用于光強檢測的前置放大及量程自動轉換電路

許四云，鄧焯泳，許瀚朗，馮金垣

（華南理工大學 理學院,廣東 廣州510640）

在光強檢測系統[1－2]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，以獲得大的動態范圍和高的信噪比。現有的光強信號放大電路大多[3－5]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、失調電壓偏大等問題，不能滿足光強檢測系統的實際應用需求。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[6]。

圖1 前置放大及量程自動轉換電路方框圖Fig.1 Preamplifier and the automatic range conversion circuit block diagram

電路工作原理如下：當電路通電后，量程轉換電路自動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經次級放大后為Vo2，A/D轉換器每隔一段時間讀取一次輸出電壓Vo2進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%作為其上閾值Vmax，以A/D轉換器上限的 10%作為下閾值 Vmin，V02>Vmax為超量程，V02＜Vmax為欠量程。若超量程，則單片機程控信號控制量程由高到低變化，直至輸出電壓V02介于Vmax和Vmin之間。若輸入光功率Pi變化后導致現量程不合適，則電路自動根據Pi的變化趨勢決定量程的增減，直到量程重新合適為止。

若出現以下兩種情況：1)現量程處于最高量程時，放大器輸出Vo2仍欠量程；2)現量程處于最低量程時，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上可能出現的跳動，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，通過調節補償電路可使無光強輸入時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，可探測波長范圍是1 100～1 650nm，其具有響應度高、暗電流小、線性度高、穩定性高等優點。該同軸光纖探測器可通過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外，還具有高增益、高共模抑制比、失調小和漂移低等優點，常用在測量微弱信號的前置放大器中進行數據采集。ICL7652的輸入電阻在1012Ω以上，偏置電流25℃時小于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態補償，R9和C5組成的濾波電路用來濾去 ICL7652 的斬波尖峰噪聲。 R5、R6、R7、R8組成了暗電流補償電路，可以通過調節變阻器R8來產生與暗電流大小相等、方向相反的電流進行補償。

由于經過傳感器調制的光強變化范圍可能很大，而測量時既要考慮分辨率，又要兼顧到測量范圍，運用量程自動轉換技術[7]就能較好地解決這個問題。如圖2所示，量程轉換電路選用雙四路模擬開關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，芯片才能正常工作，本電路把INH管腳一直接地，以保證芯片能隨時進入正常工作狀態。74HC4052根據B、A兩個地址線選擇內部的4個通道之一，當B、A輸入00～11時，分別對應0～3通道上的開關處于閉合狀態。 0～3 4 個通道分別接 R1、R2、R3、R44 個電阻，其中 R1=1 kΩ、R2=10 kΩ、R3=100 kΩ、R4=1 MΩ， 即兩相鄰量程間保持10倍率關系，這樣，顯示測量結果時只需改變小數點的位置即可。

圖2 前置放大及量程自動轉換電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of preamplifier and range automatic switching circuit

表1 74HC4052真值表Tab.1 True-value list of 74HC4052

3 軟件設計

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

圖3 量程自動轉換程序流程圖Fig.3 Flow chart of automatic conversion of measuring range

4 測試結果及分析

利用Protel 99SE軟件[8]，對于前置放大電路進行仿真測試，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。

圖4 放大電路的模擬輸出電壓圖Fig.4 Analog output voltage of the amplifier circuit

從圖4可以看出，在有輸入信號的情況下，放大電路各個測試點的輸出波形一一對應，波形穩定，說明整個放大電路運行良好，與設計的預期效果一致。

接著對ICL7652斬波穩零運算放大器進行檔位變動，相當于輸入不同的頻率，分別測試各個檔位下的幅頻特性曲線，如圖5所示。

圖5 不同檔位下放大電路幅頻特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristics of amplifier circuit with different range

從幅頻特性曲線可以看出，檔位以10倍遞增的時候，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驗的需求。

5 結束語

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關74HC4052，通過單片機程控信號的變化可在四個量程之間自動轉換，通過調節暗電流補償電路可減小光電二極管暗電流所產生的影響，能有效地把同軸尾纖型光電探測器產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、可探測光強動態范圍大（0～76 dB）等優點，可滿足光強檢測的實際應用需要。

[1]鄭培超,于斌,劉克銘，等.硅光二極管光電檢測電路的研究與設計 [J].重慶郵電大學學報:自然科學版,2013,25(4):484-488.ZHENG Pei-chao,YU Bin,LIU Ke-ming,et al.Design of silicon photodiode photoelectric detection circuit[J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications:Natural Science Edition,2013,25(4):484-488.

[2]王立剛,張殿元.低噪聲光電檢測電路的研究和設計[J].電測與儀表,2007,44(8):63-66.WANG Li-gang,ZHANG Dian-yuan.Research and design of photoelectric detection circuit with low noise[J].Electrical Measurement&Instrumentation,2007,44(8):63-66.

[3]Analui B,Hajimiri A.Bandwidth enhancement for transimpedance amplifier[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2004,39(8):1263-1270.

[4]Vanisri T,Toumazou C.Integrated high frequency low-noise current-mode optical transimpedance preamplifier:theory and practice[J].IEEE Jof Solid-State Circuits,1995,30(6):677-685.

[5]Deibele S,Beyer JB.Attenuation compensation in distributed amplifier design[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech,1989,37(9):1425-1433.

[6]鄧焯泳.光纖溫/濕度傳感系統的研究與應用[D].廣州：華南理工大學,2013.

[7]姜文波,何立偉.常用雙積分型A/D轉換器自動量程轉換接口電路[J].儀表技術,2007,15(6):59-61.JIANG Wen-bo,HE Li-wei.Automatic range switching interface circuit of the common dual integration A/D converter[J].Instrumentation Technology,2007,25(6):59-61.

[8]許瀚朗.多路可編程光發射與接收系統的研究 [D].廣州：華南理工大學,2013.