CN102435320B

CN102435320B - 电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统

Info

Publication number: CN102435320B
Application number: CN 201110309056
Authority: CN
Inventors: 瑚琦; 高鹏飞; 郑遂; 吴卫军
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: CN102435320A

Abstract

本发明涉及一种电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统，光辐射经高精度光学斩波器后，照射到热释电探测器上，探测器输出微弱电信号，依次经过微弱信号检测电路、自动跟踪型带通滤波器、自动跟踪相敏检波电路、补偿积分电路、电学加热信号调制电路后，被调制成两路波形对称、极性交变的电加热信号，两路电加热信号分别输出到探测器的两个电加热电极上。能够适应不同频率的参考信号，锁定和跟踪参考信号频率，并且可以实现光学辐射加热信号和电学功率加热信号之相位的自动匹配。增加电学定标辐射计在不同场合下的适应能力，扩大了使用范围。同时，自动相位匹配功能可以大大减少手动调节方式带来的一系列影响精度的问题。

Description

电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统

技术领域

本发明涉及一种测量仪器，特别涉及一种电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统。

背景技术

电定标热释电辐射计是一种测量光辐射功率的高精度电替代绝对辐射计,它采用光辐射功率信号和电功率信号分别加热探测器器件表面，使探测器达到热学平衡后实现光电等效的基本原理，通过精确测量电加热的功率值来获得光辐射功率的值。这一方法可将光辐射功率的测量标准溯源到电学功率测量的标准上来,因此可以获得很高的精度。

光电加热平衡系统是实现光辐射功率和电功率分别加热探测器达到热平衡的核心单元。它能够使电学加热随着光学辐射加热的功率大小变化而变化，使探测器始终保持在热平衡状态。

然而电学定标辐射计只能在某单一频率的参考信号下工作，增加了调制信号的特殊要求，并且不能很好的利用探测器的频率最大响应参考值，限制了使用范围；其次，光学辐射加热和电学功率加热会存在两种信号相位不匹配的问题，这一问题将直接导致光信号与电信号不等效，增加了测量误差，通常采用手动调节的方式解决相位匹配的问题，但可靠性较差，容易引起相位漂移。

发明内容

本发明是针对现在电定标热释电辐射计的缺陷限制了使用范围的问题，提出了一种电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统，能够适应不同频率的参考信号，锁定和跟踪参考信号频率，并且可以实现光学辐射加热信号和电学功率加热信号之相位的自动匹配。增加电学定标辐射计在不同场合下的适应能力，扩大了使用范围。

本发明的技术方案为：一种电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统，光辐射经高精度光学斩波器后，照射到热释电探测器上，探测器受到照射后输出与光学斩波器调制频率相同的微弱电信号，该微弱信号经微弱信号检测电路前置放大电路放大后送给后级自动跟踪型带通滤波器，经自动跟踪型带通滤波器输出的窄带信号与自动跟踪相敏检波电路相连，自动跟踪相敏检波电路将被提高信噪比的信号送入补偿积分电路，补偿积分电路将相敏检波电路输出的信号转变为等效的直流信号，输出到电学加热信号调制电路，信号经电学加热信号调制电路后，直流信号被调制成两路波形对称、极性交变的电加热信号，两路电加热信号分别输出到探测器的两个电加热电极上。

所述自动跟踪带通滤波电路由锁相环、分频器、带通滤波器、电压跟随器、微控制器和键盘组成，锁相环和分频系数为N的分频器组成倍频系数为N的倍频电路，来自高精度斩波器的频率为f的参考信号连接到锁相环的输入端，作为倍频电路的输入，倍频电路输出的频率为N·f的信号作为带通滤波器的时钟信号，由操作人员通过外接键盘将带通滤波器的品质因数输入到微控制器处理后送入带通滤波器，微弱检测电路输出的信号经带通滤波器滤除噪声后，通过电压跟随器输出。

所述微弱信号检测电路，探测器输出的微弱电流信号经反馈电阻后转变为微弱的电压信号，微弱电压信号与高共模抑制比放大电路相连，经放大后输出。

所述自动跟踪相敏检波电路由微处理器、AD转换器、锁相环、分频器、相位比较器、可控模拟开关、精密运算放大电路和电压跟随器组成，锁相环和分频器组成倍频电路，倍频系数与分频器分频系数相同，分频器的时钟信号及分频输出作为相位比较器的一组输入信号，同时，AD转换器将移位偏移反馈信号进行模数转换输出到微处理器，微处理器对AD转换器输出的数字信号进行处理，计算相位偏移量，设置移相增量作为相位比较器的另外一组输入信号，相位比较器将两组输入信号进行比较，输出与相敏检波电路输入信号相位相同的相位偏移量输出参考信号，参考信号控制可控模拟开关的控制脚，放大电路的输出一端经跟随器后反馈到AD转换器，放大电路输出的另一端则通过电压跟随器与补偿积分电路相连。

本发明的有益效果在于：本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统，能够增加电学定标辐射计在不同场合下的适应能力，也可使用探测器工作在最佳响应频率范围。同时，自动相位匹配功能可以大大减少手动调节方式带来的一系列影响精度的问题。

附图说明

图1为本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统原理框图；

图2为本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统微弱信号检测电路图；

图3为本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统自动跟踪带通滤波电路原理框图；

图4为本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统倍频电路电路图；

图5为本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统带通滤波器电路图；

图6为本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统带通滤波器品质因数选择电路图；

图7为本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统自动跟踪相敏检波电路原理框图；

图8为本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统自动跟踪相敏检波电路原理图；

图9为本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统补偿积分电路原理图；

图10为本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统电学加热信号波形图；

图11为本发明电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统电学加热信号调制电路原理图。

具体实施方式

电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统原理框图如图1所示，它由微弱信号检测电路、自动跟踪带通滤波电路、自动跟踪相敏检波电路、补偿积分电路和信号调制电路组成。当斩波器调制频率发生变化时，该系统能够自动改变电路参数，时时锁定当前参考频率值，以保证光功率的测量精度。

如图1所示，光辐射经高精度光学斩波器1后，会以特定的频率间断性的照射到热释电探测器2上，从而使探测器2表面灵敏元的温度产生周期性的变化，探测器2受到照射后输出与斩波器1调制频率相同的微弱电信号，该微弱信号经微弱信号检测电路3前置放大电路放大后送给后级自动跟踪型带通滤波器4。自动跟踪型带通滤波器4只允许以中心频率为中心的窄带信号通过，其他频率信号被抑制。经自动跟踪型带通滤波器4输出的窄带信号与自动跟踪相敏检波电路7相连，相敏检波电路7具有选频和鉴相的作用，能够进一步提高信号的信噪比。为满足电学加热信号调制电路对输入信号的要求，补偿积分电路6将相敏检波电路7输出的信号转变为等效的直流信号，作为电学加热信号调制电路5的输入。信号经电学加热信号调制电路5后，直流信号被调制成两路波形对称、极性交变的电加热信号，两路电加热信号分别作用于探测器2的两个电加热电极上，以电学方式给探测器2表面灵敏元加热。当光加热功率和电加热功率相等时，探测器2无信号输出，补偿积分电路6输入电流为零，输出保持不便，从而使得电学加热信号大小保持不变，整个系统保持在光电平衡的状态。同时，由于系统中自动跟踪带通滤波电路4的中心频率能够跟随着斩波器1调制频率的变化而变化，自动跟踪相敏检波电路7又能够跟随着斩波器1调制频率的变化而自动选频鉴相，所以整个系统还具有能够适应不同频率的参考信号，锁定和跟踪参考信号频率，实现光学辐射加热信号和电学功率加热信号之相位自动匹配的特点。

图2为系统的微弱信号检测电路3，当照射到探测器2灵敏元上的光辐射加热信号和加在探测器2灵敏元上的电学加热信号功率不相等时，会引起热释电晶体温度发生变化，从而导致探测器2有微弱电流信号输出，微弱电流信号经反馈电阻Rf后转变为微弱的电压信号，微弱电压信号与图2所示虚线框内部分的高共模抑制比放大电路相连，经放大后输出。高共模抑制比放大电路是由U1、U2、U3三个精密运算放大器和精密电阻组成。其中U1和U2性能一致，构成平衡对称差动放大输入级，U3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制U1、U2的共模信号；外接电阻应尽量满足R3=R4，R5=R6；R7、R8、R9为用于共模补偿，通过调节R9，可补偿R3、R4、R5、R6的不对称，获得更高的共模抑制比。

自动跟踪带通滤波电路4由锁相环、分频器、带通滤波器、电压跟随器、微控制器和键盘组成，图3为自动跟踪带通滤波器4的原理框图。锁相环和分频系数为N的分频器组成倍频系数为N的倍频电路，来自高精度斩波器2的频率为f的参考信号连接到锁相环的输入端，作为倍频电路的输入，倍频电路输出的频率为N·f的信号作为带通滤波器4的时钟信号。带通滤波器4的品质因数由操作人员通过外接键盘输入到微控制器处理后送入带通滤波器，以达到根据需要灵活调整通频带带宽的目的。微弱检测电路3输出的信号经带通滤波器4滤除噪声后，通过电压跟随器输出。

图4为自动跟踪带通滤波电路中倍频电路图，来自斩波器的频率为f的参考信号连接到锁相环U1的14脚信号输入端，4号脚是锁相环内部压控振荡器输出端，其输出信号作为由FPGA或者CPLD组成的分频器时钟信号，分频系数为39.99，分频器输出作为锁相环的比较信号与U1的3号脚相连，最终锁相环信号输入端输入信号频率与锁相环比较信号输入端输入信号频率相同，则可从U1的4号脚输出频率为40f的频率信号。C1为电源端去藕电容，R1、C2组成低通滤波器，滤除进入锁相环内部压控振荡器的高频噪声。

图5为自动跟踪带通滤波电路带通滤波器电路图，所选滤波器为可编程滤波器MAX264，通过对M0、M1引脚进行编程，使其工作在模式2；通过对F0、F1、F2、F3、F4编程，设置f_CLK/f₀等于39.99。倍频电路输出的频率为39.99f的信号作为滤波器的时钟，即f_CLK等于39.99f，则滤波器中心频率f₀等于斩波器输出参考信号频率，保证带通滤波电路的中心频率跟随着斩波器输出参考信号频率的变化而变化。MAX264的Q0～Q6脚分别与微控制器的P1.0～P1.6脚相连，保证微处理器能够对滤波器的Q0～Q6脚进行编程，控制带通滤波电路的品质因数Q和放大倍数。微弱检测电路输出的信号经MAX264的5号脚进入带通滤波电路，通过电压跟随器后由U2的6号脚输出，进入自动跟踪带通滤波电路进行相敏检波。

图6为自动跟踪带通滤波电路中带通滤波器品质因数选择电路图，该自动跟踪带通滤波电路有128种可选择的Q值，Q=90.51/(129-N)，其中N为1～128之间的任一整数，可通过图中矩阵键盘输入。键盘控制芯片U2检测到有按键被按下时，向微控制器U1通过9号脚发送中断请求，U1响应中断后从U2的8号脚读取按键值，获取外部输入的Q值大小，并通过P1.0～P1.6脚对带通滤波器进行编程，改变自动跟踪带通滤波电路Q值的大小。

如图7所示自动跟踪相敏检波电路，探测器输出的信号经微弱信号检测电路和自动跟踪带通滤波电路后，输出信号的相位与参考信号相比会发生变化，自动跟踪相敏检波电路能够自动对参考信号移相，使其相位与自动跟踪带通滤波电路输出信号相位相同，从而达到自动相敏检波的目的。自动跟踪相敏检波电路由微处理器、AD转换器、锁相环、分频器、相位比较器、可控模拟开关、精密运算放大电路和电压跟随器组成，其原理框图如图7所示。

锁相环和分频器组成倍频电路，倍频系数与分频器分频系数相同。分频器的分频系数2ⁿ决定了移相电路的相位分辨率，分频器的时钟信号及分频输出作为相位比较器的一组输入信号。同时，AD转换器将Auto_Shift_Feedback移位偏移反馈信号进行模数转换，微处理器对AD转换器输出的数字信号进行处理，计算相位偏移量，设置移相增量作为相位比较器的另外一组输入信号。相位比较器将两组输入信号进行比较，输出与相敏检波电路输入信号相位相同的参考信号Auto_Shift_Output。

Auto_Shift_Output控制可控模拟开关的控制脚，改变模拟开关的导通状态，进而改变精密运算放大电路的放大倍数。放大电路的输出一端经跟随器后反馈到AD转换器，自动跟踪移相电路根据反馈信号调节相位增量值，使参考信号与输入信号相位相同，从而达到自动相敏检波目的。放大电路输出的另一端则通过电压跟随器与补偿积分电路相连。

自动相敏检波电路的原理图如图8所示，图中R1、R2、R3、R4四个电阻阻值相同，U1、U2、U3为低失调低漂移精密运算放大器。U1与R1、R2、R3、R4组成精密运算放大电路，S1为可控模拟开关，自动跟踪移相电路的输出作为开关的控制信号，当控制信号Auto_Shift_Output为高电平时，S1的2号脚与3号脚导通，U1与四个电阻组成放大倍数为-1的精密放大电路，当控制信号Auto_Shift_Output为低电平时，S1的2号脚和1号脚导通，U1与四个电阻组成放大倍数为1的精密放大电路。U2接成电压跟随器模式，其输出作为自动跟踪移相电路的反馈信号；U3接成电压跟随器模式，其输出作为补偿积分电路的输入。

如图9所示补偿积分电路，补偿积分电路用于将相敏检波输出的信号转变为直流信号，在光功率和电功率相等时，经过电路的自动调整后，这里输出的电压值保持恒定。由于功率是正值，所以补偿积分电路采用单向积分器，为减少后级电路对积分器的影响，积分器输出信号经电压跟随器后送给后级电路进行处理。

电学加热信号调制电路用于将补偿积分电路输出的直流信号转变成如图10所示的两路波形对称、极性交变的电学加热信号，其电路原理图如图11所示。

来自斩波器的参考信号分为两路，一路控制着模拟开关S1，一路与D触发器U1的3号脚时钟输入端相连。参考信号经D触发器后从1号脚输出2分频信号，该信号控制着模拟开关S2。U2、U3、U4、U5为性能参数相同的低漂移、低失调运算放大器，R1～R17均为精密电阻，其中R1、R2、R3、R4阻值相等，R5、R6、R7、R8、R9、R11、R13、R14、 R16、R17阻值相等。U2与R1、R2、R3、R4组成精密运算放大电路，信号从电阻R1左端输入，U2的6号脚输出，其输出与S1、S2的连接状态有关。U3、U4、U5与R15～R18组成单端输入、差分输出的精密运算放大电路，单端信号输入端与U2的6号脚相连，差分信号分别从R10和R15的右端输出，输出信号幅值与输入信号幅值相等，差分输出信号经限流电阻R19、R20后通过OUT1和OUT2两端与探测器的两个电加热电极相连，对探测器进行电学信号加热。

补偿积分器输出的直流信号与模拟开关S1的1号脚相连，当S1的控制信号为高电平，S2的控制信号为高电平时，S1、S2的2号脚分别与各自的3号脚相连，U2的6号端输出信号为0；当S1的控制信号为低电平，S2的控制信号为高电平时，S1的2号脚和1号脚相连，S2的2号脚和3号脚相连，U2将输入信号进行-1倍放大后从6号脚输出；当S1的控制信号为高电平，S2的控制信号为低电平时，S1的2号脚与3号脚相连，S2的2号脚和1号脚相连，U2的6号端输出信号为0；当S1的控制信号为低电平，S2的控制信号为低电平时，S1、S2的2号脚分别与各自的1号脚相连，U2将输入信号进行+1倍放大后从6号脚输出；按上述时序，则可在U2的6号脚处得到图11中下图所示波形。U2的输出经单端输入、差分输出的精密运算放大电路后便可得到图11所示电学信号加热波形。

Claims

1.一种电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统，其特征在于，光辐射经高精度光学斩波器后，照射到热释电探测器上，探测器受到照射后输出与光学斩波器调制频率相同的微弱电信号，该微弱信号经微弱信号检测电路前置放大电路放大后送给后级自动跟踪型带通滤波器，经自动跟踪型带通滤波器输出的窄带信号与自动跟踪相敏检波电路相连，自动跟踪相敏检波电路将被提高信噪比的信号送入补偿积分电路，补偿积分电路将相敏检波电路输出的信号转变为等效的直流信号，输出到电学加热信号调制电路，信号经电学加热信号调制电路后，直流信号被调制成两路波形对称、极性交变的电加热信号，两路电加热信号分别输出到探测器的两个电加热电极上；所述自动跟踪带通滤波器由锁相环、分频器、带通滤波器、电压跟随器、微控制器和键盘组成，锁相环和分频系数为N的分频器组成倍频系数为N的倍频电路，来自高精度斩波器的频率为f的参考信号连接到锁相环的输入端，作为倍频电路的输入，倍频电路输出的频率为N·f的信号作为带通滤波器的时钟信号，由操作人员通过外接键盘将带通滤波器的品质因数输入到微控制器处理后送入带通滤波器，微弱检测电路输出的信号经带通滤波器滤除噪声后，通过电压跟随器输出；所述自动跟踪相敏检波电路由微处理器、AD转换器、锁相环、分频器、相位比较器、可控模拟开关、精密运算放大电路和电压跟随器组成，锁相环和分频器组成倍频电路，倍频系数与分频器分频系数相同，分频器的时钟信号及分频输出作为相位比较器的一组输入信号，同时，AD转换器将移位偏移反馈信号进行模数转换输出到微处理器，微处理器对AD转换器输出的数字信号进行处理，计算相位偏移量，设置移相增量作为相位比较器的另外一组输入信号，相位比较器将两组输入信号进行比较，输出与相敏检波电路输入信号相位相同的相位偏移量输出参考信号，参考信号控制可控模拟开关的控制脚，放大电路的输出一端经跟随器后反馈到AD转换器，放大电路输出的另一端则通过电压跟随器与补偿积分电路相连。

2.根据权利要求1所述电学定标热辐射计数字式自动锁频光电等效平衡系统，其特征在于，所述微弱信号检测电路，探测器输出的微弱电流信号经反馈电阻后转变为微弱的电压信号，微弱电压信号与高共模抑制比放大电路相连，经放大后输出。