光电检测 报告

摘要

设计了一种应用于微光夜视仪检测设备中低噪声的光电检测系统，分析了电路中产生的主要噪声，并提出了抑制方法。系统采用光敏二极管作为光电检测器件，并利用单片机实现了光照度的实时显示与超差报警以及与上位机的通信。关键词：单片机；光电检测电路；光电二极管

Ａｂｓｔｒａcｔ

Ａｌｏｗｎｏｉｓｅｌｉｇｈｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒａｎｉｇｈｔｖｉｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｗｅａｎａｌｙｚｅｔｈｅｎｏｉｓｅｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｔｕｄｙｈｏｗｔｏｃｈｅｃｋｔｈｅｍ．Ｉｎｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｉｓｕｓｅｄａｓｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｏｒ，ａｎｄａｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙｏｆｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ，ａｌａｒｍａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｐhｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ；ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ．

0 引言

夜视技术在军事、工业、农业、科学研究、医药卫生等领域有着广泛的应用，特别是在军事方面的需求是夜视技术发展的原动力。在现代战争中，为了提升战争的突然性以及扩大战争的时间范围和空间范围，需要部队在星光或月光等微弱光照度情况下对战场进行侦查和监控，这就必须依靠夜视技术，所以，微光夜视仪设备的可靠性将直接影响到军队的战斗力。要确保每一个装备的夜视仪都是合格的，就对检测设备的技术指标提出了很高的要求。为模拟实际中的夜天光环境，在微光夜视仪检测设备中的光源要求色温为２８５６Ｋ，光照度的变化不超过±１０％。光应力源是否符合要求直接决定了整套系统工作的稳定性及判断结果的准确度，所以，为了保证检测设备的检测精度以及检测结果的准确性，要求对光源的照度变化进行实时监测。当光源变化超出规定范围时，能够及时报警，提示进行设备维修或光源的更换。

１系统设计与工作原理

系统主要包括：光电检测电路、光照度显示模块、超差报警模块、串口通信模块。具体原理是通过光电检测电路将采集到的外界自然光转换为相应的直流电压信号，再通过ＡＤＣ将电压信号转换为数字信号送入单片机，单片机将数据进行补偿算法获得精确的实际采样值，控制数码管显示实时光照度，一旦光照度不符合设计指标，则通过报警灯及蜂鸣器进行报警，同时，通过ＲＳ２３２串口与上位机进行通信。系统原理框图如图１所示。

图1 光应力源监测系统原理框图

２光电检测电路

光电检测电路是通过将照射于光电探测器上的光通量转化为相应的光电流，再经过电流放大、电压转换等后续电路进一步优化有用信号，最终实现光信号获取的一种方法。这种电路已被广泛用于军事、农业、民用等诸多领域在光电系统中，光电检测电路把接收到的光信号转换成电信号，并对电信号进行放大，再与后面的检测和运算系统对接。光电检测电路在整个光电系统中是非常重要的，它的性能好坏直接决定了整个系统的性能好坏。

２．１光电检测电路的设计

由于本电路中采用的光电探测器的输出信号为电流信号，所以，先要经过前置放大电路将接收到的光信号转换为电流信号再转换为电压信号，但由于光电探测器的输出电流信号比较微弱，所以，在经过前置放大电路后，还需要对电压信号进一步放大到便于下一步微处理器处理的范围。但在测量信号得到放大的同时噪声也被放大，所以，为了测量的精准性，必须使用滤波电路限制噪声的频率范围，将大部分噪声滤除掉。检测电路由前置放大电路、滤波电路和二级放大电路组成，光电检测电路结构框图如图２所示。

设计光电检测电路有３个规则：一是降低电路噪声，提高输出信噪比；二是为避免出现频率失真，要保证电路通频带的范围足够宽；三是为保证输出信号功率大，后续电路的输入阻抗要与检测电路匹配。

光电检测器件采用普通ＰＮ结硅光电二极管。因为光电二极管本身具有优越的光电线性特性和频率特性好、较小的暗电流、良好的稳定性，光电二极管的工作模式又可以分为两类：１）光导模式，在光电二极管两端加反向偏置电压；

２）光伏模式，在光电二极管两端不加电压直接与负载相连。前一种模式的时间常数较小，造成这样结果的主要原因是外加反向偏置电压可以减小结电容，因此，可以用在脉冲和高频调制光的探测上。光导模式的主要缺点就是暗电流的干扰比较大。与此相反，后一种模式中的暗电流影响非常小，所以电路噪声小，在恒定和低速调制微弱光的测量上有着更大的优势。ＰＮ结光电二极管比ＰＩＮ 结光电二极管的输出电流大。ＰＩＮ结光电二极管更适合在反向偏压下工作。前置放大器采用集成运算放大器。光电二极管与集成运放的连接方法属于电流放大型，光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，电阻Ｒ１作为反馈电阻。

图３中，由于在光电二极管两端没有加反向偏置电压，所以暗电流非常小，这就减小了输出噪声。

输出电压：

1SC so R I U =

式中：I s c ———光电二极管产生的光电流。

２．２ 电路噪声的估计与降低方法

图３所示电路中，所产生的噪声主要包括光电二极管的散粒噪声，光电二极管内阻所产生的热噪声，反馈电阻Ｒ１产生的热噪声以及运算放大器所产生的噪声。

设Ins 为光电二极管的散粒电流，sc I 为光电二极管的光电流，Δｆ 为电路的通频带。则：

sc 2

ns I 2I e =△ƒ

设nd I 为光电二极管内阻所产生的的热噪声电流，Ｒｄ为光电二极管的内阻，则:

d R f k ∆=4I 2nd

设nf U 为反馈电阻Ｒ１产生的热噪声电压，则：

14fR KT U nf ∆=

设n E ，n I 分别为放大器的等效输入噪声电压和等效输入噪声电流，则光电检测电路的输出总电压为：

nf d n n nd ns sc O U R R E I I I I U ++

+++=1)( 输出电压1R I U sc so =，所以输出噪声电压为：

nf d

n n nd ns so o no U R R E I I I U U U ++++=-=1)( 光电检测电路的输出信噪比ＳＮＲ为：

f sc d sc n sc n d sc sc no so R I f KT R I E I I R I f I f e U U ∆+++∆+∆=22221

从上述公式可以看出，电路的信噪比与很多因素有关。电路的光电流sc I 越大，则信噪比越大，所以，应该选择灵敏性高的光电二极管以提高信噪比。通频带Δｆ 越小，则输出信噪比越大，所以，应该在后级电路使用滤波电路以限制通频带，但通频带又不能过于狭窄，以免输出信号产生频率失真。集成运放的等效输入噪声电压Ｅｎ和等效输入噪声电流Ｉｎ越小，则输出信噪比越大，所以，应该选择噪声小的低噪声高精度集成运放，可以有效地减小噪声提高信噪比。另外电路的工作环境温度Ｔ 越小，输出信噪比越大。所以，要尽可能使检测电路在较低的温度环境下工作。

在实际应用中，可以在前置放大电路后面连接低通滤波器以过滤高频噪声，因为噪声以高频为主，所以，低通滤波器可以有效地提高输出信噪比二阶低通滤波器电路如图４所示。