CN101806631A - 一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路。它包括光电探测器、前置流压转换电路、高速积分电路、峰值保持电路、低频电压放大电路和AD采用电路；光电探测器与前置流压转换电路、高速积分电路、峰值保持电路、低频电压放大电路和AD采用电路依次相连。本发明构思新颖、设计合理、性能稳定，提供了一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路。发明中的峰值保持电路用了一般的峰值保持电路，能够对较慢的信号进行有效的保持；发明中仍然采取切换量程的方式，这样能够达到扩展量程的目的；发明中仍然采取切换量程的方式来，这样能够达到扩展量程的目的，在不切换通道的同时能够达到30dB以上的动态测量范围。

Description

一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路

技术领域

本发明涉及激光信号测量电路，尤其涉及一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路。

背景技术

在现有测量脉冲激光能量的方法中，从探测传感器方面分类，大体有两类：热释电型和光电二极管型，其中热释电型激光能量计响应速度快，但是响应能力比较弱，因而在用于微弱激光能量测量时多采用光电二极管型激光能量计。

目前能够找到的现有制作激光能量计的方法大多存在可探测最小能量较高，宽动态范围多采取自动切换量程的方式实现，比如美国专利中的两篇：

1)Laser energy control circuit专利号：4345330

2)Laser energy monitor circuit专利号：3732491

这两篇专利中的有几个设计可以被改进，而且在我们的设计中都得到了改善。

一、采用电容直接对光电二极管的输出电流进行积分，这样做十分简单，但是光电二极管有本身存在的暗电流，这样的电路意味着几个弊端：

1)充电电容不能太小，否则容易被暗电流积分饱和，因此意味着测量时可被探测的激光能量较大；

2)而且在测量过程中，必须控制充电电容旁的放电三极管经常给充电电容放电，此时，放电频率非常讲究，放电频率越高，可探测信号受暗电流影响越小，但同时可探测的脉冲激光信号的脉宽上限也被限制更小，因此需要在可探测信号的灵敏度和适应脉宽两个指标中作平衡。

二、峰值保持电路用了一般的峰值保持电路，能够对较慢的信号进行有效的保持，但是当信号脉宽很窄时，信号上升速度很快，此电路容易产生过冲影响，从而影响了正确测量。

三、采取切换量程的方式，能够达到扩展量程的目的，但是如果量程选择不当需要切换时，必然会损失用于判断切换的一次信号。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路。

大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路包括光电探测器、前置流压转换电路、高速积分电路、峰值保持电路、低频电压放大电路和AD采用电路；光电探测器与前置流压转换电路、高速积分电路、峰值保持电路、低频电压放大电路和AD采用电路依次相连。

所述的前置流压转换电路为：运算放大器U1的反相输入端与电阻R1的一端、电容器C1的一端和光电二极管D1的正极相连，光电二极管D1的负极接5V电压源，运算放大器U1的正相输入端经电阻R3接地，运算放大器U1的输出端与电阻R1的另一端、电容器C1的另一端和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端接地，运算放大器U1的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

所述的高速积分电路为：运算放大器U2的正相输入端经电阻R10接地，运算放大器U2的反相输入端与电阻R8的一端、电阻R9的一端、电容器C3的一端和电阻R11的一端相连，电阻R8的另一端与电容器C2的一端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端接地，电容器C2的另一端与电阻R4的一端、电阻R12的一端、电容器C3的另一端、电阻R11的另一端和运算放大器U2的输出端相连，电阻R4的另一端接地，电阻R12的另一端接地，电阻R9的另一端接滑动电阻器W2，滑动变阻器W2的一端经电阻R5接正5V电压源，另一端经电阻R6接负5V电压源，运算放大器U2的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

所述的峰值保持电路为：运算放大器U3的反相输入端与电容器C18的一端、电阻R2的一端和二极管D2的正极相连，运算放大器U3的正相输入端与电容器C4的一端和电阻R13的一端相连，电容器C4的另一端经电阻R12接地，电阻R13的另一端接地，电容器C18的另一端和电阻R2的另一端与电阻R14的一端、电容器C5的一端、运算放大器U5的反相输入端、运算放大器U5的输出端和电阻R18的一端相连，电阻R14的另一端和电容器C5的另一端与二极管D3的负极、电阻R15的一端和二极管D4的正极相连，二极管D3的正极与运算放大器U3的输出端和二极管D2的负极相连，电阻R15的另一端接地，二极管D4的负极与电阻R29的一端、电容器C6的一端、模拟开关U4的COM端和运算放大器U5的正相输入端相连，电阻R29的另一端和电容器C6的另一端经电阻R16接地，电阻R18的另一端与电阻R1的一端、模拟开关U4的GND端和大地相连，电阻R1的另一端与模拟开关U4的NC端相连，模拟开关U4的VCC端接正5V电压源，运算放大器U3的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连，运算放大器U5的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

所述的低频电压放大及AD采样电路为：运算放大器U6的正相输入端与电容器C7的一端、电阻R19的一端和双路AD采样芯片U7的IN2端相连，电容器C7的另一端接地，运算放大器U6的反相输入端与电阻R20的一端、电阻R21的一端和电容器C8的一端相连，电阻R20的另一端接地，电阻R21的另一端和电容器C8的另一端与运算放大器U6的输出端、电阻R24的一端、电阻R25的一端和测试接口J1的1端相连，电阻R24的另一端接地，电阻R25的另一端与双路AD采样芯片U7的IN1端相连，双路AD采样芯片U7的GND端接地，CS端接ADCS1信号，SCLK端接ADCLK信号，VA端接VA信号，DOUT端接ADDO信号，DIN端接DIN信号，测试接口J1的2端接地，运算放大器U6的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

本发明构思新颖、设计合理、性能稳定，提供了一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路。本发明的峰值保持电路用了一般的峰值保持电路，能够对较慢的信号进行有效的保持；本发明仍然采取切换量程的方式，这样能够达到扩展量程的目的；本发明仍然采取切换量程的方式来，这样能够达到扩展量程的目的，在不切换通道的同时能够达到30dB以上的动态测量范围。

附图说明

图1是大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路电路框图；

图2是本发明的前置流压转换电路图；

图3是本发明的高速积分电路图；

图4是本发明的峰值保持电路图；

图5是本发明的低频电压放大及AD采样电路图。

具体实施方式

本发明对微弱、快速脉冲的激光信号进行能量测量，存在以下关键点。

1)脉冲激光能量的测量

在使用光电二极管作为探测器时，产生的光电流与入射的光功率有正比例关系，所以入射的光能量与产生的电荷数成比例关系，因此，测量时，必须将光电二极管输出的电流进行积分，这样才能得到入射的激光能量值；

2)微弱信号的测量

被测信号是非常微弱的快速变化信号，在实际能量测量过程中，由于必须对输出电流进行积分才能表示能量，即使在光电二极管前端添加窄带滤光片，环境中杂散光的积分效应仍然远远大于微弱的脉冲信号，因此必须通过高速的前置流压转换电路将电流信号提取出来，并在积分电路前将低频的环境杂散光产生的电流信号隔离，这样才能将微弱的脉冲信号提取出来，进行积分再放大；

3)快速脉冲的测量

对于快速的激光脉冲信号，其脉宽一般小于1μs，要准确地采集到峰值信号，采集速度至少是激光脉冲信号的十倍以上，这对采样系统以及处理系统提出了很高的要求，这无疑会增加设计的成本。在此，我们采用了高速峰值保持电路，当信号在上升过程中，输出跟随信号，当信号下降时，输出保持不变，以便采样系统采集获取信号的峰值，当采集处理完毕后，需要采集下一次信号时，MCU可通过放电回路，释放保持的峰值，并开始下一次信号峰值保持；

4)大动态范围

为了提高系统的测量动态范围，一般会选择切换量程的方式，这样做能够达到扩大量程，提高动态范围的目的。但是在实际测量时，无法一开始就选择合适的量程，而在测量过程中，当信号快速变化时，即使处理器能够根据信号自动切换量程，也必然会导致几个有效数据的丢失(用于判断切换量程的数据)。在该系统中，采用双通道AD同时采样最后一级放大电路输出和倒数第二级放大电路输出的方式来扩大系统的测量动态范围，实际测量过程中，两个通道同时采样，当最后一级输出结果饱和时，系统自动读取倒数第二级放大电路的输出，并乘上修正系数作为系统的测量输出结果。

如图1所示，大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路包括光电探测器、前置流压转换电路、高速积分电路、峰值保持电路、低频电压放大电路和AD采用电路；光电探测器与前置流压转换电路、高速积分电路、峰值保持电路、低频电压放大电路和AD采用电路依次相连。

如图2所示，前置流压转换电路为：运算放大器U1的反相输入端与电阻R1的一端、电容器C1的一端和光电二极管D1的正极相连，光电二极管D1的负极接5V电压源，运算放大器U1的正相输入端经电阻R3接地，运算放大器U1的输出端与电阻R1的另一端、电容器C1的另一端和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端接地，运算放大器U1的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

U1、R1、R3、R4、C1组成前置流压转换电路，将光电探测器输出的电流信号进行流压转换；光电探测器的输出端直接连接在运算放大器U1的反向端，U1的正向端接地，由于运算放大器的虚短虚断特性，光电探测器相当于输出负载为零，有利于提高传感器的响应速度，并得到更大的输出电流，电阻R1为反馈电阻，U1需要选择低输入偏置电流的运算放大器。

如图3所示，高速积分电路为：运算放大器U2的正相输入端经电阻R10接地，运算放大器U2的反相输入端与电阻R8的一端、电阻R9的一端、电容器C3的一端和电阻R11的一端相连，电阻R8的另一端与电容器C2的一端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端接地，电容器C2的另一端与电阻R4的一端、电阻R12的一端、电容器C3的另一端、电阻R11的另一端和运算放大器U2的输出端相连，电阻R4的另一端接地，电阻R12的另一端接地，电阻R9的另一端接滑动电阻器W2，滑动变阻器W2的一端经电阻R5接正5V电压源，另一端经电阻R6接负5V电压源，运算放大器U2的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

运算放大器U2及周围的阻容组成高速积分电路，对前级输出信号进行积分，其中C3为积分电容，R8和C3组成积分电路的增益常数，积分电路的输出与输入关系为：

$U_O=\frac{1}{R_8{C}_3}{\∫U}_i\mathrm{dt}$

电路中R11为积分电容C3的自放电电阻，R11能将C3积分所得的电压慢慢的释放掉，以便于下次测量，放电时间速度为300mV/s，在实际测量过程中，由于测量的对象为快速脉冲的激光信号，信号的积分时间非常短，几乎可以忽略放电电阻对于信号测量的影响，R5、R6、R9和W2组成高速积分电路的补偿电路，由于运算放大器自身的输入偏置电流和漂移电流的存在，在没有补偿电路的情况下，高速积分电路必定会有一固定的直流电压偏量存在，对于不同的器件，此直流电压偏移量会有所不同，直流电压偏量的存在会导致高速积分电路的输出线性范围减小，甚至进入非线性放大区，因此需要通过补偿电路将积分电路的输出调整至零伏附近。

如图4所示，峰值保持电路为：运算放大器U3的反相输入端与电容器C18的一端、电阻R2的一端和二极管D2的正极相连，运算放大器U3的正相输入端与电容器C4的一端和电阻R13的一端相连，电容器C4的另一端经电阻R12接地，电阻R13的另一端接地，电容器C18的另一端和电阻R2的另一端与电阻R14的一端、电容器C5的一端、运算放大器U5的反相输入端、运算放大器U5的输出端和电阻R18的一端相连，电阻R14的另一端和电容器C5的另一端与二极管D3的负极、电阻R15的一端和二极管D4的正极相连，二极管D3的正极与运算放大器U3的输出端和二极管D2的负极相连，电阻R15的另一端接地，二极管D4的负极与电阻R29的一端、电容器C6的一端、模拟开关U4的COM端和运算放大器U5的正相输入端相连，电阻R29的另一端和电容器C6的另一端经电阻R16接地，电阻R18的另一端与电阻R1的一端、模拟开关U4的GND端和大地相连，电阻R1的另一端与模拟开关U4的NC端相连，模拟开关U4的VCC端接正5V电压源，运算放大器U3的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连，运算放大器U5的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

U3和U5为极高输入阻抗，JFET型，低输入偏置电流的运算放大器，它们与U4、D2、D3、D4、C5、C6、C18、R2、R14、R16、R29一同组成高速峰值保持电路，该电路可以将上升沿大于300ns的信号的峰值保持住，自放电速度可以降低到50mV/s，其中C6是用于信号峰值保持的保持电容，当输入的电压信号从U3的正向端输入时，U3的输出端快速的通过C5、C18反馈至U3的反向端，从而达到快速响应中，U3的快速跟随作用，在输入信号快上升到峰值信号时，输入信号的上升速度必定会减慢，此时C5、C18基本充电完成，U3的输出信号端通过R14、R2回路反馈至U3的反向端，与此同时，峰值保持电容C6上的保持电压也通过U5跟随，并经过R2反馈到U3的反向端，于是，最终的结果为U5的输出电压等于U3的输入电压，从而达到信号跟随的目的。当U3端的输入信号电压开始下降时，U3正向端电压小于反向端电压，U3的输出管脚电压迅速下降，由于二极管D3的存在，U3的输出端电压不会影响到U5的输出端电压，U5的输出端电压只等于峰值保持电容两端的电压，U5端的电压下降速度等于C6的电压的下降速度，而C6的电压下降速度取决于D4、R29、U5的正向端输入偏置电流和C6的容值，由于这些器件导致的漏电流都很小，所以U5输出电压的下降速度可以小到50mV/s，从而达到峰值信号保持的目的，U4和R17组成的是峰值保持电容的放电回路，当峰值信号被保持并采集后，需要进行下一次测量，MCU可控制放电回路对峰值保持电容C6进行快速放电，放电速度为1V/μs。

如图5所示，低频电压放大及AD采样电路为：运算放大器U6的正相输入端与电容器C7的一端、电阻R19的一端和双路AD采样芯片U7的IN2端相连，电容器C7的另一端接地，运算放大器U6的反相输入端与电阻R20的一端、电阻R21的一端和电容器C8的一端相连，电阻R20的另一端接地，电阻R21的另一端和电容器C8的另一端与运算放大器U6的输出端、电阻R24的一端、电阻R25的一端和测试接口J1的1端相连，电阻R24的另一端接地，电阻R25的另一端与双路AD采样芯片U7的IN1端相连，双路AD采样芯片U7的GND端接地，CS端接ADCS1信号，SCLK端接ADCLK信号，VA端接VA信号，DOUT端接ADDO信号，DIN端接DIN信号，测试接口J1的2端接地，运算放大器U6的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

低频电压放大电路与AD采样电路组合达到扩展动态范围的目的，U6与周围的阻容元件组成典型的电压正向放大电路，由于前级已经将快速信号进行峰值保持，得到的是一个非常低频，接近阶越的信号，此级处理起来非常简单。

U7为双路AD采样芯片，其中一路通道连接低频电压放大电路的输出端，采集最终的放大输出信号，另外一路通道连接峰值保持电路的输出端，在AD采样过程中，双通道同时采样，同时得到两个AD转换的结果，通过此法，可以扩大本系统的测量动态范围。

Claims (5)

1.一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路，其特征在于包括光电探测器、前置流压转换电路、高速积分电路、峰值保持电路、低频电压放大电路和AD采用电路；光电探测器与前置流压转换电路、高速积分电路、峰值保持电路、低频电压放大电路和AD采用电路依次相连。

2.如权利要求1所述的一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路，其特征在于所述的前置流压转换电路为：运算放大器U1的反相输入端与电阻R1的一端、电容器C1的一端和光电二极管D1的正极相连，光电二极管D1的负极接5V电压源，运算放大器U1的正相输入端经电阻R3接地，运算放大器U1的输出端与电阻R1的另一端、电容器C1的另一端和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端接地，运算放大器U1的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

3.如权利要求1所述的一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路，其特征在于所述的高速积分电路为：运算放大器U2的正相输入端经电阻R10接地，运算放大器U2的反相输入端与电阻R8的一端、电阻R9的一端、电容器C3的一端和电阻R11的一端相连，电阻R8的另一端与电容器C2的一端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端接地，电容器C2的另一端与电阻R4的一端、电阻R12的一端、电容器C3的另一端、电阻R11的另一端和运算放大器U2的输出端相连，电阻R4的另一端接地，电阻R12的另一端接地，电阻R9的另一端接滑动电阻器W2，滑动变阻器W2的一端经电阻R5接正5V电压源，另一端经电阻R6接负5V电压源，运算放大器U2的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

4.如权利要求1所述的一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路，其特征在于所述的峰值保持电路为：运算放大器U3的反相输入端与电容器C18的一端、电阻R2的一端和二极管D2的正极相连，运算放大器U3的正相输入端与电容器C4的一端和电阻R13的一端相连，电容器C4的另一端经电阻R12接地，电阻R13的另一端接地，电容器C18的另一端和电阻R2的另一端与电阻R14的一端、电容器C5的一端、运算放大器U5的反相输入端、运算放大器U5的输出端和电阻R18的一端相连，电阻R14的另一端和电容器C5的另一端与二极管D3的负极、电阻R15的一端和二极管D4的正极相连，二极管D3的正极与运算放大器U3的输出端和二极管D2的负极相连，电阻R15的另一端接地，二极管D4的负极与电阻R29的一端、电容器C6的一端、模拟开关U4的COM端和运算放大器U5的正相输入端相连，电阻R29的另一端和电容器C6的另一端经电阻R16接地，电阻R18的另一端与电阻R1的一端、模拟开关U4的GND端和大地相连，电阻R1的另一端与模拟开关U4的NC端相连，模拟开关U4的VCC端接正5V电压源，运算放大器U3的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连，运算放大器U5的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

5.如权利要求1所述的一种大动态高速微弱脉冲信号的线性测量电路，其特征在于所述的低频电压放大及AD采样电路为：运算放大器U6的正相输入端与电容器C7的一端、电阻R19的一端和双路AD采样芯片U7的IN2端相连，电容器C7的另一端接地，运算放大器U6的反相输入端与电阻R20的一端、电阻R21的一端和电容器C8的一端相连，电阻R20的另一端接地，电阻R21的另一端和电容器C8的另一端与运算放大器U6的输出端、电阻R24的一端、电阻R25的一端和测试接口J1的1端相连，电阻R24的另一端接地，电阻R25的另一端与双路AD采样芯片U7的IN1端相连，双路AD采样芯片U7的GND端接地，CS端接ADCS1信号，SCLK端接ADCLK信号，VA端接VA信号，DOUT端接ADDO信号，DIN端接DIN信号，测试接口J1的2端接地，运算放大器U6的正极和负极分别与正5V和负5V的电压源相连。

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