入射的恒定(或緩變)光信號轉化為受調制的交流電信號。然后通過(guò)交流耦合，濾除了直流和低頻溫漂噪聲，從而克服了因溫度漂移給系統帶來(lái)的影響。實(shí)際設計中系統的信號處理部分包括前置放大器和AD630芯片的鎖相放大。 前置放大器將探測器輸出的微弱交流電信號進(jìn)行預放大。ADI公司的AD630芯片，可以根據該公司提供的器件手冊很容易組成一個(gè)鎖相放大器，該電路能夠實(shí)現從+100dB噪聲中提取出信號，本設計就是利用該電路進(jìn)行提取微弱信號，參考信號從諧振線(xiàn)圈的中心抽頭引出，然后通過(guò)移相后作為鎖相放大器的參考信號，這樣實(shí)現了對給定頻率的交流信號進(jìn)行放大而大大抑制其他頻率的噪聲信號，從而得到與光強成正比的電壓信號,并將此信號交由單片機系統進(jìn)行非線(xiàn)性補償。

單片機系統設計

在微弱激光檢測系統實(shí)際應用中,發(fā)現激光較強或較弱時(shí),信號處理電路輸出信號的非線(xiàn)性度有一定程度的增加,使輸出線(xiàn)性度變差,影響了系統測量的動(dòng)態(tài)范圍及測量精度。為此,我們采用單片機系統對其輸出信號進(jìn)行數據采集并做線(xiàn)性補償。單片機系統的框圖如圖2所示。

圖2 單片機補償和顯示系統硬件框圖