光电传感与检测第三章

1、光信号的调制方法光信号的调制方法 （1）电光调制器）电光调制器(电光强度调制电光强度调制) 某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度,相位或频率的调制，构成电光调制器。纵向电光效应（外加电场方向与光传输方向一致） 纵向电光强度调制VIiP1入射光起偏器xzyLxy/4玻片检偏器P2调制光Io进入晶体后入射光被分解为沿x和y方向的两个分量，其振幅和相位都相同，分别为tAEtAEcycxcos)0(cos)0( 电光调制特性曲线透射光强时间电压VV/2调制电压050100sin ( )2V2VBm横向电光效应（外加电

2、场方向与光传输方向垂直） 横向电光强度调制ZdEAPlXYXY（2）声光调制器）声光调制器（3） 磁光调制原理磁光调制原理 磁光调制示意图入射光调制信号起偏器zHdcYIG棒z450检偏器磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转 光电信号的检测方法光电信号的检测方法 直接检测和外差检测 直接检测系统的构成框图光学接收天线信号光背景光光电探测器前置放大器光电信号处理器调制盘tAtEcos)(2)(22AtEP2)(22AhetEPIP光电检测的平方律特性 假定入射信号的光电场为A是信号光光场振幅，是信号光的频率，平均光功率P为光探测器输出

3、光电流为 光学接收天线光电探测器前置放大器信号光背景光本振光光电信号处理器外差检测系统的构成框图)cos()(SSSStAtE)cos()(LLLLtAtE设待测光束和本振光束具有相同的极化，并相互垂直地照射到检测器的均匀光敏面，其电场分别为检测器光敏单元上中辐射场为)cos()cos()()(LLLSSSLStAtAtEtEE2/2/ )(1FSL2/1F第一、二项的平均值，即余弦函数平方的平均值等于1/2；第三项和频项（余弦函数）的平均值为零；而第四项差频项，相对光频来说要缓慢得多，当差频低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率的光电流输出。 光电检测器的输出光电流为 )()cos()(

4、)cos()(cos)(cos)()()(222222SLSLLSLSLSLSLLLSSSLSptAAtAAtAtAtEtEtEi光电检测信号的偏置放大 探测器与偏置电路的等效(a)恒压源 (b)恒流源UiUiRsRs（1）前置放大器的设计步骤）前置放大器的设计步骤1）测量或计算光电探测器及偏置电路的源电阻RS。2）从噪声匹配原则出发，选择前置放大器第一级的管型。选择原则如下：如果源电阻小于100，可采用变压器耦合；在101M之间，可选用半导体晶体管；在1K1M之间，选用运算放大器（OPAMP）；在1M1G之间，选用结型场效应管（JFET）；超过1G以上，可选用MOS场效应管（MOS-FET）

5、。3）在管型选定后，第一、第二级采用噪声尽可能低的器件，按照最佳源电阻的原则来确定管子的工作点，并进行工作频率、带宽等参量的计算及选择。（2）放大器频率及带宽的确定）放大器频率及带宽的确定 探测器噪声的频率特性a)典型探测器的噪声谱 b)晶体管噪声系数的频率特性Nf/Hz0 10 10 10 1023450 f1 f2 fF光电信号的数字化光电信号的数字化 D1D1D1VSAB图5-1-1 机件在导轨上的运动被测钢板边缘成像物镜光电器件图5-1-2 钢板边缘位置光电检测系统光电信号与计算机接口技术光电信号与计算机接口技术 单元光电信号的处理与数据采集:由一个或几个光电转换器件构成的光电转换电路

6、所产生的独立信号称为单元光电信号。单元光电信号的数字化处理，可以直接进行二值化处理，也可以通过A/D转换器将模拟单元光电信号数字化。 固定阈值法二值化处理电路RfUoR1UiU+U-RwUth+-（1）固定阈值法二值化处理）固定阈值法二值化处理 （2）浮动阈值法二值化处理）浮动阈值法二值化处理 UoR1UiRwUth+-RfRLUbbA2. 单元光电信号的A/D数据采集 逐次逼近式A/D转换器；双积分式A/D转换器；V/F式A/D转换器；并行式A/D转换器 UA+DACUREFUx输出寄存器控制逻辑逐次逼近寄存器时钟BUSY串行输出时钟START并行数字输出模拟输入逐次比较式ADC的内部框图图

7、3-54 双积分式ADC转换原理图K1K4K3K2Ux+UREF-UREF+_+K5T1Txt1t2t3积分器比较器UoCR控制逻辑启动转换时钟计数器STATUS数字输出XTXtURCTdtURCU110)(0120101)(03dtURCURCTUTxREFXtREFXURCTxURCT1xREFxUUTT1REFnaxxXUNNU光电信号的光电信号的A/D数据采集数据采集 单元光电信号的A/D数据采集系统原理方框图A/D转换器单元光电信号同步控制器SRAM储存器地址计数器接口电路计算机总线接口地址译码器AB光电单元信号与计算机接口技术光电单元信号与计算机接口技术 A/D转换器与计算机的连接

8、 ADC0809内部逻辑结构八位八位A/D转换芯片与转换芯片与CPU的接口的接口 通道选择表CBA被选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7八位八位A/D转换芯片与转换芯片与CPU的接口的接口 D/A芯片的简化功能示意图ORG1000HSTART: MOVAL,98H；8225A初始化，方式初始化，方式0，A口输入，口输入，B口输出口输出 MOVDX,0FFH ；8255A控制字端口地址控制字端口地址 OUTDX,AL；送送8255A方式字方式字 MOVAL,0BH；选选IN3输入端和地址锁存信号输入端和地址锁存信号 MOVDL

9、,0FDH ；8255A的的B口地址口地址 OUTDX,AL；送送IN3通道地址通道地址 MOVAL,1BH；PB4=1送送START OUTDX,AL；启动启动A/D转换转换 MOVAL,0BH； OUTDX,AL；PB4=0送送START MOVDL,0FEH ；8255A的的C口地址口地址TEST: INAL,DX；读读C口状态口状态 ANDAL,10H；检测检测EOC状态状态 JZ TEST；如果未转换完，在测试；转换完则继续如果未转换完，在测试；转换完则继续 MOVDL,0FCH ；8255A的的A口地址口地址 IN AL,DX；读转换结果读转换结果 HLT 电路进行A/D转换的编程

10、前，需先确定输入的输入方式，以便选择8255A的工作方式。在本例中，假定以查询方式读取A/D转换后的结果，则8255A可设定A口为输入，B口为输出，均为方式0，PC4为输入 光电单元信号与单片机接口光电单元信号与单片机接口 （1）简单开关量输出接口）简单开关量输出接口（2）光电耦合器）光电耦合器P1.0为为 “0”， 4N25的输入电流为的输入电流为1015mA，输出端可以流过，输出端可以流过3mA的电流，三极管的电流，三极管ce导通，导通，7404输出高电平输出高电平“1”。 P1.0为为“1”， 4N25的输入电流为的输入电流为0，三极管，三极管ce截止，截止，7404输出低输出低电平电平

11、“0”。限流电阻限流电阻R的计算：当的计算：当P1.0 “0”，4N25输入电流输入电流1015mA，二极，二极管压降为管压降为1.21.5V，故，故 滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图13.02所示。所示。 滤波过程滤波过程滤波器可分为有源滤波器和无源滤波器。滤波器可分为有源滤波器和无源滤波器。 无源滤波器是仅由无源元件无源滤波器是仅由无源元件(R、L和和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感

12、元件的电抗随频率的变化而变化组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路电路比较简单，不需要直流电源供电，比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显， 有源滤波器是由无源元件有源滤波器是由无源元件(一般用一般用R和和C)和有源器件和有源器件(如集成运算放大器）组如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还

13、可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如 无源滤波器高，在高压、高无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。频、大功率的场合不适用。 (a)低通滤波电路 (b)高

14、通滤波电路(c)带通滤波电路 (d)带阻滤波电路有源滤波器的频响有源滤波器的频响一阶低通有源滤波器一阶低通有源滤波器 一阶低通滤波器的电路如图所示，其幅一阶低通滤波器的电路如图所示，其幅频特性见图，图中虚线为理想的情况，实线频特性见图，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。太慢，选择性较差。图一阶LPF 图一阶LPF的幅频特性曲线 当当 f = 0时，各电容器可视为开路，通带内的电时，各电容器可视为开路，通带内的电压增益为：压增益为： 一阶低通滤波器的传递函数如下一阶低通滤波器的传递函数如下 ， 其中其中 12p

15、1RRAv )(10pIOsAsVsVsAvRC10该传递函数式的样子与一节该传递函数式的样子与一节RC低通环节的频响表低通环节的频响表达式差不多，只是后者缺少通带增益达式差不多，只是后者缺少通带增益Avp这一项。这一项。低通滤波器低通滤波器(LPS：low pass filter)是允许低是允许低频讯号通过，而不允许高频讯号通过的滤波器。频讯号通过，而不允许高频讯号通过的滤波器。图所示是图所示是RC低通滤波电路，其电压回路公式低通滤波电路，其电压回路公式 增益为增益为 截止频率截止频率 简单二阶低通有源滤波器 为了使输出电压在高频段以更快的速率下为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善

16、滤波效果，再加一节降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。二阶波器的滤波效果更好。二阶LPF的电路图如图的电路图如图所示，幅频特性曲线如图所示。所示，幅频特性曲线如图所示。（1 1）通带增益）通带增益 当当 f = 0, 或频率很低时，各电容器可视为开或频率很低时，各电容器可视为开路，通带内的增益为路，通带内的增益为RRAvfp1 图 二阶LPF 图二阶LPF的幅频特性曲线 （2 2）二阶低通有源滤波器传递函数）二阶低通有源滤波器传递函数 RsCsVsVsVAsVv2N)()(po1

17、1)()()()( )()1(1)1(1i2121NsVsCRsCRsCRsCsV 通常有通常有C1=C2=C，联立求解以上三式，可得，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数滤波器的传递函数 2pIO31sCRsCRAsVsVsAvv (3)(3)通带截止频率通带截止频率 将将s换成换成 j，令，令 ,可得020pj3)(1ffffAAvv2j3)(10p20pffff解得截止频率解得截止频率RCfff237. 037. 0275300p当当 时，上式分母的模时，上式分母的模pff 与理想的二阶波特图相比，在超过与理想的二阶波特图相比，在超过 以后，以后，幅频特性以幅频特性以- -40 dB/

18、dec的速率下降，比一阶的下的速率下降，比一阶的下降快。但在通带截止频率降快。但在通带截止频率 之间幅频特性之间幅频特性下降的还不够快。下降的还不够快。0f0pff RCf/1200一阶有源高通滤波器光电A/D转换与单片机的接口 （1）八路模拟通道选择）八路模拟通道选择启动启动A/D转换只需要一条转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择中。例如要选择IN0通道时，通道时，可采用如下两条指令，即可启动可采用如下两条指令，即可启动A

19、/D转换。转换。MOV DPTR , #FE00H ；送入；送入0809的口地址的口地址MOVX DPTR , A ；启动；启动A/D转换（转换（IN0）（2） 转换数据的传送转换数据的传送 1）定时传送方式）定时传送方式 对于一种对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知且固定的。例如标是已知且固定的。例如ADC0809转换时间为转换时间为128s，相当于，相当于6MHz的的MCS-51单片机共单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换就已经完成，

20、接着就可换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换就已经完成，接着就可进行数据传送。进行数据传送。 2）查询方式）查询方式 A/D转换芯片是表明转换完成的状态信号，例如转换芯片是表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的的EOC端。因此可以用查询方式，测试端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可知的状态，即可知道转换是否完成，并接着进行数据传送。道转换是否完成，并接着进行数据传送。 3）中断方式）中断方式 把表明转换完成的状态信号（把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。以中断方式进行数据传送。所用的指令为所用的指令为MOVX 读

21、指令，首先送出口地址并以信号有效时，读指令，首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即信号即有效，把转换数据送上数据总线，有效，把转换数据送上数据总线， MOV DPTR , #FE00H MOVX A , DPTR MOVDPTR， #FE00H ；送入；送入0809的口地址的口地址 MOVA ，#07H ；D2D1D0=111选择选择IN7通道通道 MOVX DPTR， A ；启动；启动A/D转换转换D/A转换器与单片机接口技术 DAC0832的逻辑结构向向DAC0832传送的传送的8位数据量位数据量40H(01000000B), 则输出电压则输出电压UOUT=(64/256)*5V=1.2

22、5V，其输出过程可用一条指令（，其输出过程可用一条指令（MOV P1 , #40H）完成。）完成。 单片机和DAC0832直通方式输出连接 完成一次完成一次DA转换。转换。 MOV DPTR ， #ADDRES ；指向；指向DAC0830 MOV A, #DATA ； MOVX DPTR，A ； 数字量从数字量从P0口送到口送到P27所指向的所指向的地址，地址，WR有效时完成一次有效时完成一次DA输入与转换。输入与转换。 单缓冲器方式接口单缓冲器方式接口 双缓冲器方式双缓冲器方式 完成两路完成两路DA同步转换输出。同步转换输出。MOV DPTR，0DFFFH ;指向指向DAC0830（1）MO

23、V A， data1 ;datal送入送入DAC0830（1）中锁存）中锁存MOVX DPTR, AMOV DPTR, #0BFFFH ;指向指向DAC0830(2)MOV A， #data2 ;data2送入送入DAC0830（2）中锁存）中锁存MOVX DPTR, AMOV DPTR, #7FFFH ; 给给0830（1）、）、0830（2）提供）提供WR信号，同时信号，同时完成完成D/A转换输出转换输出MOVX DPTR， A 光电检测电路举例光电检测电路举例 PIN组成基本放大电路EoR1IpPINA+_PIN管相当于一个电流源管相当于一个电流源 当它的负载阻抗为零时，它的输出特性最好。当它的负载阻抗为零时，它的输出特性最好。而理想的运放压差为零的特性，这正是选用运放检测而理想的运放压差为零的特性，这正是选用运放检测PIN管电流的原因。管电流的原