用于光强检测的前置放大及量程自动转换电路

许四云，邓焯泳，许瀚朗，冯金垣

（华南理工大学 理学院,广东 广州510640）

在光强检测系统[1－2]中，由于光电探测器输出的光信号通常是微弱的，各种噪声的干扰直接影响有用信号的测量精度，而测量时既要考虑分辨率，又要兼顾测量范围，这就要求与探测器相连的前置放大电路设计合理，以获得大的动态范围和高的信噪比。现有的光强信号放大电路大多[3－5]只追求高增益，但忽略了对测量范围的考虑，而且存在温漂、噪声变大、失调电压偏大等问题，不能满足光强检测系统的实际应用需求。因此，研究出用于光强信号检测的、能够兼顾分辨率和测量范围的、高性能的前置放大及量程自动转换电路就显得非常必要。

1 基本原理

本文设计的电路由光电探测器、前置放大电路、量程转换电路及暗电流补偿电路组成，结构框图如图1所示[6]。

图1 前置放大及量程自动转换电路方框图Fig.1 Preamplifier and the automatic range conversion circuit block diagram

电路工作原理如下：当电路通电后，量程转换电路自动将量程设置为最高档，即前置放大电路的增益最大，输出电压Vo1经次级放大后为Vo2，A/D转换器每隔一段时间读取一次输出电压Vo2进行超量程或者欠量程判断。判别标准以A/D转换器的输入上限的95%作为其上阈值Vmax，以A/D转换器上限的 10%作为下阈值 Vmin，V02>Vmax为超量程，V02＜Vmax为欠量程。若超量程，则单片机程控信号控制量程由高到低变化，直至输出电压V02介于Vmax和Vmin之间。若输入光功率Pi变化后导致现量程不合适，则电路自动根据Pi的变化趋势决定量程的增减，直到量程重新合适为止。

若出现以下两种情况：1)现量程处于最高量程时，放大器输出Vo2仍欠量程；2)现量程处于最低量程时，放大器输出Vo2仍超量程。那么电路将作为特殊处理，量程转换电路将自动维持原量程不变，以防止量程不稳定情况的出现。为了避免两种量程交叉点上可能出现的跳动，本系统把低量程的超量程比较值和高量程的欠量程比较值之间设计了一定重叠范围。由于光电探测器中不可避免地会存在一定的暗电流，为了减少暗电流噪声的影响，该电路中增加了暗电流补偿电路，通过调节补偿电路可使无光强输入时输入到前置放大电路的电流为零。

2 电路设计

由于输入到光电探测器的光很微弱，因此无论是光电探测器的选择还是前置放大电路[的设计都要求非常严格。本系统选用武汉昱升光器件有限公司的YSPD718插拔式同轴光电探测器，可探测波长范围是1 100～1 650nm，其具有响应度高、暗电流小、线性度高、稳定性高等优点。该同轴光纤探测器可通过FC/PC光纤适配器直接与带有传感器的光纤相连接。

前置放大及量程自动转换电路的原理示意图如图2所示。该电路选用美国Intersil公司的精密截波稳定型运算放大器ICL7652作为前置放大器，ICL7652除了具有普通运算放大器的特点外，还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等优点，常用在测量微弱信号的前置放大器中进行数据采集。ICL7652的输入电阻在1012Ω以上，偏置电流25℃时小于30 pA，输入失调电压最大为5μV，失调电压温度系数为0.003μV/℃，共模抑制比在110 dB以上。光电探测器D1的正极接地，负极反向输入到ICL7652，C1用来滤去D1输出的高频噪声。ICL7652芯片的其它管脚的接法如图2所示。C3和C4用于芯片失调电压的周期性的动态补偿，R9和C5组成的滤波电路用来滤去 ICL7652 的斩波尖峰噪声。 R5、R6、R7、R8组成了暗电流补偿电路，可以通过调节变阻器R8来产生与暗电流大小相等、方向相反的电流进行补偿。

由于经过传感器调制的光强变化范围可能很大，而测量时既要考虑分辨率，又要兼顾到测量范围，运用量程自动转换技术[7]就能较好地解决这个问题。如图2所示，量程转换电路选用双四路模拟开关74HC4052，74HC4052的真值表如表1所示，由单片机程控信号控制。从表格中可以看到，只有使INH管脚为低电平时，芯片才能正常工作，本电路把INH管脚一直接地，以保证芯片能随时进入正常工作状态。74HC4052根据B、A两个地址线选择内部的4个通道之一，当B、A输入00～11时，分别对应0～3通道上的开关处于闭合状态。 0～3 4 个通道分别接 R1、R2、R3、R44 个电阻，其中 R1=1 kΩ、R2=10 kΩ、R3=100 kΩ、R4=1 MΩ， 即两相邻量程间保持10倍率关系，这样，显示测量结果时只需改变小数点的位置即可。

图2 前置放大及量程自动转换电路原理图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 软件设计

量程的自动转换是通过单片机程控信号的变化来实现的。在读取光信号的功率值时，需要选择合适的量程进行测量，量程自动转换程序的流程图如图3所示。该程序隔一定的时间间隔运行一次，以刷新数据。

图3 量程自动转换程序流程图Fig.3 Flow chart of automatic conversion of measuring range

4 测试结果及分析

利用Protel 99SE软件[8]，对于前置放大电路进行仿真测试，可以得到以下的结果。首先对电路输入正弦电压，测量前置放大电路输出电压波形，可以得到图4。

图4 放大电路的模拟输出电压图Fig.4 Analog output voltage of the amplifier circuit

从图4可以看出，在有输入信号的情况下，放大电路各个测试点的输出波形一一对应，波形稳定，说明整个放大电路运行良好，与设计的预期效果一致。

接着对ICL7652斩波稳零运算放大器进行档位变动，相当于输入不同的频率，分别测试各个档位下的幅频特性曲线，如图5所示。

图5 不同档位下放大电路幅频特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristics of amplifier circuit with different range

从幅频特性曲线可以看出，档位以10倍递增的时候，电压放大倍数对应增加20 dB，完全符合电路的设计要求，可知放大电路的换挡功能运行正常。

在100 kΩ档位的时候，最高的电压放大倍数为79 dB，可以得出光接收模块的带宽为76 dB；由图5可知此时对应的频率约为160 Hz，则可得此电路对于高于160 Hz的噪声有很好的抑制作用。放大电路的整体设计符合实验的需求。

5 结束语

文中设计了一种高性能的用于光强检测的前置放大及量程自动转换电路，具体包括光电探测器、暗电流补偿电路、前置放大电路、量程转换电路等。选用同轴尾纤型光电探测器，ICL7652作为前置放大器，量程转换电路选用双四路模拟开关74HC4052，通过单片机程控信号的变化可在四个量程之间自动转换，通过调节暗电流补偿电路可减小光电二极管暗电流所产生的影响，能有效地把同轴尾纤型光电探测器产生的微弱光电流转化为较大的电压信号。测试结果表明，设计的电路模块具有低噪声、高增益、高共模抑制比、失调小、可探测光强动态范围大（0～76 dB）等优点，可满足光强检测的实际应用需要。

[1]郑培超,于斌,刘克铭，等.硅光二极管光电检测电路的研究与设计 [J].重庆邮电大学学报:自然科学版,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.

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[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]邓焯泳.光纤温/湿度传感系统的研究与应用[D].广州：华南理工大学,2013.

[7]姜文波,何立伟.常用双积分型A/D转换器自动量程转换接口电路[J].仪表技术,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]许瀚朗.多路可编程光发射与接收系统的研究 [D].广州：华南理工大学,2013.