第三章 光电信号的采集

(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。
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。
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。
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。
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(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。
(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。
(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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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端电阻， 以达到阻抗匹配或最佳源电阻的要求。 (2)高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。
(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。
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。
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。
(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。
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。