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- 1029342
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- 男
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1 测试系统工作原理
光电靶的测试以光电转换为基础，以无形的光幕为靶面。图1所示是光电靶测试的系统框图，其测试原理如下：当有物体穿过光幕时，会引起接收光电管的光通量发生变化，此时，光电管所在电路会产生一个正比于该光通量变化的电信号，处理电路将这个电信号放大、整形、最后以脉冲形式输出，再经过数据处理得到所要测量的物理量。
2 设计要求
该系统中，红外光电管输出的信号十分微弱，最大约为10mV，如果此输出信号直接输入到后续电路，则往往会被噪声淹没，要有效利用这个输出信号，就必须对其进行放大。在一般情况的光电检测系统中，光电敏感器件的输出端都紧密连接一个低噪声前放大器，它的任务是：放大光电敏感器件所输出的微弱电信号，并匹配后续调理电路与光电敏感器件之间的阻抗。根据该系统要求，由光电敏感器件输出的微弱电信号应被放大800倍左右，因此，对前置放大器的要求是：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力、良好的线性和抗干扰能力、结构紧凑、靠近光电敏感器件并具有良好的接地和屏蔽。
3 设计方案
该前置放大器电路的设计要从以下几个方面考虑：首先应满足放大电路的高信噪比和信号源阻抗与放大器之间的噪声匹配（所谓噪声匹配是指信号源阻抗等于最佳源阻抗，使得放大电路的噪声系数最小）；其次，要考虑电路组态、形式等以满足对放大器增益、频响、输入输出阻抗等方面的要求；最后通牒，还应采取一定的方法来减少噪声，采取屏蔽以及接地措施以尽量避免信号受到外来的干扰。
3．1 传统方法
传统的放大器电路设计方法是采用超大β管或直接利用仪表放大器增益的可编程性来获取所需要大倍数。按照传统方法，若采用晶体管组成放大电路则输入阻抗较低，尤其在放大微弱信号时会影响输入信号的质量；若采用场效应管组成放大电路，虽然具有高的输入阻抗，但相比较而言它的温漂大、稳定性差，同时不管采用晶体管和还是场效应管，均使得整个电路设计比较复杂，组装和调试也不方便，结构不够紧凑；若直接采用仪表放大器进行高增益单级放大，则不能使仪表放大器达到最佳性能。例如：则若输入失调电压为0.5mV，放大10000倍后可达5V。一般情况下，可利用仪表放大器作前级放大，然后再经过后级放大，但采用仪表放大器组成多级放大电路，将会增加制作成本。
3．2 器件选择
为了满足低噪声放大器对噪声匹配的要求，应选择合适的源电阻，因为源电阻的大小是选以一级放大元件的重要依据。源电阻小于100Ω时，可用变压器耦合，源电阻在100Ω至1MΩ之间可选用晶体管，源电阻在1k Ω至1MΩ之间可以选用运放，源电阻在1k Ω至1GΩ之间多采用结型场效应管（JEFT），源电阻超过1MΩ也可选用MOSFET。
由于所选红外光电管的输出电阻为20kΩ,因此选用晶体管、运算放大器、结构场效应管均可。相比较而言，运算放大器输入阻抗高、失调和漂移较小、共模抑制比高、对温度变化、电源波动以及其它外界干扰具有较强的抑制能力，因此适用于放大微北信号，同时采用运算放大器也可使电路设计简化、组装调试方便、功耗低、体积小、可靠性高。
为了获得低噪声放大电路，应选用低噪声元器件。电阻选用金属膜电阻，电容选用钽电容或瓷介电容，信号输入线应采用尽量短的屏蔽电缆，电路板选用漏电流小的高绝缘电路板。
3．3 新型方案实现
根据系统要求，光电管输出的原始信号应被放大800倍左右，若采用单级放大电路，则当放大倍数较高时，可能会导致电路自激，而避免自激的常用方法就是压低放大电路对信号的放大倍数。因此，本设计采用低噪声运算放大器和仪表放大器构成两级放大电路，前级由低噪声运放放大8倍，后级由仪表放大器放大100倍，两级级联即可获得所需放大倍数。
图2
光电靶测试系统中放大电路的原始图如图示所示，图中，一级放大采用ADI公司的低噪声运算放大器AD829，并设计为负反馈放大电路。AD829是一种高速、低噪声运算放大器，它的等效输入噪声电压密度较小，其最大值为2nV/(Hz )1/2，等效输入噪声电流密度的最大值为1.5p A/(Hz )1/2，电源电压范围为±5~±15V，具有0.04o的相位偏差为0.02%的增益偏差并具有良好的动态特性。根据理想运算放大器的特点和虚短、虚新的概念，可知运放两输入端电压相等，即：U+=U -,又有Uin =U+,由此可得流过电阻R3的电流为：
IR3=U-/R3=U+/U3=Uin /R3
运算放大器的输出为：
Uout =IR3 (R2 +R3 )=Uin(R2+R3 )/R3
因一级放大倍数为8位，选择电阻R2=7R3，由此可得到运放输出为：
Uout =Uin(R2+R3 )/R3 =Uin (7R3+R3 )/R3=8Uin
二级放大电路采用BB公司的INA103。INA103是低噪声仪表放大器，它的等效输入噪声电压密度最大为1n V /(Hz )1/2。电源电压范围为±9V~±25V，具有大于是100dB的高共模抑制比、好的动态特性和1~1000的增益变化范围。
本设计采用了INA103的一种典型用法，只外接了电阻R4、R5和电位器RW，电阻R4与R5阻值相等且等于电位器RW阻值的一半，推荐最大使用值为RW=100 kΩ、R4=R5= 50kΩ。该方法能提供补偿电压同时使输入端电流基本不变。
光电管输出信号经电容耦合到集成运算放大器的输入端，两级放大电路之间采用阻容耦合方式进行耦合。阻容耦合方法中放大电路的静态工作点是独立的，即前、后级无关，也就是说它能隔离各级静态之间的相互影响，使得电路总温漂不会太大。
噪声和干扰信号能够通过多种渠道影响放大电路，在实际应用中必须采取必要的措施以尺可能降低噪声和干扰信号的影响。在电路中，为了防止电源波动带来的干扰，在电源输入端跨接了大小合适的陶瓷电容，适当时候还可采用电池供电。在电路板制作中导线应尽量加宽，同时在功耗不是首要因素时选用阻值较小的电阻来减小电阻带来的噪声。
根据系统要求，光电管输出的原始信号应被放大800倍左右，若采用单级放大电路，则当放大倍数较高时，可能会导致电路自激，而避免自激的常用方法就是压低放大电路对信号的放大倍数。因此，本设计采用低噪声运算放大器和仪表放大器构成两级放大电路，前级由低噪声运放放大8倍，后级由仪表放大器放大100倍，两级级联即可获得所需放大倍数。
图2
光电靶测试系统中放大电路的原始图如图示所示，图中，一级放大采用ADI公司的低噪声运算放大器AD829，并设计为负反馈放大电路。AD829是一种高速、低噪声运算放大器，它的等效输入噪声电压密度较小，其最大值为2nV/(Hz )1/2，等效输入噪声电流密度的最大值为1.5p A/(Hz )1/2，电源电压范围为±5~±15V，具有0.04o的相位偏差为0.02%的增益偏差并具有良好的动态特性。根据理想运算放大器的特点和虚短、虚新的概念，可知运放两输入端电压相等，即：U+=U -,又有Uin =U+,由此可得流过电阻R3的电流为：
IR3=U-/R3=U+/U3=Uin /R3
运算放大器的输出为：
Uout =IR3 (R2 +R3 )=Uin(R2+R3 )/R3
因一级放大倍数为8位，选择电阻R2=7R3，由此可得到运放输出为：
Uout =Uin(R2+R3 )/R3 =Uin (7R3+R3 )/R3=8Uin
二级放大电路采用BB公司的INA103。INA103是低噪声仪表放大器，它的等效输入噪声电压密度最大为1n V /(Hz )1/2。电源电压范围为±9V~±25V，具有大于是100dB的高共模抑制比、好的动态特性和1~1000的增益变化范围。
本设计采用了INA103的一种典型用法，只外接了电阻R4、R5和电位器RW，电阻R4与R5阻值相等且等于电位器RW阻值的一半，推荐最大使用值为RW=100 kΩ、R4=R5= 50kΩ。该方法能提供补偿电压同时使输入端电流基本不变。
光电管输出信号经电容耦合到集成运算放大器的输入端，两级放大电路之间采用阻容耦合方式进行耦合。阻容耦合方法中放大电路的静态工作点是独立的，即前、后级无关，也就是说它能隔离各级静态之间的相互影响，使得电路总温漂不会太大。
噪声和干扰信号能够通过多种渠道影响放大电路，在实际应用中必须采取必要的措施以尺可能降低噪声和干扰信号的影响。在电路中，为了防止电源波动带来的干扰，在电源输入端跨接了大小合适的陶瓷电容，适当时候还可采用电池供电。在电路板制作中导线应尽量加宽，同时在功耗不是首要因素时选用阻值较小的电阻来减小电阻带来的噪声。
IR3=U-/R3=U+/U3=Uin /R3
运算放大器的输出为：
Uout =IR3 (R2 +R3 )=Uin(R2+R3 )/R3
因一级放大倍数为8位，选择电阻R2=7R3，由此可得到运放输出为：
Uout =Uin(R2+R3 )/R3 =Uin (7R3+R3 )/R3=8Uin
二级放大电路采用BB公司的INA103。INA103是低噪声仪表放大器，它的等效输入噪声电压密度最大为1n V /(Hz )1/2。电源电压范围为±9V~±25V，具有大于是100dB的高共模抑制比、好的动态特性和1~1000的增益变化范围。
本设计采用了INA103的一种典型用法，只外接了电阻R4、R5和电位器RW，电阻R4与R5阻值相等且等于电位器RW阻值的一半，推荐最大使用值为RW=100 kΩ、R4=R5= 50kΩ。该方法能提供补偿电压同时使输入端电流基本不变。
光电管输出信号经电容耦合到集成运算放大器的输入端，两级放大电路之间采用阻容耦合方式进行耦合。阻容耦合方法中放大电路的静态工作点是独立的，即前、后级无关，也就是说它能隔离各级静态之间的相互影响，使得电路总温漂不会太大。
噪声和干扰信号能够通过多种渠道影响放大电路，在实际应用中必须采取必要的措施以尺可能降低噪声和干扰信号的影响。在电路中，为了防止电源波动带来的干扰，在电源输入端跨接了大小合适的陶瓷电容，适当时候还可采用电池供电。在电路板制作中导线应尽量加宽，同时在功耗不是首要因素时选用阻值较小的电阻来减小电阻带来的噪声。 |
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