用于光強檢測的前置放大及量程自動(dòng)轉換電路

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

1 基本原理

本文設計的電路由光電探測器、前置放大電路、量程轉換電路及暗電流補償電路組成，結構框圖如圖1所示。

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

若出現以下兩種情況：1)現量程處于最高量程時(shí)，放大器輸出Vo2仍欠量程;2)現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，量程轉換電路將自動(dòng)維持原量程不變，以防止量程不穩定情況的出現。為了避免兩種量程交叉點(diǎn)上可能出現的跳動(dòng)，本系統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計了一定重疊范圍。由于光電探測器中不可避免地會(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償電路，通過(guò)調節補償電路可使無(wú)光強輸入時(shí)輸入到前置放大電路的電流為零。

2 電路設計

由于輸入到光電探測器的光很微弱，因此無(wú)論是光電探測器的選擇還是前置放大電路的設計都要求非常嚴格。本系統選用武漢昱升光器件有限公司的YSPD718插拔式同軸光電探測器，可探測波長(cháng)范圍是1 100～1 650nm，其具有響應度高、暗電流小、線(xiàn)性度高、穩定性高等優(yōu)點(diǎn)。該同軸光纖探測器可通過(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)轉換電路的原理示意圖如圖2所示。該電路選用美國Intersil公司的精密截波穩定型運算放大器ICL7652作為前置放大器，ICL7652除了具有普通運算放大器的特點(diǎn)外，還具有高增益、高共模抑制比、失調小和漂移低等優(yōu)點(diǎn)，常用在測量微弱信號的前置放大器中進(jìn)行數據采集。ICL7652的輸入電阻在1012Ω以上，偏置電流25℃時(shí)小于30 pA，輸入失調電壓最大為5μV，失調電壓溫度系數為0.003μV /℃，共模抑制比在110 dB以上。光電探測器D1的正極接地，負極反向輸入到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用于芯片失調電壓的周期性的動(dòng)態(tài)補償，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組成了暗電流補償電路，可以通過(guò)調節變阻器R8來(lái)產(chǎn)生與暗電流大小相等、方向相反的電流進(jìn)行補償。

由于經(jīng)過(guò)傳感器調制的光強變化范圍可能很大，而測量時(shí)既要考慮分辨率，又要兼顧到測量范圍，運用量程自動(dòng)轉換技術(shù)就能較好地解決這個(gè)問(wèn)題。如圖2所示，量程轉換電路選用雙四路模擬開(kāi)關(guān)74HC4052，74HC4052的真值表如表1所示，由單片機程控信號控制。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B、A兩個(gè)地址線(xiàn)選擇內部的4個(gè)通道之一，當B、A輸入00～11時(shí)，分別對應0～3通道上的開(kāi)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，顯示測量結果時(shí)只需改變小數點(diǎn)的位置即可。

3 軟件設計

量程的自動(dòng)轉換是通過(guò)單片機程控信號的變化來(lái)實(shí)現的。在讀取光信號的功率值時(shí)，需要選擇合適的量程進(jìn)行測量，量程自動(dòng)轉換程序的流程圖如圖3所示。該程序隔一定的時(shí)間間隔運行一次，以刷新數據。

4 測試結果及分析

利用Protel 99SE軟件，對于前置放大電路進(jìn)行仿真測試，可以得到以下的結果。首先對電路輸入正弦電壓，測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，在有輸入信號的情況下，放大電路各個(gè)測試點(diǎn)的輸出波形一一對應，波形穩定，說(shuō)明整個(gè)放大電路運行良好，與設計的預期效果一致。

接著(zhù)對ICL7652斬波穩零運算放大器進(jìn)行檔位變動(dòng)，相當于輸入不同的頻率，分別測試各個(gè)檔位下的幅頻特性曲線(xiàn)，如圖5所示。

從幅頻特性曲線(xiàn)可以看出，檔位以10倍遞增的時(shí)候，電壓放大倍數對應增加20 dB，完全符合電路的設計要求，可知放大電路的換擋功能運行正常。

在100 kΩ檔位的時(shí)候，最高的電壓放大倍數為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)對應的頻率約為160 Hz，則可得此電路對于高于160 Hz的噪聲有很好的抑制作用。放大電路的整體設計符合實(shí)驗的需求。

5 結束語(yǔ)

文中設計了一種高性能的用于光強檢測的前置放大及量程自動(dòng)轉換電路，具體包括光電探測器、暗電流補償電路、前置放大電路、量程轉換電路等。選用同軸尾纖型光電探測器，ICL7652作為前置放大器，量程轉換電路選用雙四路模擬開(kāi)關(guān)74HC4052，通過(guò)單片機程控信號的變化可在四個(gè)量程之間自動(dòng)轉換，通過(guò)調節暗電流補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器產(chǎn)生的微弱光電流轉化為較大的電壓信號。測試結果表明，設計的電路模塊具有低噪聲、高增益、高共模抑制比、失調小、可探測光強動(dòng)態(tài)范圍大(0～76 dB)等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足光強檢測的實(shí)際應用需要。