光电检测技术及应用-第8章光电检测常用电路

第8章光电检测常用电路掌握内容

基本前置放大电路的设计方法及各种解调电路的设计原理和方法。理解内容前置放大电路设计中的一些基本问题，调幅波、调频波、调相波以及脉冲调制信号的解调电路以及细分与辨向电路等。了解内容了解细分与辨向电路第8章主要内容§8.1前置放大器§8.2解调电路§8.3细分及辨向电路§8.4视频信号的二值化处理

§8.1前置放大器

用恒压信号源或恒流信号源来等效探测和偏置电路的输出信号如图8-1所示。同时用源电阻的热噪声来等效探测器和偏置电路的总噪声，用最小噪声系数原则设计前置放大器。图8-1探测器与偏置电路的等效一、设计时前置放大器选择的大致步骤1.测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻；2．从噪声匹配原则出发，选择前置放大器第一级的管型，选择原则如图8-2所示。3．在管型选定后，第一、二级应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，并注意工作频率、带宽等参数的计算及选择。二、放大器设计中频率及带宽的确定1．根据所采用的光电探测器的噪声谱和选定放大器的典型噪声谱，确定工作（调制）频率。（a）典型探测器的噪声谱（b）晶体管噪声系数的频率特性图8-3探测器噪声的频率特性二、放大器设计中频率及带宽的确定

2．光电检测系统中按照白噪声的特点，工作频率选定后，应尽可能减小电路的频带宽度。3．当信号频率在一定范围内变化，不能选用固定频率的窄带滤波方式工作时，除确定必要的窄带外，可采用实际选通积分器的方法来抑制噪声。4．在某些系统如脉冲系统中，为保持信号的波形，必须采用频带宽度较宽的处理电路。二、放大器设计中频率及带宽的确定

在实际系统中，从提高信噪比考虑，很少要求精确保持波形，而按实际需要适当牺牲高频成分，保持必要的脉冲特性。图8-4说明了所需保持波形和电路3dB带宽△f之间的关系。图8-4带宽对矩形脉冲波形和幅值的影响三、放大器设计中的其他考虑1．按最小噪声系统原则设计前置放大器时，为减少后面各放大级噪声对总噪声的影响，其电压放大倍数Av不应小于10倍，从而使F≈F1。2．采用多级级联放大器时，总放大倍数Av可分配到各级中去，Av=Av1Av2…Avn。3．级间加入不同型式的负反馈电路，可以起到提高电路的稳定性，调整输入阻抗、调整放大倍数和改变带宽等作用。三、放大器设计中的其他考虑4．大部分光电检测系统要求有好的线性度和宽的动态范围，在电路设计中应给予考虑。5．完成电路设计前应验证设计是否满足噪声系数、电压放大倍数、频带宽度、稳定性、阻抗匹配、线性度、动态范围等要求。如不满足则应反复修正。四、光电器件与集成运算放大器的连接

几种光电器件与集成运算放电路的典型连接方式：（1）电流放大型

运算放大器两输入端间的输入阻抗=/（Auo+1）

处于电流放大状态的运算放大器，其输出电压与输入短路光电流成比例关系：（8-1）四、光电器件与集成运算放大器的连接（2）电压放大型

当负载电阻取1以上时，运行于硅光电池状态下的硅光电二极管处于接近开路状态，可以得到与开路电压成正比例的输出信号即，Av=根据（8-1）式代入得四、光电器件与集成运算放大器的连接（3）阻抗变换型

电路的输出电压当实际的负载电阻与放大器连接时，远远大于，则负载功率为当硅光电二极管直接与负载电阻相连时，负载上的功率是等于。§8.2解调电路一、调幅波的解调1、二极管包络检波电路

(a)二极管检波(b)晶体管检波图8-6包络检波电路一、调幅波的解调

a)输入调幅波b）不接滤波器时检波波形c)平均值检波波形d)峰值检波波形图8-7包络检波中各点的波形一、调幅波的解调

包络检波存在两个问题：（1）解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。（2）包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号与噪声的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。2、相敏检波电路图8-8相敏检波器原理框图设为振幅调制信号，是本机振荡或参考信号，则乘法器的输出信号为：低通滤波器滤去高频2w的分量，其输出量为：，为低通滤波器的传输系数。（1）相敏检波电路的选频特性如果输入信号中有高次谐波，即设n次谐波为，由它产生的附加输出为：即相敏检波电路具有抑制各种高次谐波的能力。当实际电路中常采用方波信号作为参考信时，输入信号需要与归一化后的方波载波信号相乘。即（2）相敏检波电路的鉴相特性如果输入信号与参考信号或为同频信号，但有一定相位差，这时输出信号随相位差的余弦而变化。

由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，从而判别被测量变化的方向，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。二、调频波的解调图8-9调频波解调原理实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类：(1)调频—调幅调频变换型(2)相移乘法鉴频型(3)脉冲均值型。常见的鉴频器有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这些电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。1．斜率鉴频器斜率鉴频器是属于调幅调频变换型。它先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波，然后用振幅检波器进行振幅检波。图8-10斜率鉴频器原理框图及各环节波形图

通常，斜率鉴频器由线性变换电路与幅值检波器构成，如图8-12（ａ）所示是单失谐回路斜率鉴频器。其线性变换部分是利用谐波回路的频率特性工作的。图8-11调频波的解调

为了改善其线性，可以采用图8-13（a）所示双失谐回路鉴频器。a)电路原理图b)调谐回路幅频特性c)输入调频信号d)回路1输出e)回路2输出f)输出信号图8-12双失谐回路鉴频器2、相位鉴频器

相位鉴频器属于相移乘法鉴频型。它是将调频波经过移相电路变成调相调频波，其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系，然后将调相调频波与原调频波进行相位比较，通过低通滤波器取出解调信号。图8-13相位鉴频器原理框图相位鉴频的基本原理是首先将ui的瞬时频率变化转换为相位变化，然后利用鉴相检出所需调制信号。

经放大后的调频信号分两路加到相位鉴频电路：一路经耦合电容C0加到扼流圈L3上，它相当于相敏检波器的参考电压。

由于在调频波的角频率范围内，C0的容抗远小于L3的感抗，可认为加在L3的电压即为放大器输出电压；另一路信号经互感耦合加到谐振回路L2、C2上。这一电压相当于相敏检波器的信号电压。图8-14相位鉴频电路

互感耦合回路单独绘于图8-16（a）中。一次侧和二次测回路应这样调谐，使它们的固有频率。设两线

圈参数相同，即L1=L2、C1=C2、r1=r2。a)电路图b)二次侧等效电路c)矢量图图8-15互感耦合中的相位关系

若调频信号的瞬时角频率为,在二次侧回路开路情况下，流过L1的电流

(8-10)其相位比滞后90º。通过互感M的耦合作用，在二次侧回路中产生感应电势

(8-11)与同相。在二次侧回路中产生的电流为：(8-12)其中，

为二次侧回路的品质因数，称为广义失调量，Z2为二次侧回路的阻抗。为角频率变化量。的相位较滞后，它在二次侧回路两端产生的电压为：

(8-15)它比超前90º，其矢量图见图8-16（c）。两个具有相位差的电压和送到一个相敏检波电路,其输出与成正比。时，广义失调量很小，可以认为与成正比，即与偏频量成线性关系。的大小反映角频率的变化，即它是调制信号的线性函数。3.比例鉴频器

图8-16比例鉴频电路

图8-16所示比例鉴频电路本身具有抑制寄生调幅的能力。从本质上说它也是一个相位鉴频电路。它与图8-14主要有两点区别：1）用图8-17所示的单式半波相敏检波电路代替了图8-12a所示的常见的半波相敏检波电路；2）在a、b两点并联了一个大电容C5。

R1=R2=R0时，输出电压即u0只与uc4与uc3的比例有关。4、脉冲均值型鉴频器（脉冲计数式鉴频器）

调频信号瞬时频率的变化，直接表现为单位时间内调频信号过零值点(简称过零点)的疏密变化，如图8-17所示。图8-17调频信号变换成单向矩形脉冲序列

实际应用时，只需用一个低通滤波器取出单位时间内脉冲个数的平均分量，就能实现鉴频。

设调频信号通过变换电路得到一个矩形脉冲序列，并让这一脉冲序列通过传输系数为的低通滤波器进行滤波，则滤波后的输出电压uo可写成

(8-17)式中，uav表示一个周期内脉冲振幅的平均值；是脉冲宽度；Um是脉冲振幅；是低通滤波器的传输系数；f是重复频率，也就是调频信号的瞬时频率；T是重复周期。由式(8-17)可知，滤波后输出电压与调制信号的瞬时频率f成正比。脉冲计数式鉴频器的优点是线性好，频带宽，易于集成化。三、调相波的解调

鉴相电路通常分为模拟电路和数字电路两大类。而在集成电路系统中，常用的电路有乘积型鉴相和门电路鉴相。1、乘积型鉴相前面所提到的乘法器式相敏检波电路、开关式相敏检波电路、相加式相敏检波电路、以及精密整流型相敏检波电路都有鉴相特性，因此可以用相敏检波器鉴相。2、门电路鉴相如图8-18所示，两个方波信号Us与Uc可以利用异或门（半加器）EO实现鉴相。a)基本电路b)波形图c)数字式相位计d)输出特性图8-18异或门鉴相器

如果时钟脉冲的频率为比相信号频率的n倍，则相位计的脉冲当量为360°/n，相位差异或门鉴相器的鉴相范围为，它不能鉴别相位超前或滞后，辨别相位超前滞后，需用辨向电路。四、脉冲调制信号的解调

脉冲调制信号的解调主要有两种方式：（1）将脉宽信号U0送入一个低通滤波器，滤波后的输出U0与脉宽B成正比。（2）U0用作门控信号，只有当U0为高电平时，时钟脉冲Cp才能通过门电路进入计数器。这样进入计数器的脉冲数N与脉宽B成正比。

两种方法均具有线性特性。四、脉冲调制信号的解调

脉冲调频信号可以用图8-19所示的窄脉冲鉴频电路解调。但需要用单稳形成窄脉冲，因为只有在脉冲宽度恒定情况下，U0才与频率成正比。

图8-19窄脉冲鉴频电路

§8.3细分及辨向电路一、细分概述细分电路的功用是提高仪器的分辨率，同时使测量信号数字化。它的输入信号在其一个周期内常为模拟量，输出信号为数字脉冲。细分电路是一种模数转换器，或称为编码器。细分电路的主要技术指标有：与分辨率密切相关的细分数；细分精度；响应速度等。一、细分概述

以光栅形成的莫尔条纹为例，在忽略高次谐波的情况下，光电元件输出的电压U和光栅位移x之间的关系为（8-19）（8-20）其中为光栅移动速度；d为栅距；U为电压幅值。当x从0增到到d时，光栅移过一个栅距，电压变化一个周期。一、细分概述

为提高检测精度，采用电子细分技术，将每个周期分解为若干份，通过对每份的测量，使精度提高若干倍。由式（8-19）可知或即对位相进行n细分，实质上是对测量值x进行n细分。即（8-22）特别是，时，即对一个莫尔条纹进行n细分。在细分和辨向处理前对采集的信号进行滤波处理，一方面可以得到比较平滑的信号，以利于处理，另一方面可以改善莫尔信号质量，提高系统的测量精度。二、电子学细分1.直接细分直接细分又称四倍频细分，利用四个过零比较器（或微分电路）将获得的两路相位依次相差90°的莫尔条纹信号分别过零。图8-20四路细分二、电子学细分2．移相电阻链细分法该方法借助于电阻链中不同位置可以产生不同相位的正弦电压函数这一特点，获得n组相位差2n／R的M个正弦电压细分信号。图8-21串联电阻相移原理二、电子学细分

幅值的不一致，可通过放大器来调整。在同一电阻上获取多组电位函数的方法叫作串联电阻相移法，这种方法的缺点是，电阻细分需要从输入信号中消耗一定的功率，细分数越大，消耗的功率也越大，电路元件也成倍增加，致使移相细分电路变得复杂，因而细分数就会受到相应的限制，另外电阻细分对细分信号的波形、幅值和正交性都有严格的要求，否则会带来测量结果的误差，因此不适合于进行高倍数细分。二、电子学细分

目前多采用并联电阻相移法．如图8-22所示，在每个电阻上，只采样一个信号，相互不影响，调整方便，并可获较高的精度。图8-22并联电阻相移原理二、电子学细分可供输出用于细分的n个正弦电压函数为：图8-23实用并联电阻相移细分电路二、电子学细分3.电平切割比较细分电平切割比较细分法又称为幅值切割比较法，将莫尔条纹变化产生的正弦信号进行幅值分割，形成比较电压U1，U2，…，-U1，-U2，…。图8-24幅值切割比较法

该方法的最大缺点是正弦函数各点斜率不等，在拐点附近斜率大，细分间隔电位变化大，易于实施、而在极值附近斜率接近于零，细分间隔电位变化很小，易受干扰，不易实施。为克服上述缺点，有多种方法可对它进行改造。下面介绍一种近似三角波法实施细分。利用正弦函数和余弦函数合成的近似三角形波

、该波形各点具有相同的斜率，容易实施细分，且细分间隔间电位变化基本相等。

同时采用两组光电取样系统，获得相位差为

的两组信号电压：和。通过电路取两者绝对值之差，形成光栅移动的信号电压。将信号电压与三角波细分比较电压相对照，两信号一致时产生计数脉冲。该方法可获40~80倍的细分。图8-25

近似三角波的形成二、电子学细分4.调制信号细分图8-26调制信号细分法原理乘法器输出信号和分别为

将和经加法器后，输出信号为4.调制信号细分

调相信号细分也是一种常用电子细分法，实现的关键是鉴相细分，下面介绍脉冲填补法的鉴相细分原理。

图8-27鉴相原理图8-28鉴相各环节波形5.锁相细分法

光栅连续运动时，从变化的莫尔条纹中取出的光电信号频率为f，如要进行n倍细分则使倍频振荡器产生频率为F＝nf的信号输出。采用锁相技术，以确保F跟踪f并始终是其n倍。方法是将倍频振荡器输出信号经n分频，再与光栅信号进行相位比较。图8-29锁相细分法框图5.锁相细分法

设某时刻分频信号相位是，莫尔条纹光电信号的相位是，两者相位差。当固定时输出正常F＝nf。当不固定时，存在相位差的变化，表示n倍频有偏差。应将变化的相位差经相位电压变换器，使输出电压变化。保持放大器输出信号不变，直到下一次鉴相信号到来之前。信号的变化使压控倍频振荡器输出频率发生变化，以保持F=nf的正确关系。通过鉴相调整频率的过程每一周期中进行一次、使之及时跟踪，形成稳定的倍频输出。三、辨向电路

为了辨别方向，通常采用在相隔1/4莫尔条纹间距B的位置上安放两个光电元件，获得相位差为90º的两个信号，然后送到如图8-30所示的辨向电路进行处理。图8-30辨向电路三、辨向电路

假设当主光栅向左移动时，莫尔条纹向上移动，两个光电元件分别输出电压信号U1和U2，如图8-31（a）所示，当标尺光栅向右移动时，输出信号波形如图8-31（b）所示。图8-31光栅移动时辨向电路各点的波形§8.4视频信号的二值化处理

在不要求图像灰度的系统中，为提高处理速度和降低成本，尽可能使用二值化图像。值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。实现CCD视频信号二值化处理方法很多，可以用电压比较器进行固定阈值或浮动阈值的处理方法，也可采用微分法进行二值化处理方法。一、微分法实现二值化处理方法

将CCD视频输出的脉冲调制信号经过低通滤波后变成连续信号，该连续视频信号通过微分I，电路输出是视频信号的变化率，信号电压的最大值对应视频信号边界过渡区变化率最大点A及A’。图8-32边界特征提取微分法原理图8-33电路工作波形一、微分法实现二值化处理方法