激光干涉儀是干涉式大氣垂直探測儀的參考干涉系統(tǒng)。它利用波長為632.8 nm的he-ne激光光源,在大氣垂直探測儀的動鏡運(yùn)動時(shí),與目標(biāo)紅外輻射一起在主干涉系統(tǒng)中同時(shí)被調(diào)制,通過對光電探測器接收的激光干涉信號進(jìn)行處理,可以獲取控制信號用來觸發(fā)主干涉儀等間隔采樣及控制動鏡勻速運(yùn)動猛糯。激光干涉信號是微安級的微弱電流信號且?guī)捒蛇_(dá)0.5 mhz,為了獲取這樣的微弱信號,需要設(shè)計(jì)低噪聲的光電檢測電路陋沫。在微弱光電信號檢測領(lǐng)域,各種新方法層出不窮,文獻(xiàn)[1]給出基于鎖相放大原理的光電檢測電路實(shí)現(xiàn)方法,文獻(xiàn)[2]提出用快前置放大器對光電信號進(jìn)行檢測。本文提出了一種基于低噪聲低失真寬帶運(yùn)放max4488的光電檢測電路設(shè)計(jì)方法,能將掩埋在噪聲中的激光干涉信號提取出來,通過濾波和整形處理,獲取脈沖輸出信號,為大氣垂直探測儀的可靠運(yùn)行提供有效的控制信號轨府。

激光干涉信號檢測

激光干涉信號通過硅光電探測器接收后生成光電流,經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換前置放大和次級放大電路,獲取信號幅值和后續(xù)信號調(diào)理電路匹配的正弦電壓信號,再經(jīng)過低通濾波電路濾除激光干涉信號的高頻噪聲,最后對信號進(jìn)行比較整形獲得輸出信號岁之。

光電轉(zhuǎn)換前置放大電路

硅光電二極管的光譜響應(yīng)范圍從可見光到1 100 nm,響應(yīng)時(shí)間從,響應(yīng)速度快。選用探測單元為?0.8 mm的pin型高速硅光電二極管s10783,其響應(yīng)度為0.46μa/μw,暗電流為0.01 na,結(jié)電容為4.5 pf座序。

硅光電二極管在光伏模式下工作,可實(shí)現(xiàn)非常精確的線性度,被放大的信號只與入射光強(qiáng)成正比估宏。此時(shí)暗電流為零,探測器的噪聲主要是散粒噪聲和電阻的熱噪聲,當(dāng)待測信號是微安級的微弱電流信號時(shí),這對提高系統(tǒng)信噪比是非常有益的。

光電轉(zhuǎn)換前置放大電路將μa級光電流信號變換成與后續(xù)電路匹配的電壓信號,這就要求放大器具有低噪聲及低輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓性能耗膊。max4488是cmos輸入級運(yùn)算放大器,具有非常高的輸入阻抗,在1 khz時(shí)輸入電壓噪聲密度4.5 nv/,輸入電流噪聲密度0.5 fa/,輸入偏置電流1 pa,輸入失調(diào)電壓70μa,這使得max4488能夠滿足源阻抗較高的硅光電二極管前置放大電路的低噪聲要求,且能有效地減小系統(tǒng)誤差,保持電路精度芙卸。

根據(jù)電路的噪聲理論,光電檢測電路級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)主要受前置放大級噪聲系數(shù)的影響“瞬欤考慮硅光電二極管的散粒噪聲和熱噪聲,以及前放電路的電壓噪聲后摧、電流噪聲和反饋電阻的熱噪聲,可得出光電轉(zhuǎn)換前置放大電路在系統(tǒng)帶寬內(nèi)的噪聲電壓輸出

低通濾波和比較整形電路

通過max4488構(gòu)成同相放大器的次級放大電路后,正弦電壓信號由前置放大電路0.23 v輸出提升到次級放大電路2 v輸出,滿足濾波和整形電路信號幅值要求粱祟。

經(jīng)過前級放大的激光干涉信號不可避免存在高頻干擾,因此設(shè)計(jì)低通濾波電路來抑制高頻噪聲。butterworth低通濾波器在ω=0及其附近的通帶具有最平坦的幅頻響應(yīng),且隨著階數(shù)n的增加,其頻率響應(yīng)特性越接近理想的低通濾波特性玷秋。根據(jù)對系統(tǒng)帶寬內(nèi)電壓幅頻響應(yīng)平坦及阻帶衰減的濾波器設(shè)計(jì)要求,選用2階butterworth低通濾波器,采用一級運(yùn)算放大器max4488冒窍、兩節(jié)rc濾波網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波電路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)動鏡驅(qū)動控制系統(tǒng)對激光干涉信號頻率的要求,濾波器截止頻率fc=530 khz,通帶增益k0=-1。采用濾波器設(shè)計(jì)軟件filter wiz,獲得濾波器參數(shù):r1=220ω,r2=100ω,r3=220ω,c1=1nf,c2=4nf,q=0.71豺鼻。

仿真結(jié)果表明,當(dāng)幅值下降到0.705時(shí)所對應(yīng)的頻率值為533.3 khz,與濾波器截止頻率fc=530khz相對應(yīng),頻率值為5.38 mhz時(shí)所對應(yīng)的幅值是0.0098,阻帶幅值衰減為40 db/10倍頻综液。仿真分析與理論設(shè)計(jì)基本一致,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的濾波器的正確性。

比較整形電路把低通濾波輸出的正弦信號變換為方波脈沖信號,通常采用簡單的過零比較器便可把正弦信號整形成方波信號,但過零電壓比較器在零點(diǎn)附近的抗干擾能力較差儒飒。當(dāng)正弦信號過零時(shí),由于信號不穩(wěn)定或噪聲的影響,在零點(diǎn)附近有小幅抖動,因此在這樣的過渡帶,比較器會發(fā)生多次翻轉(zhuǎn),導(dǎo)致比較器輸出不穩(wěn)定,這是應(yīng)當(dāng)避免的谬莹。利用遲滯比較器代替過零比較器可以提高抗干擾能力,避免比較器錯誤翻轉(zhuǎn)。

整形電路輸出的脈沖信號作為動鏡速度檢測單元的反饋信號,在后續(xù)數(shù)字電路進(jìn)行信號處理,控制動鏡勻速運(yùn)動桩了。

 結(jié)束語

激光干涉信號光電檢測電路是大氣垂直探測儀信號調(diào)理電路的重要組成部分,該電路結(jié)構(gòu)簡單,由集成元件組成附帽。以s10783和max4488為核心的光電轉(zhuǎn)換前置放大電路滿足低噪聲設(shè)計(jì)要求,并對低通濾波電路進(jìn)行仿真分析和整形電路簡化設(shè)計(jì),所設(shè)計(jì)的光電檢測電路符合系統(tǒng)的整體指標(biāo)要求。

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