第三章 光电信号的采集

(2)匹配偏置电路 匹配偏置指的是偏置电阻RB等于探测器内阻Rd 。
图为一匹配偏置电路。由于光敏电阻的阻值对温度变化特别敏 感，偏置电路中的RB通常不采用一个固定电阻，而是用一个与所 用探测器相同规格的光敏电阻代替，使RB与Rd随温度产生相同的 变化，以减小由于环境温度变化对输出信号的影响，从而保持输 出端A点电位的稳定。
(2) 孔径误差 由于模拟量转换成数字量有一个过程，对于一 个动态模拟信号，在模/数转换器接通的孔径时 间里，输入的模拟信号值是不确定的，从而引 起输出的不确定误差。 可见，孔径误差与信号的最高频率f和系统的 孔径时间有关
。
假设输入信号为一频率为ƒ的正弦信号V=Vmsin2 π ƒt，如图所示。
它基本上是一个电流-电压变换器，在环路增益很大的情况 下，输出电压与与输入电流之间的关系为： Vo = -ZFIi； 式中，ZF是从放大器的输出到输入的有效反馈阻抗。
2. 低噪声放大 第一级低噪声前置放大器多采用分立元件，因为集成运算放大 器的噪声一般比低噪声分立元件的噪声大。晶体管的选择是设计 前置放大器的重要环节，通常根据光电探测器的阻抗来选择合适 的晶体管。对于低噪声放大器，源电阻的大小是选择第一级放大 元件的重要依据。如果源电阻RS在1kΩ~1M Ω之间，选用运算放 大器； RS在1MΩ~1G Ω之间，多采用结型场效应管(JFET)；当RS 超过1G Ω，可采用MOSFEF。 要得到低噪声前置放大器，必须选用噪声系数小的晶体管，同 时还要使光电探测器的源电阻与晶体管的最佳源电阻相等，以得 到最小的噪声系数。但在实际使用中，这二者不会刚好相等，可 以采用变压器匹配和并联来达到阻抗匹配的目的。 此外，还要减少背景光、杂散光以及外界电磁场对光电探测器 和前置放大器的影响。
六 频率及开关量采集系统
1.频率信号采集
下图为直接测量频率的原理图。
若在闸门时间τ内，计数脉冲的计数值为N，则在间隔τ内的平均 频率ƒx可由下式求得： ƒx =N/ τ = N ƒ0 /K
• 频率信号检测要根据所选的测频方法 进行设计。 • 直接频率测量时，输入信号ƒx首先进 行必要的放大与整形而变成一系列矩 形脉冲，该脉冲加到主门上，主门开 启的时间τ(通常称为闸门时间）由时 基信号控制。时基信号由时基振荡器 产生ƒ0主频，再经K次分频获得。分 频系数K根据不同的测量范围进行调 整，K越大，则闸门时间τ越长，可测 频率ƒx越低。
(5)反偏偏置电路 pn结光电效应主要是非平衡载流子中的电子运动。 pn结型光 伏探测器，其用法有两种：一种是不外加电压，直接与负载相 接，如左图所示；另一种是加反向电压，形成反偏偏置，如右图 所示。
反偏偏置可减少结电容，使电路时间常量最小，适合于探测脉 冲和高频调制光。
偏置的选择与光电探测器本身的特性(内阻Rd 、噪声 等)有关，不同形式的偏置电路会引入不同的噪声。对 于低阻光电探测器， 当光电探测系统的噪声以探测器 的非热噪声为主时，探测系统的信噪比与偏置电阻无 关，及与偏置方式无关。这是因为输入信号电压与输入 端等效噪声电压按同比例随RB增加而增加。 当光电探测系统的噪声以探测器和负载电阻RB的热噪 声为主时，恒流偏置信噪比最大，恒压偏置信噪比最 小，匹配偏置居中。 对于高阻光探测器，一般采用具有较大偏流的非恒流 偏置更为合适。但所加偏置电流一般不要超过最佳偏置 电流的上限。
2.几种常见的偏置电路
(1)一般直流偏置电路
如图，Rd为探测器内阻，RB为偏置电阻，VA为直流偏置电 源，C为隔直流电容，C的输出直接加到前置放大器的输入端。 此电路适用于光电导探测器。当光照射到探测器上时， Rd阻 值发生变化，导致Rd与RB的分压比发生变化。通常RB有不同的 选择，它可等于、大于或小于Rd ，分别组成匹配偏置、恒流偏 置或恒压偏置电路。
2. ADC0816与8031的接口实例 ADC0816是16通道的8位逐次比较ADC器件。它是与微处理器 兼容设计的芯片，可直接与8031接口。
五 模拟量数据采集系统
1.数据采集与转换的应用问题
(1)系统的采样速度 在一个数据采样系统中，采样速度表示了系统的实时性能。采 样速度由模拟信号带宽、数据采集通道数和每个周期的采样数决 定。 由奈奎斯特采样定理，要使采样输出信号能无失真地复现原输 入信号，必须使采样频率至少为输入信号最高有效频率的两倍。 因此，为使信息无损失地复现采样数据，要求在数据带宽的每 个周期内至少采样两次。 而在实际使用中，为了保证数据采集精度，要采取以下措施： (a)增加每个周期的采样数，通常根据数据带宽，在最高频率端每 周期采样7~10次。 (b)在A/D转换前设置低通滤波，消除信号中的无用高频成分。
由于光敏电阻的阻值对温度变化特别敏感偏置电路中的r通常不采用一个固定电阻而是用一个与所用探测器相同规格的光敏电阻代替使r随温度产生相同的变化以减小由于环境温度变化对输出信号的影响从而保持输出端a点电位的稳定
第三章 光电信号的采集
一 光电信号的拾取
1.光电探测器的偏置 正确设置光电探测器的偏置，对提高探测灵敏度、降 低噪音、提高响应频率、发挥光电探测器的最佳性能， 都具有重要意义。 不同类型的光电探测器要求不同的偏置电路。一般说 来，有零偏置和外加偏置两种方式。 热电偶、热释电探测器、光磁电探测器和光伏电探测 器都不需要外加偏置电源，在光照下产生的光电流（电 压）经过一定的耦合方式与前置放大器相连，可实现对 信号的有效放大。 而外加偏置的光电探测器需要通过外加电源才能形成 光电流（电压），故必须加外加偏置才能正常工作。光 电导探测器、光电子发射探测器都属于这类探测器。
根据阻抗匹配及噪声要求，光电探测器常采用以下形 式的前置放大电路。
(1)低输入阻抗前置放大器 低输入阻抗前置放大器可采用变压器耦合、晶体管共基极电 路、并联反馈及多个晶体管并联等作为放大器的输入级。 在变压器耦合中，改变匝数比可以改变变压器输出输入阻抗前置放大器 对于阻抗特别高的光电探测器，必须采用场效应管作为第一级 输入电路。场效应管是电压控制器件，它的栅-源、栅漏电阻可 高达108~1015欧，而栅-源电容与栅漏电容一般为几皮法到几十皮 法，所以输入阻抗较高。同时，场效应管噪声低，抗辐射能力强， 具有零温度系数工作点，所以高输入阻抗前置放大器常采用场效 应管。
三 光电信号的调理
光电传感器完成信号的第一次变换，即把待测物理量变换成电 信号的大小或者变换成电信号的变化。 光电信号调理的任务是将经前置放大处理后的光电信号变换为 便于与计算机接口的标准信号。这些信号可以是直流电压信号， 也可以是标准TTL电平的频率、脉冲和开关状态信号。 不同的光电传感器输出的光电信号的类型不同。对于连续的模 拟光电信号，需将电流或电荷量转换为电压量，并经适当的放大 和滤波处理；对于交流信号的光电信号，若信号幅度反映了信息 量，则可通过检波或整流变换电路，将其转换为直流信号，若信 息反映在交流信号的频率变化中，则可将其整形为脉冲信号；若 传感器本身是数字式的，则仅需进行脉冲整型、电平匹配或数码 变换即可。 因此，光电信号调理线路基本上可分为放大、滤波、整形、检 波、整流、鉴相、电平匹配和数码变换等几种。
下图是一种软硬件结合测频法接口原理图。 外部配置硬件计数器，利用软件产生闸门时间信号控制外计数 器的计数。图中多位计数器的计数值分高低3个字节送入8255的 PA口、PB口、PC口，计数器的清零信号由8031的P1.7口线提供。 多位计数器的计数选通信号由微机通过定时/计数器实现，时标信 号由T0端引出，经过D触发器作为计数器的选通信号。
(2)ADC芯片与微机接口中的时序配合 时序配合主要归结为：1. 由微机发出芯片所要求的启动转换 信号；2. 由微机给出ADC芯片与总线是否连通的片选信号或地 址有效信号；3. ADC芯片转换状态信号如EOC，BUSY或SYS 等，可作为微机查询或中断信号；4. 由微机发出读数据信号； 5. 转换时钟信号。 (3)ADC数据输入方式 微机在ADC转换结束后，读取转换数据的方式有以下几种： 延时方式：利用软件延时ADC转换一次的时间后，再读取数据。 查询方式：将ADC芯片的转换状态信号送入微机的I/O端口，程 序中查询这一位的状态，受到正确的状态或状态变化后，读取 ADC转换结果。 中断方式：将ADC芯片的转换状态信号作为微机外部中断请求信 号。ADC转换结束，发出中断请求，微机响应中断读取结果。 DMA方式：不通过CPU，直接在ADC和微机的RAM之间进行数 据传送，主要用于芯片转换速度高于CPU数据速度的场合。
1.模拟量采集系统的组成
(1)单通道模拟量采集系统
(2)多通道模拟量采集系统
• 传感器一般通过屏蔽电缆与测试系统相 连（隔离）。其中滤波环节根据系统存 在干扰及信号频谱的情况，做频带宽度 的压缩，以便采样频率的选取。 • 实际的数据采集系统，由于需要检测多 个物理参数，常使用多路模拟开关，采 用巡回检测方式，定时扫描接通各检测 通道。
(3)恒流偏置电路 如果选取RB>>Rd，则流过探测器的电流近似由VA与RB决定， 与Rd无关，这种偏置称为恒流偏置。光电导探测器常采用这种偏 置，其最佳偏置电流一般由厂家给出。
(4)恒压偏置电路 如果选取RB<<Rd，则加在探测器的电压近似为VA，而与Rd无 关，这种偏置称为恒压偏置。对于响应要求不是太高，而探测器 本身噪声又比较大时，常采用这种偏置电路。
(3)其它放大电路 对于具有恒流源特性的光电探测器，采用高负载将有利于获得 大的信号电压，故希望采用高阻放大器。但高负载电阻与探测器 分布电容和放大器输入电容将增加RC时间常量，影响系统的高 频响应，并使其动态范围减小，通常采用互阻放大器或并联反馈 放大器克服这一缺点，它是光纤系统中常用的前级放大电路，如 图所示。
合理设置晶体管的偏置是微弱信号低噪声放大的重要问题。如 图是常用的无噪声偏置电路。
二 光电探测器的前置放大
1.特点 光电探测器对于前置放大器通常从两个方面考虑：一 是要求探测器的前置放大器功率传输最大，即放大器的 输入电阻等于光电探测器的内阻，工作于匹配状态，此 时在一定的入射光功率情况下，从放大器输出端可以得 到最大输出电功率；其次，要求光电探测器的前置放大 器输出最小的噪声，即放大器工作在最佳源电阻Rsopt的 情况下，此时在放大器输出端可得到最大的信噪比。 在实际的光电光电探测系统中，最佳源电阻与匹配电 阻往往是不相等的，有的相差还很大，如何选择要视实 际要求而定。
四 信号的量化
传感器输出信号经调理后变成连续的模拟量，为了将 模拟量输入到计算机，必须将信号转换成数字量。这一 过程需借助A/D转换器来完成。 常用ADC芯片有：逐次比较式ADC、双积分式ADC和 VFC。 主要技术指标：转换速度、分辨率、精度、抗干扰能 力。
1. A/D转换器与计算机接口 (1)数据输出接口 芯片数据输出接口方式取决于芯片内部数据输出的硬件结构。 一般有三种情况：第一种，芯片输出端带有三态逻辑控制的缓冲 器，并在芯片外有三态控制端，这类芯片的数据输出线可直接接 在微型机的数据总线上，如ADC0809，AD7574等； 第二种，芯片数据输出端没有带三态缓冲输出结构，或虽带三 态缓冲输出器，但三态门大状态由芯片内部时序控制，如果此时 时序不能与微机配合，则不能与微机总线直接连接，必须通过 I/O端口转接，如AD570，AD571，AD572等； 第三种，ADC芯片内带有三态逻辑电路，对外没有控制端， 仍由内部逻辑控制电路控制数据输出时间，但内部控制的时序能 与微机数据总线的时序配合，无需外部接口电路就可以直接与微 机数据总线相连，如AD574等。
由图可看出，孔径误差一定出现在信号斜率最大处，设模/数转 换的孔径时间为tA ，则 dV/dt = Vm . 2 πcos2 π ƒt (dV/dt)max = Vm . 2 π ƒ 故最大孔径误差 ∆Vm = Vm . 2 π ƒtA
措施：采取采样/保持电路。 如果在模/数转换器之前加一采样/保持电路，在模 /数转换期间将变化的信号“冻结”而保持不变， 即在采样期间跟踪输入信号，一旦发生“保持” 控制，立即将采样信号值保持到下次采样为止。 这样将使采样的孔径时间大大减少。