制冷PbS放大電路設計及實驗

1、 中中文文摘摘要要由于目前市場上普通傳感器性能受溫度影響比較大，本設計通過使用具有半導體致冷功能的 PbS 光電傳感器設計電路，此制冷傳感器受溫度影響小，使信號更 穩(wěn)定，可靠性更好。通過學習半導體致冷技術的相關理論，了解半導體制冷的作用及意義。設計并調(diào)試用于便攜式近紅外光譜儀器的光譜信號的感受及放大電路，其中包括傳感器的溫度控制電路和傳感器輸出信號的放大電路，傳感器的溫度控制電路實現(xiàn)傳感器的半導體致冷功能；傳感器輸出信號的放大電路，包括第一級放大電路及濾波電路。通過對傳感器加以穩(wěn)定的電壓源，實現(xiàn)對傳感器的低溫控制，以改善信號輸出的信噪比，最后完成對微小信號的提取放大顯示工作。關鍵詞 近紅外光譜

2、儀 半導體致冷 放大 穩(wěn)壓 外外文文摘摘要要TitleTitle Design and Experiment of Amplifier Circuit for Refrigeration PbS Sensor AbstractAbstractAs the Performance of the market common sensor affected by temperature more at present, the design through the use of semiconductor photosensitive PbS sensor with cooling function

3、. Refrigerant sensor affected by temperature smaller, so that we can get a more stable, reliability better signal. Through study the theory of semiconductor refrigeration technology, understanding the role and significance of the Semiconductor refrigeration. Design and debug feelings and amplifier c

4、ircuit for portable near-infrared spectroscopy instruments, including the temperature sensor control circuit and amplifier circuit of the sensor output signal. The temperature sensor control circuit realization the cooling function of the semiconductor sensor. Amplifier circuit of the sensor output

5、signal includes the first-class amplifier circuit and the filter circuit. Through add stability voltage source to the sensor, to achieve controlling the low temperature of the sensor, to improve the SNR of the output signal. And last finish extraction and enlarge and show of the small signal.Keyword

6、s Near Infrared spectrometer Semiconductor Refrigerate amplify stabilized power supply目 錄 1 1 緒論緒論 .1 11.1 課題主要內(nèi)容概述 .11.2 便攜式近紅外光譜儀的介紹 .11.3 半導體制冷技術介紹 .32 2 總體方案設計總體方案設計 .7 72.1 傳感器及溫度控制電路 .7傳感器的選擇及其工作特性 .7傳感器溫度控制電路（穩(wěn)壓電路） .112.2 信號提取電路 .13信號提取電路設計要求 .13信號提取電路組成部分 .143 3 硬件系統(tǒng)設計硬件系統(tǒng)設計 .16163.1 信號提取電路設

7、計 .16放大電路 .16濾波電路 .173.2 傳感器溫度控制電路 .184 4 測試結(jié)果及分析測試結(jié)果及分析 .20204.1 放大濾波電路調(diào)試 .204.2 控溫電路的調(diào)試 .21總總 結(jié)結(jié) .2323參參 考考 文文 獻獻 .2323致致 謝謝 .2424附錄：附錄： 整體電路圖整體電路圖 .26261 1 緒論緒論1.11.1 課題主要內(nèi)容概述課題主要內(nèi)容概述課題的主要內(nèi)容是選擇具有制冷功能的 PbS 傳感器接收便攜式近紅外光譜儀分光系統(tǒng)輸出的調(diào)制單色光，圍繞制冷 PbS 設計并調(diào)試傳感器的控溫電路，使傳感器工作在恒定的比較低的溫度，從而減少溫度對 PbS 傳感器工作的影響，提高信號

8、的準確性、可重復性和有效性。設計對提取信號的感受及檢測電路,包括信號的第一級放大電路、濾波電路。PbS傳感器（ 型號P268201）是本設計的核心器件， P2682-01有6個引腳，本次設計只使用其中四個引腳，其中1，2引腳為傳感器的信號探測端 ，與弱信號提取電路相連 ；3，4為傳感器的溫度致冷端引腳 （TE-cooler）與溫度控制電路相連 。1.21.2 便攜式近紅外光譜儀的介紹便攜式近紅外光譜儀的介紹從 20 世紀 50 年代開始就有近紅外光譜(Near-Infrared-Spectroscpy-NIRS）分析儀器應用于農(nóng)副產(chǎn)品的成分分析，但由于當時的信息處理技術的限制，沒能獲得長足的進

9、步。在進入 20世紀 80 年代以后，計算機技術得到迅猛的發(fā)展，使得化學計量學方法同通過計算機能夠良好解決近紅外光譜多元信息的處理和提取，并且在消除背景干擾方面也取得了良好的效果，人們真正認識到近紅外光譜分析儀器的價值，歐美國家相繼進入了廣泛的研究開發(fā)階段。近紅外光分析儀器在 20 世紀 90 年代初開始商品化，近年來，已深入應用到許多領域，對推進生產(chǎn)技術和科學研究的進步發(fā)揮了巨大作用，在經(jīng)濟上產(chǎn)生了巨大的效益。近紅外光譜分析儀器是 90 年代以來發(fā)展最快，最引人注目的光譜分析儀器。隨著科學技術的發(fā)展，人們對光譜分析儀器的要求也越來越高。學習傳統(tǒng)的近紅外光譜儀對其系統(tǒng)的部分電路進行重新設計，以

10、提高其工作性能，使其更加符合當今社會對其的需求。近紅外光譜儀一般由光源，分光系統(tǒng)，測樣部件，檢測器和數(shù)據(jù)處理五部分組成。根據(jù)分光方式 NIRS 儀可分為濾光片型，光柵掃描型，固定光路多通道檢測，傅立葉變換和聲光調(diào)諧等幾種類型。光柵掃描型近紅外光譜儀在目前使用的近紅外儀器中占多數(shù)。分光的元件可以使棱鏡或光柵。為獲得較高的分辨率，現(xiàn)代掃描型儀器中多使用全息光柵作為分光元件，通過旋轉(zhuǎn)光柵的轉(zhuǎn)動，使單色光按波長高低依次通過測樣器件，進入檢測器檢測 。根據(jù)樣器物態(tài)不同可選擇不同的測樣器件進行透射或反射分析。檢測器根據(jù)掃描的光譜范圍，一般在長波近紅外區(qū)域采用 PbS 光敏元件，短波近紅外采用硅基光敏元件。

11、這類儀器的特點是可進行全譜掃描，分辨率較高，儀器價位適中，便于維護;最大的弱點是光柵的機械軸長時間使用容易磨損，影響波長的精度和重現(xiàn)性，一般抗震性較差，特別不適于作為在線儀器使用。我校光譜實驗室的便攜式近紅外光譜儀的具體結(jié)構如圖 1-1 所示。 切光器光源光學系統(tǒng)積分球PbS放大系統(tǒng)單片機控制系統(tǒng)波長掃描驅(qū)動上層控制軟件數(shù)據(jù)采集圖 1-1 便攜式近紅外光譜儀的系統(tǒng)結(jié)構框圖其中光源通過切光器，將光信號變成交流信號，通過光學系統(tǒng)和積分球的處理，照射到 PbS 傳感器上，光敏傳感器輸出的微弱信號通過信號放大系統(tǒng)的放大后，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集，后由單片機控制系統(tǒng)控制，將其數(shù)據(jù)傳至上層控制軟件進行分析處理；同時

12、單片機的控制系統(tǒng)還要控制波長掃描驅(qū)動，控制光柵的轉(zhuǎn)動等等。1.31.3 半導體制冷技術介紹半導體制冷技術介紹半導體制冷也叫溫差電制冷或熱電制冷，有時也稱作電子制冷，它是在泊爾貼效應的基礎上建立起來的一種人工制冷技術。和常規(guī)的機械制冷相比:它無運動部件，振動和噪聲低;無制冷劑，環(huán)保性好;冷熱轉(zhuǎn)換方便;在小功率制冷時，制冷系數(shù)較高;制冷速度快，反映敏捷，可以快速實現(xiàn)大溫差;調(diào)節(jié)性能好;可以做成各種形狀，易于微型化，滿足各種需要。因此，半導體制冷開辟了制冷技術的新領域，擴大了制冷技術的應用范圍，在某些特殊的場合，有著別的制冷方式所無法替代的作用。半導體制冷技術的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個階段:第一階段:

13、熱電理論形成時期，這個階段主要是發(fā)現(xiàn)了熱電技術的幾個理論，這個時期的熱電制冷就是半導體制冷的前身。在 1821 年，德國科學家塞貝克 (ThomasJohan-nSeebeek)在實驗中發(fā)現(xiàn):當把兩種不同材料做成的導體構成的閉合回路置于指南針附近時，若對該回路的一個接頭加熱，指南針就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就是塞貝克效應。由于當時科技認識水平的局限，塞貝克認為這是一個與磁有關的現(xiàn)象，始終沒能認識到是溫差直接產(chǎn)生了電勢。之后，法國科學家拍爾帖 (JeanPeltier)發(fā)現(xiàn)了另一個相關的現(xiàn)象:當直流電通過兩種不同的導電材料構成的回路時,節(jié)點上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象 ,這個現(xiàn)象被稱為珀爾帖效應直到 1851

14、年，英國的湯姆孫把剛剛建立起來的熱力學理論應用到熱電回路中，他認為拍爾帖效應不應是一個孤立的表面效應，一端的吸熱必然伴隨著另一端的放熱，過程必然滿足熱力學定律。他通過計算發(fā)現(xiàn)必然有另外一種效應的存在，也即當電流經(jīng)過有溫度梯度的導體時，必然會有吸熱或放熱現(xiàn)象發(fā)生，否則的話熱力學定律不能滿足，這就是湯姆孫效應。湯姆孫效應的發(fā)現(xiàn)對后來的熱電理論和熱力學的發(fā)展起了極大的推動作用，它是熱電效應的核心理論。這一階段是熱電理論形成的重要時期，塞貝克效應、拍爾帖效應和湯姆孫效應的發(fā)現(xiàn)奠定了熱電理論的基礎。但是由于當時使用的材料都是熱電性能很差的金屬材料，它們的塞貝克系數(shù)都很小，一般只有幾十 V/K，相應的拍爾

15、帖效應也很小，因此，熱電發(fā)生器的的轉(zhuǎn)換效率很低。所以，一百多年來除了把金屬熱電偶用于為溫度測量外，熱電效應在技術上沒有得到實際應用。第二階段:20 世紀 30 年代后，隨著固體物理和半導體物理的發(fā)展，出現(xiàn)了熱電性能較好的半導體材料。半導體材料的出現(xiàn)不僅使熱電理論獲得了進一步的發(fā)展，而且也使熱電制冷技術開始進入了應用領域。由于半導體材料的塞貝克系數(shù)普遍可以高于100V/K，因而，在二次世界大戰(zhàn)后，世界各國對半導體的研究開始活躍起來。50 年代末期，原蘇聯(lián)科學家約飛及其同事從理論和實驗上證明，通過利用兩種以上的半導體形成固溶體可以使材料的熱導率和電導率之比大大減小，從而使半導體溫差電材料的研究取得

16、了重要的突破。期間，他們發(fā)現(xiàn)了溫差電性能較好的制冷和發(fā)電材料如 BiZTe3、PbTe、SIGe 等固溶體合金，迄今為止這些仍然是最重要的溫差電材料。從此，半導體制冷技術開始在航空、醫(yī)學和軍事工業(yè)等許多領域取得了較快的發(fā)展。然而在此后的半個多世紀的發(fā)展進程中，盡管科學家們?yōu)檫M一步提高半導體材料性能以及探索更優(yōu)良的新材料做了大量的工作，各種材料的溫差電性能到了一些改善，但熱電制冷技術發(fā)展沒有取得顯著的突破，與機械制冷相比，半導體制冷只有機械制冷 30%的效率。在積極尋找提高半導體材料熱電性能的同時，人們又從優(yōu)化半導體制冷器的結(jié)構和工作狀況出發(fā)，得到了很多提高制冷器制冷性能和穩(wěn)定性的有益結(jié)論，從而

17、使得半導體制冷技術的應用范圍進一步擴大，現(xiàn)在半導體制冷在電子技術、醫(yī)療器械、家用冰箱和工業(yè)等方面都有了很廣泛的應用，而且半導體制冷技術和現(xiàn)代制造技術相結(jié)合，可以預見，他的應用范圍將越來越廣。半導體制冷器按其使用溫度要求可分為單級的和多級的.目前最高級數(shù)可達到九級，冷端溫度可低于-100。當對半導體制冷器要求反向通電的加熱情況時，目前國內(nèi)大約可達到+80。如配以一直流電源以及控制線路可以逐點恒溫、測溫，達到精密控溫的效果。在熱端溫度保持=30時，冷端在少量漏熱的情況下可以粗hT略地給出以下的數(shù)據(jù)：一級制冷器可達到-20 到-25。二級制冷器可達到-45 到-50(功率級間比足夠情況下)。本次使用

18、的制冷 PbS 傳感器是二級制冷傳感器。圖 1-2 半導體制冷單元示意圖圖 1-2 中給出了有 n 型和 p 型半導體組成的一對半導體制冷單元的示意圖。當在電偶臂上通入直流電后，冷端交界面附近在單位是時間內(nèi)吸收的熱量(帕爾帖熱)與電流強度 I 成正比： （1.1）pcQI式中：，、分別為 p 型和 n 型電偶臂的溫差()cpncTpn電動勢率(塞貝克系數(shù))，T 為冷端接頭上的絕對溫度。為正，p為負，因此冷端上的珀爾帖系數(shù)是和的絕對值相加和冷npn端絕對溫度 T 的乘積。2 2 總體方案設計總體方案設計本設計應用于便攜式近紅外光譜儀的光譜信號的感受及放大電路包括傳感器溫度控制部分和信號提取放大部

19、分；新型的可致冷的 PbS 傳感器（P2682-01）與一般的無致冷功能的傳感器不同，P2682-01 有六個引腳，除了兩個正常的探測引腳，還有四個引腳用于對 PbS 傳感器產(chǎn)生溫度控制，使傳感器工作在較低溫度，用以提高傳感器探測信號的靈敏度和信噪比。PbS傳感器（ 型號P2682-01）是本設計的核心器件，本次設計只使用其中四個引腳，其中1，2引腳為傳感器的信號探測端 ，與弱信號提取電路相連 ；3，4引腳為傳感器的溫度致冷端引腳 （TE-cooler）與溫度控制電路（穩(wěn)壓電路）相連。在提取出傳感器檢測信號之后，進行前級放大，該放大電路以常見的op07為核心，對初始信號進行放大， 放大倍數(shù)約為

20、300倍，輸出被放大了的被 檢測的方波信號。帶通濾波器用于對前端輸出的方波信號進行濾波，提取中心頻率為400Hz（由所用切光器的轉(zhuǎn)速確定）的信號，該電路在濾波的同時，也具有一定的放大功能，輸出穩(wěn)定的正弦信號，用于后端電路的處理。穩(wěn)壓電路以TL431為核心，輸出穩(wěn)定的620mV的電壓，給傳感器3、4腳提供特定溫度的對應電壓，由傳感器的說明書得到：620mV對應 -20 ，具有較好的靈敏度和信噪比。2.12.1 傳感器及溫度控制電路傳感器及溫度控制電路2.1.1 傳感器的選擇及其工作特性在近紅外段，常用的傳感器有 PbS、InGeAs 、Ge、InAs、InSb。傳感器在其響應的波長范圍內(nèi)光敏特性

21、是不一致的，因此對不同的檢測器，在不同的波長下基線噪聲水平不相同，不同材料傳感器的響應速度不同，要根據(jù)具體要求選用適當?shù)膫鞲衅?。本次設計的電路中采用的是 PbS傳感器（ P268201） 。該傳感器有六個引腳，如圖2-1所示，其中1，2引腳為傳感器的信號探測端；3，4為傳感器的溫度致冷端引腳 （TE-cooler） ；5，6為傳感器內(nèi)置的熱敏電阻輸出引腳。圖 2-1 器件外觀圖該傳感器的制作應用了半導體制冷技術，在器件內(nèi)部裝有用于制冷的半導體和感受器件溫度的熱敏電阻；通過控制致冷端流入的電流大小，使半導體致冷，從而達到不同的低溫的要求。同時器件內(nèi)置的熱敏電阻可以隨時反饋出器件的所達到的溫度，從

22、而根據(jù)其溫度的變化來改變致冷電流的大小 。由于 PbS傳感器（ P268201）的價格比較昂貴，所以在使用前一定要注意的傳感器本身需要的注意的一些參數(shù)，防止在使用中燒壞器件。器件的具體參數(shù)如表 2-1，表2-2。表 2-1：規(guī)格/絕對最大額定值 ：絕對/最大額定值類型號三維輪廓窗口材料封裝冷卻活躍范圍(mm)熱敏電阻(k )熱敏電阻的功率耗散(mW)電子冷卻器目前耗散（A）電源電壓(V)操作溫度()存儲溫度()P2532-01/S一級制冷1.5P2682-01/STo-8二級制冷4 590.21.0100-30 to +50-55 to +50表 2-2： 電氣和光學特性（典型值，除非另有說明

23、）測量條件圖像敏感性Sp =15vsV*D(500,600,1)類型號基本溫度()峰值波長靈敏度(pm)截止波長 c(m)Min(v/w)Typ(v/w)Min(cm /1 2HzwTyp(cm /1 2Hzw*D(,p600,1)cm /w1 2Hz上升時間tr0 到63%Max(s)暗電阻Rd(M )P2532-01-102.43.143 10481085 1091 10111 106000.5到10P2682-01-202.53.246 1051.5 1088 1092 10112 106000.8到10正確的分析器件的工作特性，是設計溫度控制電路的前提。以下是器件的一些工作特性，具體分

24、析如下：圖2-2表示的是致冷端輸入的電流的大小所對應的致冷的溫度極限。電流越大，能達到的致冷溫度越低。當電流為零時，器件工作在常溫狀態(tài)；由于器件的工作溫度是在 -33至55，當致冷電流達到1A時，致冷溫度達到期間的最低極限。但是應用時，致冷電流一般那最大不能超過0.8A，否則器件將會被燒毀。 根據(jù)表2-2可知P2682-01的基本溫度為 -20 C，而由溫度與電流特性可知： -20 C對應的電流大小為0.62A，并由該點的斜率計算出溫度每變化 0.1C時，電流的變化量大約為 2.5 mA。由圖2-4電壓與電流的關系基本為線性關系可知：對應電壓的變化大約為 2.2 mV. 圖 2-2 致冷端溫度

25、與電流特性 圖 2-3 致冷端電流與電壓關系圖2-3 表示出致冷端的電壓與電流的對應變化，可以看出 P2682-01致冷引腳兩端的電壓與電流基本成線性變化，且致冷端的負載大概在1歐姆左右。且致冷兩端的電壓最好不要超過 1V。圖2-4 為器件中熱敏電阻的隨溫度變化的特性?？梢钥闯鲭娮璧淖柚凳请S溫度的降低而升高的。圖 2-4 致冷溫度與溫度輸出關系特性當室溫為25時，對應的阻值為8K歐姆；當器件溫度下降到零 度時，熱敏電阻阻值增加到 25K歐姆左右；當器件溫度達到 零下30，其阻值約為100K歐姆。可以看出熱敏電阻的阻值變化非常明顯。根據(jù)以上器件特性分析，設計致冷電路中要達到的參數(shù)指標，將器件溫度

26、控制在-20 度到-0 度之間，控制致冷電流將在 0.25-0.5A 之間，而器件內(nèi)置的熱敏電阻的阻值將達到 30K 歐姆左右。致冷電路將起到的作用：選擇 P268201,其與眾不同的地方，就在于它可以對傳感器的溫度進行控制，使其 PbS感光部分工作在一個低溫環(huán)境，從而提高傳感器的轉(zhuǎn)換輸出信號的精度，提高信噪比等。從圖 2-5 可以看出致冷溫度對傳感器靈敏度的影響，在一定范圍內(nèi)，溫度越低，傳感器越靈敏。同樣，圖 2-6 顯示溫度對于傳感器暗電阻，和響應時間的影響。可以看出當溫度降低時，傳感器的暗電阻阻值是增大的。圖 2-5 傳感器溫度與圖 2-6 傳感器溫度與靈敏度關系曲線 暗電阻的關系曲線

27、傳感器溫度控制電路（穩(wěn)壓電路）溫度控制電路采用 TL431 進行穩(wěn)壓。 TL431 集成電路是三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，它是目前應用極廣泛的器件，原理框圖如圖 2-7 所示。他的各項指標均很出色：可編程輸出電壓達 36V，電壓參考源誤差0.4%（25C） ，低動態(tài)輸出阻抗為 0.22 ，1.0mA 至 100mA 的灌電流能力，在整個額定工作溫度范圍內(nèi)可進行工作溫度補償，及低輸出噪聲電壓等等。TL431 有多種封裝型號，本設計選擇 TL431ILP（TO-29 封裝）圖 2-7 TL431 代表性框圖查閱資料，TL431 最大額定值見表 2-3，工作條件見表 2-4，電氣特性見表 2-5，根據(jù)

28、傳感器的工作特性可知，溫度每變化 0.1C時，電流的變化量大約為 2.5 mA，對應電壓的變化大約為 2.2 mV，理論上TL431基本可以滿足 這個要求。 表 2-3 TL431 最大額定值額定值符號值單位陰極至陽極電壓Vka37V陰極電流范圍，連續(xù)Ik-100 至+150mA參考輸入電流范圍，連續(xù)Iref-0.05 至+10mA工作結(jié)溫Tj150工作環(huán)境溫度范圍Ta-40 至+850 至+70保存溫度范圍stgT-65 至+150總功耗T =25aPd0.701.100.52W總功耗T =25cPd1.5W3.0表 2-4 推薦工作條件：條件符號最小值最大值單位陰極至陽極電壓VkarefV

29、36V陰極電流kI1.0100mA表 2-5 電氣特性：TL431ITL431C特性符號最小值典型值最大值最小值典型值最大值單位參考輸入電壓refV2.442.412.495-2.552.582.442.4232.495-2.552.567v在溫度范圍內(nèi)參考輸入電壓偏差refV-7.030-3.017mv參考輸入電壓變化與陰極至陽極電壓變化的比值refKAVV-1.4-1.0-2.7-2.0-1.4-1.0-2.7-2.0mv/v參考輸入電流Iref-1.8-4.06.5-1.8-4.05.2A在溫度范圍內(nèi)參考輸入電流偏差refI-0.82.5-0.41.2A調(diào)整率最小陰極電流minI-0.5

30、1.0-0.51.0mA截止態(tài)陰極電流offI-2601000-2601000nA動態(tài)阻抗KAZ-0.220.5-0.220.52.22.2 信號提取電路信號提取電路2.2.1 信號提取電路設計要求信號提取電路的設計要求：設計傳感器的控溫電路，其提供穩(wěn)定的電壓源，使傳感器工作在恒定的較低的溫度，從而減少溫度對 PbS 傳感器的影響，使信號提取更加準確。設計第一級放大電路及濾波電路，使輸入為經(jīng)過調(diào)制的單色光（方波）輸出為400mv 正弦信號，放大倍數(shù)應為 300 倍。2.2.2 信號提取電路組成部分信號提取電路包括傳感器，第一級放大電路，濾波電路組成。電路框圖如圖 2-8 所示。 光信號輸入 圖

31、 2-8 信號提取電路原理框圖提取部分；當傳感器感受到光信號時，自身的光敏電阻阻值會隨著光信號強弱發(fā)生改變，由放大電路（圖 3-2 ）及歐姆定律可知，引腳 2 端電壓將隨之變化，由于信號較弱，只有不到1mv，故引入放大電路進行放大輸出。放大電路：放大電路芯片采用運算放大器 op07，供電采用12V 供電，輸入信號經(jīng)過 C2（0.01uF）濾除直流量，得到變化的交流信號，此交流信號就是放大電路的放大目標，放大倍數(shù)，Cf=33pF，用于濾除低頻干擾。12RR濾波電路：如圖 2-9 所示，設低頻段的截止頻率為，高頻1pf段的截止頻率為，頻率為到之間的信號可以通過，低2pf1pf2pf傳感器第一級放大

32、濾波電路輸出于或高于的信號被衰減的濾波電路稱之為帶通濾波器，此種濾波器常用于載波通信或弱信號提取等場合，以提高信噪比。圖 2-9 帶通濾波的幅頻特性根據(jù)此設計放大信號的目標中心頻率 400Hz 選擇電阻電容值，確定帶通濾波器。3 3 硬件系統(tǒng)設計硬件系統(tǒng)設計3.13.1 信號提取電路設計信號提取電路設計3.1.1 放大電路在設計放大電路中，主要由運放 op07 構成，前置放大電路如圖 3-1 所示?？梢钥闯?，op07 構成了反向放大電路主要作用是放大，同時兼有濾除低頻干擾的作用。放大電路感受并放大傳感器2 腳傳出來的信號，經(jīng)電路放大后由 op07 的 6 腳輸出，經(jīng)由耦合電容 C3（0.01u

33、F） ，傳至濾波電路，理論上此放大電路的放大倍數(shù)是：倍。由圖可以確定輸入信號的大?。?1213003RMARK 其中 Rs 是傳感器電。Cf 與 R1 也構成了濾波網(wǎng)0SLSRRRUU絡。符合設計要求（有用信號主要集中在 300Hz 到 500Hz） 。電容C2 起到了隔直流通交流的作用；Cd1 和 Cd2 均用于濾除電源干擾，兩個二極管反接，起到對電路的保護作用，防止電源波動對器件造成損壞。P1 是傳感器 P2682-01，P2 是溫度設定部分，本設計未涉及。圖 3-1 放大電路圖 濾波電路根據(jù)基爾霍夫定律和運算放大器的虛短、虛斷概念，得到節(jié)點方程 ：（3.1）0()IAAAAabVVVjw

34、cVjwc VVRR（3.2）0AcVjwcVR其中：是后面的節(jié)點電壓，AV2R，121934abcRRRRRRRRR設計濾波電路如圖 3-2 所示。圖 3-2 濾波電路圖有源濾波電路的傳遞函數(shù)為： （3.3）0( )( )( )uiUsA sU s得到本設計中用到的帶通濾波器。因為方波是由各種頻率的波疊加起來得到的，通過這個帶通濾波器，可以達到去掉某些波成分，最后輸出正弦波的作用。3.23.2 傳感器溫度控制電路傳感器溫度控制電路設計傳感器溫度控制電路如圖 3-3 所示。圖 3-3 溫度控制電路圖TL431VREF 腳輸出的是其標準參考電壓 2.5V，經(jīng)電位器 R4及 R5 分壓之后在 R5

35、 上得到 620mV 的穩(wěn)定電壓，圖中 C4、C5 均用于濾除紋波。此電壓經(jīng)過電壓跟隨器接到 P2682-01 的 2 腳上，得到穩(wěn)定的致冷電壓。4 4 測試結(jié)果及分析測試結(jié)果及分析4.14.1 放大濾波電路調(diào)試放大濾波電路調(diào)試電路的放大參數(shù)如（ 4.1）式，濾波參數(shù)如（ 4.2） （4.3）式： (4-1)12113343RMARK （4.2）12214802fHzC R （4.3）213413402()fHzC RR放大及濾波電路焊接好之后，開始對前放電路開始調(diào)試。用信號發(fā)生器模擬傳感器的輸出信號 (方波信號 )，輸入信號為0.1V，輸出信號為20V,放大倍數(shù)200倍，放大結(jié)果與理論值略有

36、偏差，主要原因可能是因為器件不是精密器件，例如電阻等可能會引起偏差；還有外界干擾也會影響放大倍數(shù)，另外如果做成 PCB板可能結(jié)果會更精確一些。接通濾波電路，輸入方波信號，設輸入信號為幅值為 100mV，頻率為400Hz,測得輸出信號為0.8V強，可以看出信號 傳遞增益在8倍多。在示波器上顯示完整無失真正弦信號，達到設計要求。調(diào)節(jié)輸入信號，示波器在355Hz到450Hz范圍內(nèi)不失真變化， 中心頻率為：398Hz，基本跟理論結(jié)果相符。放大濾波電路輸出如圖 4-1和圖4-2所示。圖 4-1 放大濾波后電路輸出圖圖 4-2 示波器放大圖4.24.2 控溫電路的調(diào)試控溫電路的調(diào)試TL431VREF 腳輸

37、出的是其標準參考電壓 2.5V，經(jīng)電位器 R4及 R5 分壓之后在 R5 上得到 620mV 的穩(wěn)定電壓。溫度控制電路可以輸出 基本穩(wěn)定的620mV 電壓，在示波器上顯示其其波動范圍，如圖4-3所示，波動范圍在10mV左右，比預期的2.5mV略大，但是電路還是比較穩(wěn)定的 。分析其原因，可能是由于電阻的不精密，及電路焊工的比較粗糙造成的。圖4-3給出的是穩(wěn)壓電路的輸出電壓，可以看出還是比較溫度的。圖 4-3 穩(wěn)壓電路輸出總總 結(jié)結(jié)通過幾個月來的學習，摸索和實踐，完成了應用于便攜式 近紅外光譜儀的傳感器溫度控制部分和前置信號放大部分。將新型的PbS光敏傳感器（ P2682-01） ，應用到近紅外光

38、譜儀中。根據(jù)半導體致冷原理，設計完成傳感器的低溫控電路，使傳感器工作在低溫環(huán)境，從而提高其工作時的響應速度和信號輸出的信噪比。對于信號的前置放大部分的設計，注意了對于弱信號提取工作的一些要點，可以成功的放大傳感器輸出的弱信號。雖然在最后的測量結(jié)果上，還有很大的誤差存在。追究其主要原因 一方面在于電路的焊接問題上， 一方面電路的設計以及各元件大小的選擇上也存在瑕疵，但是電路的原理及設計思想都是正確的。它們都通過了理論的驗證。對于致冷后的信號噪聲影響沒有明顯的改善，其中也有傳感器本身的原因。PbS傳感器本身工作時，對溫度的要求也不是很嚴格。這次屬于創(chuàng)新性的致冷控制電路的設計，對于結(jié)果也是探索性的。對于前放電路輸出的噪聲問題，可以通過加入鎖相放大電路來改善。參參 考考 文文 獻獻1 宣向春，王維揚.