光電檢測技術(shù)及應(yīng)用-第8章光電檢測常用電路

第8章光電檢測常用電路掌握內(nèi)容

基本前置放大電路的設(shè)計方法及各種解調(diào)電路的設(shè)計原理和方法。理解內(nèi)容前置放大電路設(shè)計中的一些基本問題，調(diào)幅波、調(diào)頻波、調(diào)相波以及脈沖調(diào)制信號的解調(diào)電路以及細(xì)分與辨向電路等。了解內(nèi)容了解細(xì)分與辨向電路第8章主要內(nèi)容§8.1前置放大器§8.2解調(diào)電路§8.3細(xì)分及辨向電路§8.4視頻信號的二值化處理

§8.1前置放大器

用恒壓信號源或恒流信號源來等效探測和偏置電路的輸出信號如圖8-1所示。同時用源電阻的熱噪聲來等效探測器和偏置電路的總噪聲，用最小噪聲系數(shù)原則設(shè)計前置放大器。圖8-1探測器與偏置電路的等效一、設(shè)計時前置放大器選擇的大致步驟1.測試或計算光電探測器及偏置電路的源電阻；2．從噪聲匹配原則出發(fā)，選擇前置放大器第一級的管型，選擇原則如圖8-2所示。3．在管型選定后，第一、二級應(yīng)采用噪聲盡可能低的器件，按照最佳源電阻的原則來確定管子的工作點，并注意工作頻率、帶寬等參數(shù)的計算及選擇。二、放大器設(shè)計中頻率及帶寬的確定1．根據(jù)所采用的光電探測器的噪聲譜和選定放大器的典型噪聲譜，確定工作（調(diào)制）頻率。（a）典型探測器的噪聲譜（b）晶體管噪聲系數(shù)的頻率特性圖8-3探測器噪聲的頻率特性二、放大器設(shè)計中頻率及帶寬的確定

2．光電檢測系統(tǒng)中按照白噪聲的特點，工作頻率選定后，應(yīng)盡可能減小電路的頻帶寬度。3．當(dāng)信號頻率在一定范圍內(nèi)變化，不能選用固定頻率的窄帶濾波方式工作時，除確定必要的窄帶外，可采用實際選通積分器的方法來抑制噪聲。4．在某些系統(tǒng)如脈沖系統(tǒng)中，為保持信號的波形，必須采用頻帶寬度較寬的處理電路。二、放大器設(shè)計中頻率及帶寬的確定

在實際系統(tǒng)中，從提高信噪比考慮，很少要求精確保持波形，而按實際需要適當(dāng)犧牲高頻成分，保持必要的脈沖特性。圖8-4說明了所需保持波形和電路3dB帶寬△f之間的關(guān)系。圖8-4帶寬對矩形脈沖波形和幅值的影響三、放大器設(shè)計中的其他考慮1．按最小噪聲系統(tǒng)原則設(shè)計前置放大器時，為減少后面各放大級噪聲對總噪聲的影響，其電壓放大倍數(shù)Av不應(yīng)小于10倍，從而使F≈F1。2．采用多級級聯(lián)放大器時，總放大倍數(shù)Av可分配到各級中去，Av=Av1Av2…Avn。3．級間加入不同型式的負(fù)反饋電路，可以起到提高電路的穩(wěn)定性，調(diào)整輸入阻抗、調(diào)整放大倍數(shù)和改變帶寬等作用。三、放大器設(shè)計中的其他考慮4．大部分光電檢測系統(tǒng)要求有好的線性度和寬的動態(tài)范圍，在電路設(shè)計中應(yīng)給予考慮。5．完成電路設(shè)計前應(yīng)驗證設(shè)計是否滿足噪聲系數(shù)、電壓放大倍數(shù)、頻帶寬度、穩(wěn)定性、阻抗匹配、線性度、動態(tài)范圍等要求。如不滿足則應(yīng)反復(fù)修正。四、光電器件與集成運算放大器的連接

幾種光電器件與集成運算放電路的典型連接方式：（1）電流放大型

運算放大器兩輸入端間的輸入阻抗=/（Auo+1）

處于電流放大狀態(tài)的運算放大器，其輸出電壓與輸入短路光電流成比例關(guān)系：（8-1）四、光電器件與集成運算放大器的連接（2）電壓放大型

當(dāng)負(fù)載電阻取1以上時，運行于硅光電池狀態(tài)下的硅光電二極管處于接近開路狀態(tài)，可以得到與開路電壓成正比例的輸出信號即，Av=根據(jù)（8-1）式代入得四、光電器件與集成運算放大器的連接（3）阻抗變換型

電路的輸出電壓當(dāng)實際的負(fù)載電阻與放大器連接時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，則負(fù)載功率為當(dāng)硅光電二極管直接與負(fù)載電阻相連時，負(fù)載上的功率是等于?！?.2解調(diào)電路一、調(diào)幅波的解調(diào)1、二極管包絡(luò)檢波電路

(a)二極管檢波(b)晶體管檢波圖8-6包絡(luò)檢波電路一、調(diào)幅波的解調(diào)

a)輸入調(diào)幅波b）不接濾波器時檢波波形c)平均值檢波波形d)峰值檢波波形圖8-7包絡(luò)檢波中各點的波形一、調(diào)幅波的解調(diào)

包絡(luò)檢波存在兩個問題：（1）解調(diào)的主要過程是對調(diào)幅信號進(jìn)行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號的相位。（2）包絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號的能力。對于不同載波頻率的信號它都以同樣方式對它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號，這就是說它不具有鑒別信號與噪聲的能力。為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。2、相敏檢波電路圖8-8相敏檢波器原理框圖設(shè)為振幅調(diào)制信號，是本機(jī)振蕩或參考信號，則乘法器的輸出信號為：低通濾波器濾去高頻2w的分量，其輸出量為：，為低通濾波器的傳輸系數(shù)。（1）相敏檢波電路的選頻特性如果輸入信號中有高次諧波，即設(shè)n次諧波為，由它產(chǎn)生的附加輸出為：即相敏檢波電路具有抑制各種高次諧波的能力。當(dāng)實際電路中常采用方波信號作為參考信時，輸入信號需要與歸一化后的方波載波信號相乘。即（2）相敏檢波電路的鑒相特性如果輸入信號與參考信號或為同頻信號，但有一定相位差，這時輸出信號隨相位差的余弦而變化。

由于在輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號的大小與相位差有確定的函數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)輸出信號的大小確定相位差的值，從而判別被測量變化的方向，相敏檢波電路的這一特性稱為鑒相特性。二、調(diào)頻波的解調(diào)圖8-9調(diào)頻波解調(diào)原理實現(xiàn)調(diào)頻信號解調(diào)的鑒頻電路可分為三類：(1)調(diào)頻—調(diào)幅調(diào)頻變換型(2)相移乘法鑒頻型(3)脈沖均值型。常見的鑒頻器有斜率鑒頻器、相位鑒頻器、比例鑒頻器等，對這些電路的要求主要是非線性失真小，噪聲門限低。1．斜率鑒頻器斜率鑒頻器是屬于調(diào)幅調(diào)頻變換型。它先通過線性網(wǎng)絡(luò)把等幅調(diào)頻波變換成振幅與調(diào)頻波瞬時頻率成正比的調(diào)幅調(diào)頻波，然后用振幅檢波器進(jìn)行振幅檢波。圖8-10斜率鑒頻器原理框圖及各環(huán)節(jié)波形圖

通常，斜率鑒頻器由線性變換電路與幅值檢波器構(gòu)成，如圖8-12（ａ）所示是單失諧回路斜率鑒頻器。其線性變換部分是利用諧波回路的頻率特性工作的。圖8-11調(diào)頻波的解調(diào)

為了改善其線性，可以采用圖8-13（a）所示雙失諧回路鑒頻器。a)電路原理圖b)調(diào)諧回路幅頻特性c)輸入調(diào)頻信號d)回路1輸出e)回路2輸出f)輸出信號圖8-12雙失諧回路鑒頻器2、相位鑒頻器

相位鑒頻器屬于相移乘法鑒頻型。它是將調(diào)頻波經(jīng)過移相電路變成調(diào)相調(diào)頻波，其相位的變化正好與調(diào)頻波瞬時頻率的變化成線性關(guān)系，然后將調(diào)相調(diào)頻波與原調(diào)頻波進(jìn)行相位比較，通過低通濾波器取出解調(diào)信號。圖8-13相位鑒頻器原理框圖相位鑒頻的基本原理是首先將ui的瞬時頻率變化轉(zhuǎn)換為相位變化，然后利用鑒相檢出所需調(diào)制信號。

經(jīng)放大后的調(diào)頻信號分兩路加到相位鑒頻電路：一路經(jīng)耦合電容C0加到扼流圈L3上，它相當(dāng)于相敏檢波器的參考電壓。

由于在調(diào)頻波的角頻率范圍內(nèi)，C0的容抗遠(yuǎn)小于L3的感抗，可認(rèn)為加在L3的電壓即為放大器輸出電壓；另一路信號經(jīng)互感耦合加到諧振回路L2、C2上。這一電壓相當(dāng)于相敏檢波器的信號電壓。圖8-14相位鑒頻電路

互感耦合回路單獨繪于圖8-16（a）中。一次側(cè)和二次測回路應(yīng)這樣調(diào)諧，使它們的固有頻率。設(shè)兩線

圈參數(shù)相同，即L1=L2、C1=C2、r1=r2。a)電路圖b)二次側(cè)等效電路c)矢量圖圖8-15互感耦合中的相位關(guān)系

若調(diào)頻信號的瞬時角頻率為,在二次側(cè)回路開路情況下，流過L1的電流

(8-10)其相位比滯后90o。通過互感M的耦合作用，在二次側(cè)回路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢

(8-11)與同相。在二次側(cè)回路中產(chǎn)生的電流為：(8-12)其中，

為二次側(cè)回路的品質(zhì)因數(shù)，稱為廣義失調(diào)量，Z2為二次側(cè)回路的阻抗。為角頻率變化量。的相位較滯后，它在二次側(cè)回路兩端產(chǎn)生的電壓為：

(8-15)它比超前90o，其矢量圖見圖8-16（c）。兩個具有相位差的電壓和送到一個相敏檢波電路,其輸出與成正比。時，廣義失調(diào)量很小，可以認(rèn)為與成正比，即與偏頻量成線性關(guān)系。的大小反映角頻率的變化，即它是調(diào)制信號的線性函數(shù)。3.比例鑒頻器

圖8-16比例鑒頻電路

圖8-16所示比例鑒頻電路本身具有抑制寄生調(diào)幅的能力。從本質(zhì)上說它也是一個相位鑒頻電路。它與圖8-14主要有兩點區(qū)別：1）用圖8-17所示的單式半波相敏檢波電路代替了圖8-12a所示的常見的半波相敏檢波電路；2）在a、b兩點并聯(lián)了一個大電容C5。

R1=R2=R0時，輸出電壓即u0只與uc4與uc3的比例有關(guān)。4、脈沖均值型鑒頻器（脈沖計數(shù)式鑒頻器）

調(diào)頻信號瞬時頻率的變化，直接表現(xiàn)為單位時間內(nèi)調(diào)頻信號過零值點(簡稱過零點)的疏密變化，如圖8-17所示。圖8-17調(diào)頻信號變換成單向矩形脈沖序列

實際應(yīng)用時，只需用一個低通濾波器取出單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)的平均分量，就能實現(xiàn)鑒頻。

設(shè)調(diào)頻信號通過變換電路得到一個矩形脈沖序列，并讓這一脈沖序列通過傳輸系數(shù)為的低通濾波器進(jìn)行濾波，則濾波后的輸出電壓uo可寫成

(8-17)式中，uav表示一個周期內(nèi)脈沖振幅的平均值；是脈沖寬度；Um是脈沖振幅；是低通濾波器的傳輸系數(shù)；f是重復(fù)頻率，也就是調(diào)頻信號的瞬時頻率；T是重復(fù)周期。由式(8-17)可知，濾波后輸出電壓與調(diào)制信號的瞬時頻率f成正比。脈沖計數(shù)式鑒頻器的優(yōu)點是線性好，頻帶寬，易于集成化。三、調(diào)相波的解調(diào)

鑒相電路通常分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類。而在集成電路系統(tǒng)中，常用的電路有乘積型鑒相和門電路鑒相。1、乘積型鑒相前面所提到的乘法器式相敏檢波電路、開關(guān)式相敏檢波電路、相加式相敏檢波電路、以及精密整流型相敏檢波電路都有鑒相特性，因此可以用相敏檢波器鑒相。2、門電路鑒相如圖8-18所示，兩個方波信號Us與Uc可以利用異或門（半加器）EO實現(xiàn)鑒相。a)基本電路b)波形圖c)數(shù)字式相位計d)輸出特性圖8-18異或門鑒相器

如果時鐘脈沖的頻率為比相信號頻率的n倍，則相位計的脈沖當(dāng)量為360°/n，相位差異或門鑒相器的鑒相范圍為，它不能鑒別相位超前或滯后，辨別相位超前滯后，需用辨向電路。四、脈沖調(diào)制信號的解調(diào)

脈沖調(diào)制信號的解調(diào)主要有兩種方式：（1）將脈寬信號U0送入一個低通濾波器，濾波后的輸出U0與脈寬B成正比。（2）U0用作門控信號，只有當(dāng)U0為高電平時，時鐘脈沖Cp才能通過門電路進(jìn)入計數(shù)器。這樣進(jìn)入計數(shù)器的脈沖數(shù)N與脈寬B成正比。

兩種方法均具有線性特性。四、脈沖調(diào)制信號的解調(diào)

脈沖調(diào)頻信號可以用圖8-19所示的窄脈沖鑒頻電路解調(diào)。但需要用單穩(wěn)形成窄脈沖，因為只有在脈沖寬度恒定情況下，U0才與頻率成正比。

圖8-19窄脈沖鑒頻電路

§8.3細(xì)分及辨向電路一、細(xì)分概述細(xì)分電路的功用是提高儀器的分辨率，同時使測量信號數(shù)字化。它的輸入信號在其一個周期內(nèi)常為模擬量，輸出信號為數(shù)字脈沖。細(xì)分電路是一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，或稱為編碼器。細(xì)分電路的主要技術(shù)指標(biāo)有：與分辨率密切相關(guān)的細(xì)分?jǐn)?shù)；細(xì)分精度；響應(yīng)速度等。一、細(xì)分概述

以光柵形成的莫爾條紋為例，在忽略高次諧波的情況下，光電元件輸出的電壓U和光柵位移x之間的關(guān)系為（8-19）（8-20）其中為光柵移動速度；d為柵距；U為電壓幅值。當(dāng)x從0增到到d時，光柵移過一個柵距，電壓變化一個周期。一、細(xì)分概述

為提高檢測精度，采用電子細(xì)分技術(shù)，將每個周期分解為若干份，通過對每份的測量，使精度提高若干倍。由式（8-19）可知或即對位相進(jìn)行n細(xì)分，實質(zhì)上是對測量值x進(jìn)行n細(xì)分。即（8-22）特別是，時，即對一個莫爾條紋進(jìn)行n細(xì)分。在細(xì)分和辨向處理前對采集的信號進(jìn)行濾波處理，一方面可以得到比較平滑的信號，以利于處理，另一方面可以改善莫爾信號質(zhì)量，提高系統(tǒng)的測量精度。二、電子學(xué)細(xì)分1.直接細(xì)分直接細(xì)分又稱四倍頻細(xì)分，利用四個過零比較器（或微分電路）將獲得的兩路相位依次相差90°的莫爾條紋信號分別過零。圖8-20四路細(xì)分二、電子學(xué)細(xì)分2．移相電阻鏈細(xì)分法該方法借助于電阻鏈中不同位置可以產(chǎn)生不同相位的正弦電壓函數(shù)這一特點，獲得n組相位差2n／R的M個正弦電壓細(xì)分信號。圖8-21串聯(lián)電阻相移原理二、電子學(xué)細(xì)分

幅值的不一致，可通過放大器來調(diào)整。在同一電阻上獲取多組電位函數(shù)的方法叫作串聯(lián)電阻相移法，這種方法的缺點是，電阻細(xì)分需要從輸入信號中消耗一定的功率，細(xì)分?jǐn)?shù)越大，消耗的功率也越大，電路元件也成倍增加，致使移相細(xì)分電路變得復(fù)雜，因而細(xì)分?jǐn)?shù)就會受到相應(yīng)的限制，另外電阻細(xì)分對細(xì)分信號的波形、幅值和正交性都有嚴(yán)格的要求，否則會帶來測量結(jié)果的誤差，因此不適合于進(jìn)行高倍數(shù)細(xì)分。二、電子學(xué)細(xì)分

目前多采用并聯(lián)電阻相移法．如圖8-22所示，在每個電阻上，只采樣一個信號，相互不影響，調(diào)整方便，并可獲較高的精度。圖8-22并聯(lián)電阻相移原理二、電子學(xué)細(xì)分可供輸出用于細(xì)分的n個正弦電壓函數(shù)為：圖8-23實用并聯(lián)電阻相移細(xì)分電路二、電子學(xué)細(xì)分3.電平切割比較細(xì)分電平切割比較細(xì)分法又稱為幅值切割比較法，將莫爾條紋變化產(chǎn)生的正弦信號進(jìn)行幅值分割，形成比較電壓U1，U2，…，-U1，-U2，…。圖8-24幅值切割比較法

該方法的最大缺點是正弦函數(shù)各點斜率不等，在拐點附近斜率大，細(xì)分間隔電位變化大，易于實施、而在極值附近斜率接近于零，細(xì)分間隔電位變化很小，易受干擾，不易實施。為克服上述缺點，有多種方法可對它進(jìn)行改造。下面介紹一種近似三角波法實施細(xì)分。利用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)合成的近似三角形波

、該波形各點具有相同的斜率，容易實施細(xì)分，且細(xì)分間隔間電位變化基本相等。

同時采用兩組光電取樣系統(tǒng)，獲得相位差為

的兩組信號電壓：和。通過電路取兩者絕對值之差，形成光柵移動的信號電壓。將信號電壓與三角波細(xì)分比較電壓相對照，兩信號一致時產(chǎn)生計數(shù)脈沖。該方法可獲40~80倍的細(xì)分。圖8-25

近似三角波的形成二、電子學(xué)細(xì)分4.調(diào)制信號細(xì)分圖8-26調(diào)制信號細(xì)分法原理乘法器輸出信號和分別為

將和經(jīng)加法器后，輸出信號為4.調(diào)制信號細(xì)分

調(diào)相信號細(xì)分也是一種常用電子細(xì)分法，實現(xiàn)的關(guān)鍵是鑒相細(xì)分，下面介紹脈沖填補(bǔ)法的鑒相細(xì)分原理。

圖8-27鑒相原理圖8-28鑒相各環(huán)節(jié)波形5.鎖相細(xì)分法

光柵連續(xù)運動時，從變化的莫爾條紋中取出的光電信號頻率為f，如要進(jìn)行n倍細(xì)分則使倍頻振蕩器產(chǎn)生頻率為F＝nf的信號輸出。采用鎖相技術(shù)，以確保F跟蹤f并始終是其n倍。方法是將倍頻振蕩器輸出信號經(jīng)n分頻，再與光柵信號進(jìn)行相位比較。圖8-29鎖相細(xì)分法框圖5.鎖相細(xì)分法

設(shè)某時刻分頻信號相位是，莫爾條紋光電信號的相位是，兩者相位差。當(dāng)固定時輸出正常F＝nf。當(dāng)不固定時，存在相位差的變化，表示n倍頻有偏差。應(yīng)將變化的相位差經(jīng)相位電壓變換器，使輸出電壓變化。保持放大器輸出信號不變，直到下一次鑒相信號到來之前。信號的變化使壓控倍頻振蕩器輸出頻率發(fā)生變化，以保持F=nf的正確關(guān)系。通過鑒相調(diào)整頻率的過程每一周期中進(jìn)行一次、使之及時跟蹤，形成穩(wěn)定的倍頻輸出。三、辨向電路

為了辨別方向，通常采用在相隔1/4莫爾條紋間距B的位置上安放兩個光電元件，獲得相位差為90o的兩個信號，然后送到如圖8-30所示的辨向電路進(jìn)行處理。圖8-30辨向電路三、辨向電路

假設(shè)當(dāng)主光柵向左移動時，莫爾條紋向上移動，兩個光電元件分別輸出電壓信號U1和U2，如圖8-31（a）所示，當(dāng)標(biāo)尺光柵向右移動時，輸出信號波形如圖8-31（b）所示。圖8-31光柵移動時辨向電路各點的波形§8.4視頻信號的二值化處理

在不要求圖像灰度的系統(tǒng)中，為提高處理速度和降低成本，盡可能使用二值化圖像。值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對待。實現(xiàn)CCD視頻信號二值化處理方法很多，可以用電壓比較器進(jìn)行固定閾值或浮動閾值的處理方法，也可采用微分法進(jìn)行二值化處理方法。一、微分法實現(xiàn)二值化處理方法

將CCD視頻輸出的脈沖調(diào)制信號經(jīng)過低通濾波后變成連續(xù)信號，該連續(xù)視頻信號通過微分I，電路輸出是視頻信號的變化率，信號電壓的最大值對應(yīng)視頻信號邊界過渡區(qū)變化率最大點A及A’。圖8-32邊界特征提取微分法原理圖8-33電路工作波形一、微分法實現(xiàn)二值化處理方法