光電轉換電路設計方案（一）

1、光電轉換-前置放大電路的設計

光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，也是由一個PN結組成的半導體器件，也具有單方向導電特性。但在電路中它不是作整流元件，而是把光信號轉換成電信號的光電傳感器件。

光電二級管是怎樣把光信號轉換成電信號的呢？普通二極管在反向電壓作用時處于截止狀態(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時盡量使PN結的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉換成電信號，成為光電傳感器件。

光電二極管可以在2種模式下工作，一是零偏置的光伏模式；一是反偏置的光導模式，具體電路如圖1所示。在光伏模式時，光電二極管可以非常精確地線性工作；而在光導模式時，光電二極管能夠實現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲線性；同時，反偏置模式下的光電二極管即使在無光照條件下也會產生一個極小的暗電流，暗電流可能會引入輸入噪聲。因此選用光伏模式。

運算放大器（OperationalAmplifier，簡稱OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合﹐差模（差動模式）輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器。在實際電路中，通常結合反饋網(wǎng)絡和不同的反饋方式，共同組成某些功能和特性不同的模塊，這些模塊是各種電子電路中最基本的環(huán)節(jié)。可見運放在電子電路中的應用之廣。

電阻，物質對電流的阻礙作用就叫該物質的電阻。電阻小的物質稱為電導體，簡稱導體。電阻大的物質稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。

一般而言，A》=106，所以Rin≈0；即保證了光電二極管在光伏模式下的線性工作特性。通過反饋電阻將光電二極管與運算放大器相連接，將其產生的微弱電流通過較大的反饋電阻Rf形成壓降，從而實現(xiàn)光通量的改變——光電流——電壓的I/V前置放大轉換。

光電二極管的選擇依據(jù)：

圖2中Isc為光電流;Rd為二極管內阻;Cd為二級管結電容;Ins為二級管的散粒噪聲電流;Ind為二極管內阻的熱噪聲電流。光電二極管與后續(xù)的理想運放構成前置放大電路時，影響其性能參數(shù)的因素主要是以下幾點：

（1）反饋電阻Rf;反饋電阻越大，輸出電壓越大，通常取幾百千伏或幾十兆伏，但反饋電阻的選擇也存在上限，因為前置放大與后續(xù)處理電路相連時會受到輸入電壓匹配的限制，同時過大的反饋電阻會使電路產生自激震蕩;

（2）設計合理的通頻帶;通過電容Cs與反饋電阻Rf的并聯(lián)，構成低通濾波電路，其上限截止頻率為1/2%：Cs:Rf。上限截止頻率越小，信號輸出信噪比越好;但較小的上限截止頻率會使信號產生頻率失真，具體使用時要根據(jù)實際情況調試而定;

（3）光電轉換產生的光電流越大，前置放大得到的輸出電壓越大，因此要盡可能選用靈敏度高的二極管，同時提高光信號的照射功率以增大光電流;

（4）選用內阻較大，結電容較小的光電二極管，同時保證工作溫度恒定，減小因環(huán)境溫度升高而帶來的額外的輸入噪聲。

2、主放大電路的設計

由于前置放大只是將微弱的光電流轉換為電壓信號，在進行實際處理時還要進一步放大，因此設計第二級主放大電路，通過阻容耦合與前置放大電路相連。

由仿真結果可以看出光電二極管產生的微安級的弱光電流經(jīng)前置放大電路可輸出毫伏級的電壓，所以仍需通過主放大電路進行后續(xù)處理。主放大電路如圖4所示;R1~R5電阻可實現(xiàn)電壓放大倍數(shù)的多檔可調，即所謂的靈敏度調節(jié)。

3、電路的優(yōu)化設計

在實際光電測試系統(tǒng)中，還應對光電轉換電路進行諸如降噪、濾波、去耦等優(yōu)化處理，以實現(xiàn)較大的信噪比、信號穩(wěn)定性以及高靈敏度等特點。具體的優(yōu)化措施有以下幾點：

（1）由于運算放大器是雙電源器件，通過合理的選擇偏置電阻使光電轉換前置放大電路的輸出電壓達到合適的幅值（即設置適當?shù)撵o態(tài)工作點），以獲得最大的電壓擺幅，避免飽和失真。如圖6電路所示，電壓輸出設置于-4V左右，避免因強烈的環(huán)境光造成的飽和失真。

該放大電路經(jīng)過仿真以后從波形中可以觀察到輸出電壓被拉低到-4V左右，實現(xiàn)了合理設置靜態(tài)工作點的目的;

（2）正負電壓由運算放大器的4、7管腳引入，同時設置旁路電容構成濾波電路，消除電源紋波的干擾，降低輸入噪聲，提高信號信噪比;

（3）考慮到不同光電檢測系統(tǒng)的使用環(huán)境，對于那些有強環(huán)境光干擾的測試場所，可以在電路設計之初就運用雙光電二極管，使其中一個暴露于測試環(huán)境中并與前置放大器反接，達到消除雜散環(huán)境光干擾的作用;

（4）在電路的制板過程中還會因為器件排列、布線、線寬以及制作工藝等諸多因素引入噪聲，對測試結果產生一定的影響;針對這些因素對PCB板的設計提出以下幾點建議：

a.要求PCB出圖時光電轉換器件與前置運放間的信號線盡可能短;

b.VCC、GND等特殊網(wǎng)絡的線寬要超過其他網(wǎng)絡的線寬，推薦50mil左右;

c.如果電路比較復雜，還應設計專門的電源層與接地層;

d.布線時兩條走線之間應保持一定間距，避免產生電容效應，且走線以水平方向與豎直方向為最佳;

e.敷銅設計時最好將電源與運放隔開，不要整板敷銅，避免噪聲干擾;

（5）在電路板的使用過程中要采取一定的屏蔽措施，如添加金屬外殼（避免空氣中高頻電磁波的干擾），或接地（消除噪聲）等;

基于以上設計原則，設計光電轉換放大電路并制板，以玩具氣槍模擬真實彈丸驗證該測試系統(tǒng)，搭建400mm&10m的有效靶面，分別從有效靶區(qū)范圍內0、5、10m處在400mm光幕的上、中、下3個不同光強區(qū)域驗證彈丸過靶信號;噪聲穩(wěn)定保持在100mV左右，而最弱區(qū)域有用信號達到2V上下，性能較為穩(wěn)定，信噪比好，能夠滿足測試需求。

光電轉換電路設計方案（二）

光電轉換電路的形式

電二極管輸出的是電流信號，而處理電路（如A／D）通常需要電壓信號，因此在光電二極管的輸出端通常使用運算放大器組成I—V（eurrent—to—voltage）轉換電路，該電路的簡化模型見圖1。

光電二極管輸出的電流直接在放大器的反饋電阻上形成壓降，等于放大器輸出端的輸出電壓，計算公式為

Vo=IscR（1）

根據(jù)電路的特點，可以給出運算放大器的選擇標準：由于光電二極管輸出電流通常比較低，因此運放的偏置電流應該盡量小，同時運放應該具有低輸入電容和低失調電壓溫漂的特性。當然由于輸出電壓通常校小，為了降低噪聲的干擾，還應該選擇低噪聲參數(shù)的運放。一般，F(xiàn)ET型輸入的運算放大器具有上述的特性。另外在選擇運放時，還要注意的就是增益帶寬需要滿足信號頻率的要求。

電路帶寬和噪聲分析

實際當中使用的電路形式通常如圖2所示，C1光電二極管端電容和運放的輸入電容之和，在反饋回路中補償電容c2為了消除R2c1在傳輸函數(shù)中形成的零點而引入的，從而使整個電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

C限制了信號帶寬，當C變大時，相位裕量相應增加，但相應的信號帶寬將下降。得到c的同時，也可以得到信號的低通截止頻率，即允許的信號帶寬。根據(jù)圖2的電路圖可以得到噪聲計算模型，如圖3所示。

設計實例

在實際工作中，需要檢測血球高速流過670nm激光束時發(fā)生的散射信號，這個信號頻率在300kHz~MHz之間。根據(jù)實際的光強和信號頻率可以選擇濱松公司的光電二極管$5821，其參數(shù)指標如表1所示。

根據(jù)信號帶寬和光電二極管的暗電流指標，F(xiàn)ET型輸入的運算放大器可以選擇AD公司的AD823，該運放的關鍵技術指標如下：

光電轉換電路設計方案（三）

光電轉換電源是一種基于光供能的、采用光纖傳輸?shù)摹⑤敵鲭妷褐挡皇茈娋W(wǎng)波動影響的穩(wěn)壓源。它是光傳能技術中的關鍵部件，具有良好的抗電磁干擾、抗輻射干擾的性能，是一種安全、潔凈的電能裝置。

光電轉換電源的主要應用是混合式光纖電流互感器的供電電源，我們將以混合式光纖電流互感器作為光電轉換電源的負載來說明光電轉換電源數(shù)字穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方法。

系統(tǒng)總體結構

圖1為光電轉換電源的總體結構。控制室驅動半導體激光器發(fā)光，發(fā)出的光經(jīng)耦合器耦合到多模光纖中，從而傳輸?shù)綔y量現(xiàn)場；光能在現(xiàn)場通過光電轉換器件轉化為電能，供給有源器件。雖然在半導體激光器的驅動電路中已經(jīng)加入了相應的穩(wěn)壓或穩(wěn)流電路，但是光電轉換電源主要應用于遠端的電子器件。這樣，在光由控制端傳輸?shù)浆F(xiàn)場的過程中會有損耗，而光電轉換器件的轉換效率與環(huán)境溫度等因素有關，光纖電流互感器的負載也會發(fā)生不規(guī)則變化，這些就會導致高壓側光電轉換后的電壓達不到系統(tǒng)正常工作的要求，從而影響系統(tǒng)的正常工作，甚至損壞器件。

圖1　系統(tǒng)總體結構框圖

我們可以采用反饋控制的思想來滿足系統(tǒng)要求。根據(jù)控制論中有關反饋控制的理論可知，反饋控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。由于采集的是遠離控制室的參量，因而應有一個通信系統(tǒng)可以使采集的量傳回控制室，如采用光纖通信系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計

數(shù)據(jù)采集部分的主要任務就是采集高壓側（或遠離控制室）的電量，經(jīng)過濾波后傳回控制室。這部分包括了微處理器和A/D轉換器，而數(shù)字量的傳輸以光纖為主。綜合考慮系統(tǒng)性能、工作環(huán)境及經(jīng)濟效益等因素，選取單片機89C2051為主控制器。系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集部分的功耗是必須要考慮的，故采集部分的核心器件A/D轉換器采用ADI公司的低成本、高分辨率A/D轉換器AD7705。

AD7705在工作過程中容易出現(xiàn)端口迷失的現(xiàn)象，為確保它可以正常地工作，還加入了專用看門狗芯片X5045。

89C2051與AD7705的連接如圖2所示。89C2051的RXD引腳和TXD引腳分別接AD7705的DIN腳和SCLK引腳，這樣就可以采用單片機的串口工作方式0對A/D轉換器的相應寄存器進行設置，并讀取轉換數(shù)據(jù)；89C2051的P1.3腳接AD7705的片選腳；89C2051的　P1.2腳接AD7705的復位引腳，從而保證了AD7705的可靠復位；另外AD7705主時鐘采用外接晶振的方式，晶振頻率為2MHz，可以在軟件中對相應的寄存器進行設置，使其實際工作頻率為外接晶振頻率的二分頻，即為1MHz；參考電壓負端接地，正端接LM385-2.5的陰極。

圖2　數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設計

數(shù)據(jù)處理部分是系統(tǒng)的重要組成部分，這一部分的主要作用是接收采集傳輸回來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)適當?shù)?a target="_blank">算法進行運算，最后將運算結果通過D/A轉換器以控制激光器的輸出光功率輸出。D/A轉換器采用了MAXIM公司的MAX542。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)原理簡圖

MAX542是16位串行輸入、電壓輸出數(shù)模轉換器。其輸出非緩沖，因而只有0.3mA低供電電流和1LSB的低漂移誤差；輸出電壓范圍為0V到VREF（參考電壓），可以接成單極性或雙極性輸出方式，具有更廣泛的應用范圍。

在數(shù)據(jù)處理板中，單片機功能為：驅動光收發(fā)合一模塊接收采集板傳回的數(shù)據(jù)；與計算機進行通信，以便在控制過程中改變相應PID運算參數(shù)的設定；控制D/A轉換器將PID運算結果輸出以控制激光器的輸出光功率，達到穩(wěn)壓控制的目的。此處單片機選用了AT89C52。

單片機與MAX542的連接如圖4所示。用單片機的P2.5腳與MAX542的LDAC引腳相連，這樣通過控制單片機的相應管腳即可以準確刷新D/A轉換輸出鎖存器；單片機的P2.7腳與MAX542的片選端CS相連，這樣在系統(tǒng)要進行D/A轉換時選通相應管腳即可，可以相應地降低系統(tǒng)功耗，也有利于減少誤操作；參考電壓仍由精密穩(wěn)壓管LM385-2.5提供2.5V的基準電壓；在其輸出端接電壓跟隨器，這樣可以把模擬部分與數(shù)字部分進行隔離，減小系統(tǒng)干擾，同時增加系統(tǒng)的帶負載能力。在系統(tǒng)中采用普通管腳來控制MAX542的工作，通過編程就能實現(xiàn)MAX542的工作時序，還可用單片機的串口與MAX542的相應管腳相連，就可以采用串口工作方式0來控制MAX542的轉換。在本系統(tǒng)中，單片機的串口用來與計算機進行通信，這樣就可以在不同的條件下對系統(tǒng)設定不同的參數(shù)來達到穩(wěn)壓控制的目的。在要求比較高的條件下，可以通過計算機來記錄光電轉換電源的工作情況。

圖4　D/A轉換電路

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的抗干擾措施

濾波方法是抑制干擾、保證測量精度的有效途徑。在工業(yè)現(xiàn)場中，可利用硬件濾波器電路或軟件濾波器算法提高測試數(shù)據(jù)的準確性。硬件濾波措施是使用較多的一種方法，但是會增加設備，又可能帶來新的干擾源。而軟件濾波算法不需增加硬件設備，可靠性高、功能多樣、使用靈活，具有許多硬件濾波措施所不具備的優(yōu)點。在數(shù)據(jù)采集部分選用的A/D 轉換器件為AD7705，它內置了數(shù)字濾波器。選定的輸入信號被送到一個基于模擬調制器的增益可編程專用前端，片內數(shù)字濾波器處理調制器的輸出信號，通過片內控制寄存器可調節(jié)濾波器的截止點和輸出更新率，從而對數(shù)字濾波器的第一個陷波進行編程。

AD7705內嵌了數(shù)字低通濾波器，可在A/D轉換之后進行數(shù)字濾波，能消除A/D轉換過程中產的噪聲。此外，數(shù)字濾波器具有可編程性。依靠數(shù)字濾波器設計，用戶可以編程截斷頻率和輸出更新頻率。此外，因為內部帶有數(shù)字濾波器，AD7705具有抑制干擾功能。50Hz的工頻干擾在第一陷波位置已衰減100dB，這樣就有效地抑制了工頻干擾。另外，本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時，以10個數(shù)據(jù)作為一組，再用平均值濾波法對這10個數(shù)據(jù)進行平均，用此平均值作為該時刻的采樣值，這樣就有效地去除了數(shù)據(jù)隨機誤差。而且，光電轉換電源輸出端電壓的變化是緩慢的，因而以10次采樣值的平均值作為該時刻的值進行處理能夠滿足系統(tǒng)要求，實驗證明這種方法是可行的。