光电传感与检测第三章报告

光信号的调制方法

（1）电光调制器(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变更而发生变更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样）～纵向电光强度调制VIiP1入射光起偏器xzyLx’y’λ/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方向的两个重量，其振幅和相位都相同，分别为

电光调制特性曲线透射光强时间电压VлVл/2调制电压050100sin()2лV2VлBΔφm横向电光效应（外加电场方向与光传输方向垂直）横向电光强度调制ZdEAPlXYX’Y’（2）声光调制器（3）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

干脆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，ω是信号光的频率，平均光功率P为光探测器输出光电流为

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匀整光敏面，其电场分别为检测器光敏单元上中辐射场为第一、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）从噪声匹配原则动身，选择前置放大器第一级的管型。选择原则如下：假如源电阻小于100Ω，可接受变压器耦合；在10Ω～1MΩ之间，可选用半导体晶体管；在1KΩ～1MΩ之间，选用运算放大器（OPAMP）；在1MΩ～1GΩ之间，选用结型场效应管（JFET）；超过1GΩ以上，可选用MOS场效应管（MOS-FET）。3）在管型选定后，第一、其次级接受噪声尽可能低的器件，依据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/Hz01010101023450f1f2fF光电信号的数字化

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，可以干脆进行二值化处理，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

（2）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①逐次靠近式A/D转换器；②双积分式A/D转换器；③V/F式A/D转换器；④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数字输出光电信号的A/D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

A/D转换器与计算机的连接

ADC0809内部逻辑结构八位A/D转换芯片与CPU的接口

通道选择表CBA被选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7八位A/D转换芯片与CPU的接口

D/A芯片的简化功能示意图ORG 1000H START: MOV AL,98H ； 8225A初始化，方式0，A口输入，B口输出 MOV DX,0FFH ； 8255A限制字端口地址 OUT DX,AL ； 送8255A方式字 MOV AL,0BH ； 选IN3输入端和地址锁存信号 MOV DL,0FDH ； 8255A的B口地址 OUT DX,AL ； 送IN3通道地址 MOV AL,1BH ； PB4=1送START OUT DX,AL ； 启动A/D转换 MOV AL,0BH ； OUT DX,AL ； PB4=0送START MOV DL,0FEH ； 8255A的C口地址TEST: IN AL,DX ； 读C口状态 AND AL,10H ； 检测EOC状态 JZ TEST ； 假如未转换完，在测试；转换完则接着 MOV DL,0FCH ； 8255A的A口地址 IN AL,DX ； 读转换结果 HLT 电路进行A/D转换的编程前，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

（1）简洁开关量输出接口（2）光电耦合器P1.0为“0”，4N25的输入电流为10~15mA，输出端可以流过≥3mA的电流，三极管ce导通，7404输出高电平“1”。P1.0为“1”，4N25的输入电流为0，三极管ce截止，7404输出低电平“0”。限流电阻R的计算：当P1.0“0”，4N25输入电流10~15mA，二极管压降为1.2~1.5V，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13.02所示。

滤波过程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(R、L

和C)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更而变更的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简洁，不须要直流电源供电，牢靠性高；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(一般用R和C)和有源器件(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，利用级联的简洁方法很简洁构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不须要磁屏蔽(由于不运用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，须要直流电源供电，牢靠性不如

无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。(a)低通滤波电路(b)高通滤波电路(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，其幅频特性见图，图中虚线为志向的状况，实线为实际的状况。特点是电路简洁，阻带衰减太慢，选择性较差。图一阶LPF图一阶LPF的幅频特性曲线

当f=0时，各电容器可视为开路，通带内的电压增益为：

一阶低通滤波器的传递函数如下，其中

该传递函数式的样子与一节RC低通环节的频响表达式差不多，只是后者缺少通带增益Avp这一项。低通滤波器(LPS：lowpassfilter)是允许低频讯号通过，而不允许高频讯号通过的滤波器。图所示是RC低通滤波电路，其电压回路公式

增益为

截止频率

简洁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降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，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LPF的电路图如图所示，幅频特性曲线如图所示。（1）通带增益

当f=0,或频率很低时，各电容器可视为开路，通带内的增益为图二阶LPF图二阶LPF的幅频特性曲线

（2）二阶低通有源滤波器传递函数

通常有C1=C2=C，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数

(3)通带截止频率

将s换成jω，令

,可得解得截止频率当时，上式分母的模

与理想的二阶波特图相比，在超过以后，幅频特性以-40

dB/dec的速率下降，比一阶的下降快。但在通带截止频率之间幅频特性下降的还不够快。一阶有源高通滤波器光电A/D转换与单片机的接口（1）八路模拟通道选择启动A/D转换只须要一条MOVX指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道似乎对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择IN0通道时，可接受如下两条指令，即可启动A/D转换。MOVDPTR,#FE00H；送入0809的口地址MOVX@DPTR,A；启动A/D转换（IN0）（2）转换数据的传送

1）定时传送方式对于一种A/D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ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D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，接着就可进行数据传送。2）查询方式

A/D转换芯片是表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可知道转换是否完成，并接着进行数据传送。3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断恳求信号，以中断方式进行数据传送。所用的指令为MOVX读指令，首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，

MOVDPTR,#FE00HMOVXA,@DPTRMOV DPTR，#FE00H ；送入0809的口地址MOV A，#07H ；D2D1D0=111选择IN7通道MOVX @DPTR，A ；启动A/D转换D/A转换器与单片机接口技术DAC0832的逻辑结构向DAC0832传送的8位数据量40H(01000000B),则输出电压UOUT=－(64/256)*5V=－1.25V，其输出过程可用一条指令（MOVP1,#40H）完成。

单片机和DAC0832直通方式输出连接完成一次D／A转换。 MOVDPTR，#ADDRES；指向DAC0830 MOVA,#DATA； MOVX@DPTR，A；数字量从P0口送到P2．7所指向的地址，WR有效时完成一次D／A输入与转换。单缓冲器方式接口

双缓冲器方式

完成两路D／A同步转换输出。MOVDPTR，＃0DFFFH;指向DAC0830（1）MOVA，＃data1;＃datal送入DAC0830（1）中锁存MOVX@DPTR,AMOVDPTR,#0BFFFH;指向DAC0830(2)MOVA，#data2;＃data2送入DAC0830（2）中锁存MOVX@DPTR,AMOVDPTR,#7FFFH;给0830（1）、0830（2）供应WR信号，同时完成D/A