光阻法成像仪的前端信号调理电路设计

黄敏松，雷恒池，陈家田，张晓庆

(1.中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室，北京 100029;2.中国科学院大学，北京 100049)



光阻法成像仪的前端信号调理电路设计

黄敏松1，2，雷恒池1，陈家田1，张晓庆1

(1.中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室，北京 100029;2.中国科学院大学，北京 100049)

为了实现以光电二极管阵列为传感器，以光阻法为原理对高速运动下的微粒进行精确成像和测量，设计了一种可对光电二极管阵列所生成的多路瞬变信号进行快速响应的前端信号调理电路。该前端信号调理电路包含有128个信号调理电路单元，每个信号调理电路单元均由互阻放大电路、后级信号放大电路、分压射随电路和比较电路组成。经试验测试表明，对大小不同的粒子高速经过采样区时光电二极管阵列因粒子对光源的阻挡所产生的微弱瞬变信号,该电路均能快速有效地进行处理,可满足仪器对高速运动粒子进行成像测量的性能要求。

光阻法;成像仪;光电二极管阵列;前端信号调理电路

0 引言

光阻法(Light-Blockage),又称为光障碍法或光遮挡法,是利用微粒对光的遮挡所发生的光强度变化进行微粒粒径检测的方法,检测范围可从μm到mm单位量级[1]。光阻法具有检测速度快、抗干扰性强、精度高、重复性好等优点。以光阻法为测量原理的检测技术广泛应用于航天汽油、医药、气象和环境等领域,但目前主要用在低速测量场合,对于高速粒子测量却鲜有提及，而且测量时只注重粒子的维度,对粒子图像关心很少。光阻法成像测量技术一般采用光电二极管阵列作为前端传感元件[2]。在高速测量场合,主要考虑传感器的快速响应能力,因此,选用分立型光电二极管阵列作为前端传感元件。但分立型光电二极管阵列的应用需要对每个光电二极管单元进行信号调理电路的设计,因此对于由多传感单元组成的光电二极管阵列，其前端信号调理电路必由多路并行的信号调理电路组成，而多路并行的高速信号处理必然对PCB电路板的信号完整性设计提出更高的要求，因此围绕着光电二极管阵列所设计的前端信号调理电路是实现仪器功能的一个重要环节，是制约仪器测量准确性的一个关键性因素[3]。

1 光阻法成像测量原理

光阻法成像测量原理主要是利用一准直、光强分布均匀一致的激光光束直接照射到传感器光电二极管阵列上。各传感器单元均会产生一个与其自身所接收到的激光光强呈正比的电流值。当有粒子穿过激光光束区时，由于粒子的遮挡导致照射到传感器光电二极管阵列上的激光强度发生了变化,从而导致传感器单元产生的电流值发生变化。因此,变化的电流与粒子出现的事件是相对应的,而阵列中被遮挡的光电二极管数则表示着粒子的大小。利用电子电路检测传感器光电二极管阵列上每个光电二极管的光电脉冲变化并对变化的电流进行处理,将对整个光电二极管阵列处理一次生成的一组信号称为slice,当粒子粒径大于光电二极管阵列单元的宽度时，一个粒子将会生成多条slice，这样当把多条slice按生成顺序拼接起来时便可重构粒子图像并测得粒子大小。

2 前端信号调理电路设计

2.1 互阻放大电路设计

在激光照射下,光电二极管阵列产生的物理量是电流,而一般信号的处理量是电压,因此在对信号进行处理前有必要将传感器产生的电流转换为电压。设计电流转电压电路(I/V电路)就是设计互阻放大器。目前,电流转电压的电路设计一般采用基于运算放大器(OPA)的电路设计方案。

在基于运算放大器的光电二极管信号检测电路中,由于运算放大器以及光电二极管的非理想性,导致在进行I/V转换时，在电路的环路特性中引入极点,从而增加系统的相移,引起光电二极管信号检测电路的不稳定,在宽频带噪声的干扰下产生振荡,致使对光电二极管微弱光电流信号检测的不准确。为了提高光电检测电路工作的稳定性,本设计采用超前补偿技术,对相位进行补偿,确保电路在任何环路增益条件下工作时仍有足够的相位裕度。采用超前补偿技术改进的I/V电路如图1所示。

图1 改进的I/V电路

图1中的CD是光电二极管在偏压VB下的结电容,CCM是运放的共模电容，反馈电阻RF为互阻放大电路的增益,选用适当电阻值的电阻,可将μA级的电流量转为mV级的电压量,同时可保持电路的适当带宽以满足高速应用的场合。反馈电容CF并在反馈电阻RF两端,它与RF形成一噪声增益极点,适当的CF值可使噪声增益极点与环路增益极点相抵,从而使电路的相位裕度达到45°,电路稳定正常工作。因此,选定适当的反馈电阻RF和确定反馈电容CF的值是整个互阻放大电路设计的关键。

2.1.1 反馈电阻RF值的确定

对于RF值的确定，樊振方和罗晖[4]经过推理计算得出选定的RF必须符合下列等式：

(1)

式中：f3dB为互阻放大器的3 dB带宽;WGBP为放大器的增益带宽积;CJ为二极管的结电容和运放的共模电容和。

式(1) 指出在源的结电容恒定的情况下,互阻放大器的增益与带宽的平方乘积是一个常数,显然在互阻放大器中,增益和带宽仍是矛盾的。

考虑到运算放大器的增益带宽积并未经过调理，变化范围可能达到±40%，选择WGBP为运放数据手册规定参数的60%。因此,根据式(1)可定出容许的RF值范围为

(2)

2.1.2 补偿电容CF值的确定

对于补偿电容CF，一般情况下会有CJ>>CF,且CF的值由式(3)确定。

(3)

2.2 后级放大电路

在高速应用场合,系统对电路的带宽要求比较高时,有必要牺牲电路的增益,以换取系统对带宽的要求。但系统对电路信号电压处理的要求一般都要达到V量级,因此,在减小前置级的互阻增益时,应在互阻电路的输出端外加一比例放大电路以增大信号幅度。

目前根据电路结构的不同,运算放大器可以分为电流反馈型(CFB) 和电压反馈型(VFB) 运算放大器[5]。考虑到CFB 运算放大器具有带宽不受增益影响的优点，选用电流反馈型(CFB)运放芯片作为后级放大电路的运放芯片。具体的后级放大电路如图2所示。图中Vin是前级互阻电路的输出电压信号,该信号经过以电流反馈型(CFB)运放为核心的反相比例放大电路放大后,输出信号Vout;R3、C1和可调电阻PT共同组成一个提供给CFB运放正相输入端的一个输入信号。在前级互阻电路没有光照条件下该输入信号可使放大电路的输出为一个固定值,该值一般设定为200 mV左右。

图2 后级放大电路

2.3 比较电路和分压射随电路设计

在模拟电路中,电压比较器是对输入信号电压进行比较的电路,其输出电压只有2种可能状态,高电平或者低电平,如果用1表示高电平,用0表示低电平,则比较器的输出刚好和粒子是否出现遮挡的状态对应起来。比较器电路设计中的一个关键因素是确定好阈值电压的数值,根据前人的工作经验[6]，是以激光直照时,光电二极管所接收到的光强产生电压值的一半作为该传感器单元支路比较电路的阈值电压,即以光电二极管所接收到的激光光强被削弱一半以上时表示粒子出现事件。因此，通过设计分压射随电路获取比较电路所需要的参考电平并输入到比较电路。

根据上述分析，设计了电路系统所需要的比较电路，如图3所示。该比较电路的参考电平由以OPA为核心的跟随器电路提供,当后级放大电路将信号经Ra输入时,因为Ra和Rb的阻值相等,因此Rb将分出输入信号Va的一半电压输入运放OPA,因此跟随器的输出电压Vr即为Va的一半,该电压Vr作为比较器的参考电平输入到比较器的参考输入端,电阻Rc在此过程中起到稳定运放OPA输出的作用。电容Ca并在电阻Rb两端,起到电荷存储的作用。在信号Va经电阻Ra输入跟随器的同时,它还经过电阻Rd输入比较器,与参考电平Vr进行比较;一般比较器所自带滞回回路的迟滞区域都太小,很容易受噪声干扰影响,因此,在输出端和同相输入端直接加入正反馈电阻Re,它与电阻Rd一起构成比较器的外部滞回回路,该滞回回路可增大比较器的滞回空间,减缓比较器的频繁跳变。

图3 分压射随电路与比较器电路

3 试验结果和讨论

试验中所选用的传感器是由128个光电二极管单元组成的光电二极管阵列,每个传感单元需要一路的信号调理电路,因此,总共需要128路的信号调理电路，这对整个电路板的信号完整性提出了比较高的要求。因此充分利用芯片的小封装、高集成特性，尽量缩小信号的传输距离，合理安排各级芯片在PCB电路板上的位置，并充分利用多层电路板合理分层的抗干扰特性，最终，将整个128路光电二极管阵列的前端调理电路设计在6层印刷电路板上，如图4所示。

图4 前端信号调理电路板

为了对所设计的前端信号调理电路进行性能测试，利用恒定转速标定转盘进行试验。该转盘上均匀镀着5个大小不同的小黑圆点，直径分别为5 mm、3 mm、1 mm、0.5 mm和0.3 mm,其转速相当于粒子以30 m/s的速度进行飞行，因此可以模拟在30 m/s的飞行速度条件下不同大小的粒子穿过仪器采样区的情况。试验所用光源是波长650 nm,输出准直圆斑且输出功率50 mW的半导体激光器,试验时将激光器的输出光斑对准电路板上的传感器光电二极管阵列，并将转盘置于激光器和传感器之间的光路上,且使转盘的透光孔垂直对准激光光束，这样当转盘转起时可让粒子垂直通过激光光束。将示波器的探针连在比较器的输出端,当转盘未通电时，传感器直接接收激光照射，所接收的激光能量使得比较器输出高电平信号；当转盘通电转起时，因为粒子对激光光线的遮挡，使得比较器输出低电平信号。当转盘恒速转动时，粒子就周期性地对激光光束进行遮挡，这样比较器就输出高低电平相间的脉冲信号，如图5所示。由于低电平脉冲的时长与小黑圆点的粒径相对应,因此通过对每个支路向下凹陷的低电平脉冲采集就可重构出相应的粒子图像形状。

图5 实验中比较器的输出波形

4 结束语

本文在介绍光阻法成像测量原理的基础上，根据传感器光电二极管阵列单元生成信号的特点，设计了适合于高速场合下微粒成像测量的前端信号调理电路。测试表明，该电路能快速有效地对传感器产生的信号进行处理，并产生出与粒子大小相符合的、适合于实际应用的有效信号，可用于后端数字电路的后续处理,完全满足高速条件下仪器对电路快速响应的要求，可用于高速场合下的微粒成像测量。

[1] 曲丹丹,罗诗金,薛剑英,等.光阻法智能微粒检测仪的设计与研究.仪器仪表学报,2003(增刊2):156-158.

[2] 申爽,张庆合,李彤,等.基于USB的光电二极管阵列数据采集系统.仪表技术与传感器,2006(5):37-39.

[3] BAUMGARDER D，KOROLEV A.Airspeed corrections for optical array probe sample volumes.Atmos.Oceanic Tech，1997，14:1224-1229.

[4] 樊振方,罗晖.互阻放大器带宽计算方法.现代电子技术,2011,34(11):90-92,96

[5] 庞佑兵,梁伟.电压反馈和电流反馈运算放大器的比较.微电子学,2003,33(2):132-135,139.

[6] KOROLEV A V，STRAPP J W,ISAAC G A.Evaluation of the accuracy of PMS optical array probes.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,1998,15:708-720.

Front-end Signal Conditioning Circuit Designed for Light-blockage Imaging Probe

HUANG Min-song1,2,LEI Heng-chi1,CHEN Jia-tian1,ZHANG Xiao-qing1

(1.Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;2.University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049，China)

In order to utilize photodiode array as sensor and use the light-blockage method to accurately image and measure the particles in high-speed movement,a front-end signal conditioning circuit was designed to fast respond to the multiple,weak and transient signals generated by the photodiode array.The front-end signal conditioning circuit includes 128 signal conditioning circuit units,each of which is composed of a transimpedance amplifier,a signal amplifier,a follower and a comparator.Experiment results show that the front-end signal conditioning circuit can fast and effectively process the signals generated by the sensor when particles of different sizes trans-through the sampling volume speedily,which indicates that the signal conditioning circuit can fully satisfy the performance requirements by the imaging probe.

light-blockage method;imaging probe;photodiode array;front-end signal conditioning circuit

公益性行业专项(气象)基金资助项目(GYHY200806015)；国家重大科研仪器设备研制专项(41327803)

2014-04-12 收修改稿日期:2014-11-02

TP274.2

A

1002-1841(2015)04-0028-03

黄敏松(1983— )，工程师，硕士，在职博士研究生，主要研究领域为微弱信号检测与处理，大气探测仪器研发等。 E-mail：mission@mail.iap.ac.cn 雷恒池(1960—)，研究员，博导，主要研究领域为大气遥感与大气探测，云降水物理与人工影响天气等。 E-mail：leihc@mail.iap.ac.cn