第三章-光电信号的采集

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 光电信号的采集,一 光电信号的拾取,1.光电探测器的偏置,正确设置光电探测器的偏置，对提高探测灵敏度、降,低噪音、提高响应频率、发挥光电探测器的最佳性能，,都具有重要意义。,不同类型的光电探测器要求不同的偏置电路。一般说,来，有零偏置和外加偏置两种方式。,热电偶、热释电探测器、光磁电探测器和光伏电探测,器都不需要外加偏置电源，在光照下产生的光电流（电,压）经过一定的耦合方式与前置放大器相连，可实现对,信号的有效放大。,而外加偏置的光电探测器需要通过外加电源才能形成,光电流（电压），故必须加外加偏置才能正常工作。光,电导探测器、光电子发射探测器都属于这类探测器。,2.几种常见的偏置电路,(1)一般直流偏置电路,如图，R,d,为探测器内阻，R,B,为偏置电阻，V,A,为直流偏置电,源，C为隔直流电容，C的输出直接加到前置放大器的输入端。,此电路适用于光电导探测器。当光照射到探测器上时，R,d,阻,值发生变化，导致R,d,与R,B,的分压比发生变化。通常R,B,有不同的,选择，它可等于、大于或小于R,d,，分别组成匹配偏置、恒流偏,置或恒压偏置电路。,(2)匹配偏置电路,匹配偏置指的是偏置电阻R,B,等于探测器内阻R,d,。,图为一匹配偏置电路。由于光敏电阻的阻值对温度变化特别敏,感，偏置电路中的R,B,通常不采用一个固定电阻，而是用一个与所,用探测器相同规格的光敏电阻代替，使R,B,与R,d,随温度产生相同的,变化，以减小由于环境温度变化对输出信号的影响，从而保持输,出端A点电位的稳定。,(3)恒流偏置电路,如果选取R,B,R,d,，则流过探测器的电流近似由V,A,与R,B,决定，,与R,d,无关，这种偏置称为恒流偏置。光电导探测器常采用这种偏,置，其最佳偏置电流一般由厂家给出。,(4)恒压偏置电路,如果选取R,B,R,d,，则加在探测器的电压近似为V,A,，而与R,d,无,关，这种偏置称为恒压偏置。对于响应要求不是太高，而探测器,本身噪声又比较大时，常采用这种偏置电路。,(5)反偏偏置电路,pn结光电效应主要是非平衡载流子中的电子运动。pn结型光,伏探测器，其用法有两种：一种是不外加电压，直接与负载相,接，如左图所示；另一种是加反向电压，形成反偏偏置，如右图,所示。,反偏偏置可减少结电容，使电路时间常量最小，适合于探测脉,冲和高频调制光。,偏置的选择与光电探测器本身的特性(内阻R,d,、噪声,等)有关，不同形式的偏置电路会引入不同的噪声。对,于低阻光电探测器，当光电探测系统的噪声以探测器,的非热噪声为主时，探测系统的信噪比与偏置电阻无,关，及与偏置方式无关。这是因为输入信号电压与输入,端等效噪声电压按同比例随R,B,增加而增加。,当光电探测系统的噪声以探测器和负载电阻R,B,的热噪,声为主时，恒流偏置信噪比最大，恒压偏置信噪比最,小，匹配偏置居中。,对于高阻光探测器，一般采用具有较大偏流的非恒流,偏置更为合适。但所加偏置电流一般不要超过最佳偏置,电流的上限。,合理设置晶体管的偏置是微弱信号,低噪声放大的重要问题。如,图是常用的无噪声,偏置电路。,二 光电探测器的前置放大,1.特点,光电探测器对于前置放大器通常从两个方面考虑：一,是要求探测器的前置放大器功率传输最大，即放大器的,输入电阻等于光电探测器的内阻，工作于匹配状态，此,时在一定的入射光功率情况下，从放大器输出端可以得,到最大输出电功率；其次，要求光电探测器的前置放大,器输出最小的噪声，即放大器工作在最佳源电阻R,sopt,的,情况下，此时在放大器输出端可得到最大的信噪比。,在实际的光电光电探测系统中，最佳源电阻与匹配电,阻往往是不相等的，有的相差还很大，如何选择要视实,际要求而定。,根据阻抗匹配及噪声要求，光电探测器常采用以下形,式的前置放大电路。,(1)低输入阻抗前置放大器,低输入阻抗前置放大器可采用变压器耦合、晶体管共基极电,路、并联反馈及多个晶体管并联等作为放大器的输入级。,在变压器耦合中，改变匝数比可以改变变压器输出端电阻，,以达到阻抗匹配或最佳源电阻的要求。,(2)高输入阻抗前置放大器,对于阻抗特别高的光电探测器，必须采用场效应管作为第一级,输入电路。场效应管是电压控制器件，它的栅-源、栅漏电阻可,高达10,8,10,15,欧，而栅-源电容与栅漏电容一般为几皮法到几十皮,法，所以输入阻抗较高。同时，场效应管噪声低，抗辐射能力强，,具有零温度系数工作点，所以高输入阻抗前置放大器常采用场效,应管。,(3)其它放大电路,对于具有恒流源特性的光电探测器，采用高负载将有利于获得,大的信号电压，故希望采用高阻放大器。但高负载电阻与探测器,分布电容和放大器输入电容将增加RC时间常量，影响系统的高,频响应，并使其动态范围减小，通常采用互阻放大器或并联反馈,放大器克服这一缺点，它是光纤系统中常用的前级放大电路，如,图所示。,它基本上是一个电流-电压变换器，在环路增益很大的情况,下，输出电压与与输入电流之间的关系为：Vo=-Z,F,I,i,；,式中，Z,F,是从放大器的输出到输入的有效反馈阻抗。,2.低噪声放大,第一级低噪声前置放大器多采用分立元件，因为集成运算放大,器的噪声一般比低噪声分立元件的噪声大。晶体管的选择是设计,前置放大器的重要环节，通常根据光电探测器的阻抗来选择合适,的晶体管。对于低噪声放大器，源电阻的大小是选择第一级放大,元件的重要依据。如果源电阻R,S,在1k,1M 之间，选用运算放,大器；,R,S,在1M,1G 之间，多采用结型场效应管(JFET)；当,R,S,超过1G，可采用MOSFEF。,要得到,低噪声前置放大器，必须选用噪声系数小的晶体管，同,时还要使光电探测器的源电阻与晶体管的最佳源电阻相等，以得,到最小的噪声系数。但在实际使用中，这二者不会刚好相等，可,以采用变压器匹配和并联来达到阻抗匹配的目的。,此外，还要减少背景光、杂散光以及外界电磁场对光电探测器,和前置放大器的影响。,三 光电信号的调理,光电传感器完成信号的第一次变换，即把待测物理量变换成电,信号的大小或者变换成电信号的变化。,光电信号调理的任务是将经前置放大处理后的光电信号变换为,便于与计算机接口的标准信号。这些信号可以是直流电压信号，,也可以是标准TTL电平的频率、脉冲和开关状态信号。,不同的光电传感器输出的光电信号的类型不同。对于连续的模,拟光电信号，需将电流或电荷量转换为电压量，并经适当的放大,和滤波处理；对于交流信号的光电信号，若信号幅度反映了信息,量，则可通过检波或整流变换电路，将其转换为直流信号，若信,息反映在交流信号的频率变化中，则可将其整形为脉冲信号；若,传感器本身是数字式的，则仅需进行脉冲整型、电平匹配或数码,变换即可。,因此，光电信号调理线路基本上可分为放大、滤波、整形、检,波、整流、鉴相、电平匹配和数码变换等几种。,四 信号的量化,传感器输出信号经调理后变成连续的模拟量，为了将,模拟量输入到计算机，必须将信号转换成数字量。这一,过程需借助A/D转换器来完成。,常用ADC芯片有：逐次比较式ADC、双积分式ADC和,VFC。,主要技术指标：转换速度、分辨率、精度、抗干扰能,力。,A/D,转换器与计算机接口,(1),数据输出接口,芯片数据输出接口方式取决于芯片内部数据输出的硬件结构。,一般有三种情况：第一种，芯片输出端带有三态逻辑控制的缓冲,器，并在芯片外有三态控制端，这类芯片的数据输出线可直接接,在微型机的数据总线上，如,ADC0809,，,AD7574,等；,第二种，芯片数据输出端没有带三态缓冲输出结构，或虽带三,态缓冲输出器，但三态门大状态由芯片内部时序控制，如果此时,时序不能与微机配合，则不能与微机总线直接连接，必须通过,I/O,端口转接，如,AD570,，,AD571,，,AD572,等；,第三种，,ADC,芯片内带有三态逻辑电路，对外没有控制端，,仍由内部逻辑控制电路控制数据输出时间，但内部控制的时序能,与微机数据总线的时序配合，无需外部接口电路就可以直接与微,机数据总线相连，如,AD574,等。,(2)ADC芯片与微机接口中的时序配合,时序配合主要归结为：1.由微机发出芯片所要求的启动转换,信号；2.由微机给出ADC芯片与总线是否连通的片选信号或地,址有效信号；3.ADC芯片转换状态信号如EOC，BUSY或SYS,等，可作为微机查询或中断信号；4.由微机发出读数据信号；,5.转换时钟信号。,(3)ADC数据输入方式,微机在ADC转换结束后，读取转换数据的方式有以下几种：,延时方式：利用软件延时ADC转换一次的时间后，再读取数据。,查询方式：将ADC芯片的转换状态信号送入微机的I/O端口，程,序中查询这一位的状态，受到正确的状态或状态变化后，读取,ADC转换结果。,中断方式：将ADC芯片的转换状态信号作为微机外部中断请求信,号。ADC转换结束，发出中断请求，微机响应中断读取结果。,DMA方式：不通过CPU，直接在ADC和微机的RAM之间进行数,据传送，主要用于芯片转换速度高于CPU数据速度的场合。,2.ADC0816与8031的接口实例,ADC0816是16通道的8位逐次比较ADC器件。它是与微处理器,兼容设计的芯片，可直接与8031接口。,五 模拟量数据采集系统,1.数据采集与转换的应用问题,(1)系统的采样速度,在一个数据采样系统中，采样速度表示了系统的实时性能。采,样速度由模拟信号带宽、数据采集通道数和每个周期的采样数决,定。,由奈奎斯特采样定理，要使采样输出信号能无失真地复现原输,入信号，必须使采样频率至少为输入信号最高有效频率的两倍。,因此，为使信息无损失地复现采样数据，要求在数据带宽的每,个周期内至少采样两次。,而在实际使用中，为了保证数据采集精度，要采取以下措施：,(a)增加每个周期的采样数，通常根据数据带宽，在最高频率端每,周期采样710次。,(b)在A/D转换前设置低通滤波，消除信号中的无用高频成分。,(2)孔径误差,由于模拟量转换成数字量有一个过程，对于一个动态模拟信号，在模/数转换器接通的孔径时间里，输入的模拟信号值是不确定的，从而引起输出的不确定误差。,可见，孔径误差与信号的最高频率f和系统的孔径时间有关,。,假设输入信号为一频率为,的正弦信号V=V,m,sin2,t，如图所示。,由图可看出，孔径误差一定出现在信号斜率最大处，设模/数转,换的孔径时间为,t,A,，则,dV/dt=V,m,.,2,cos2,t,(dV/dt),max,=V,m,.,2,故最大孔径误差,V,m,=V,m,.,2,t,A,措施：采取采样/保持电路。,如果在模/数转换器之前加一采样/保持电路，在模/数转换期间将变化的信号“冻结”而保持不变，即在采样期间跟踪输入信号，一旦发生“保持”控制，立即将采样信号值保持到下次采样为止。这样将使采样的孔径时间大大减少。,1.模拟量采集系统的组成,(1)单通道模拟量采集系统,(2)多通道模拟量采集系统,传感器一般通过屏蔽电缆与测试系统相连（隔离）。其中滤波环节根据系统存在干扰及信号频谱的情况，做频带宽度的压缩，以便采样频率的选取。,实际的数据采集系统，由于需要检测多个物理参数，常使用多路模拟开关，采用巡回检测方式，定时扫描接通各检测通道。,六 频率及开关量采集系统,1.频率信号采集,下图为直接测量频率的原理图。,若在闸门时间内，计数脉冲的计数值为N，则在间隔内的平均,频率,x,可由下式求得：,x,=N/=N,0,/K,频率信号检测要根据所选的测频方法进行设计。,直接频率测量时，输入信号,x,首先进行必要的放大与整形而变成一系列矩形脉冲，该脉冲加到主门上，主门开启的时间,(通常称为闸门时间）由时基信号控制。时基信号由时基振荡器产生,0,主频，再经K次分频获得。分频系数K根据不同的测量范围进行调整，K越大，则,闸门时间越长，可测频率,x,越低。,下图是一种软硬件结合测频法接口原理图。,外部配置硬件计数器，利用软件产生,闸门时间