CN102879087A

CN102879087A - 一种差分滤光补偿电路及其实现方法

Info

Publication number: CN102879087A
Application number: CN2012103541768A
Authority: CN
Inventors: 张敏; 林耀; 赵健延
Original assignee: CHENGDU JUNWAN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHENGDU JUNWAN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明公开了一种差分滤光补偿电路及其实现方法，属于电学领域，包括将光信号转换成电信号的一个光电二极管，连接该光电二极管的光电信号转换电路，与光电信号转换电路的输出端相连且完成信号放大和背景光信号采集的放大电路，与放大电路输出端相连的差分运放电路，其中该放大电路共有两个输出端，一个输出端与差分运放电路相连，另一个输出端与输入端之间还串联有背景光采样保持电路。通过上述方案，本发明克服了现有技术中在信号采集部分需要两块光电检测传感器导致造价高的同时增加系统不稳定性的缺陷，在光电检测总只需要一个光电检测传感器即可，大大节约了成本的同时不需要进行数据修正，提高了系统的稳定性。

Description

一种差分滤光补偿电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种滤光电路，具体的讲，涉及一种差分滤光补偿电路及其实现方法。

背景技术

光电检测技术是一门检测光电信号的技术，目前的光电检测技术要求既能识别背景灯、又能识别信号光源。目前的光电检测技术不可缺少的一门技术即是差分滤光补偿技术，该技术的核心在于能够识别背景灯和信号光源。

现有的差分补偿电路是由混合光源、可见光单色光元或激光光源，主辅光电检测传感器；主辅光电信号I/V转换电路、主辅放大电路、差分电路组成。系统中主辅光电检测传感器安装在同一背景光中，主光电检测传感器获取由光源经过光学系统而来的光信号与背景光的叠加，辅光电检测传感器只接收背景光信号，最后，将主辅光电检测传感器的信号经过I/V转换和放大后在后级放大电路进行差分，从而消除环境光的影响。

然而这种传统方法存在很大的问题：在信号采集部分需要两块光电检测传感器，这种传感器造价高、耗费成本，提高了整体系统的成本费用，同时两块光电检测传感器的参数具有不一致性，采集后还要进行两个传感器的数据修正，这样会引入系统误差，增加系统不稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中在信号采集部分需要两块光电检测传感器导致造价高的同时增加系统不稳定性的缺陷，提供一种差分滤光补偿电路及其实现方法解决上述缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种差分滤光补偿电路，包括将光信号转换成电信号的一个光电二极管GD1，输入端与该光电二极管GD1连接的光电信号转换电路，与光电信号转换电路的输出端相连且完成信号放大的放大电路，与放大电路输出端相连的差分运放电路，其中该放大电路共有两个输出端，一个输出端与差分运放电路相连，另一个输出端与输入端之间还连接有背景光采样保持电路。

为了完成光电信号转换电路的功能，所述光电信号转换电路包括由电阻R1、电阻R3和电阻R4组成的T型网络和正输入端与所述光电二极管GD1正输入端相连、负输入端与光电二极管GD1输出端相连的运放芯片U1，该运放芯片U1的正输入端和光电二极管GD1的输入端之间还连接有相互并联的电阻R15和电容C1，且电阻R1的一端分别与电阻R3的一端和电阻R4的一端相连，电阻R3的另一端接地，电阻R1的另一端接运放芯片U1的负输入端，电阻R4的另一端接运放芯片U1的输出端，运放芯片U1的输出端与放大电路相连。

为了完成放大电路的功能，所述放大电路包括正输入端与运放芯片U1输出端相连的包含两个运算放大器的运放芯片U2和单刀三掷开关S1，该运放芯片U2的负输入端通过电阻R6接地，同时运放芯片U2的第一负输入端与单刀三掷开关S1的输入端相连、第二输出端与差分运放电路相连，且所述背景光采样保持电路连接在该运放芯片U2的第二正输入端和第一输出端之间，该第一输出端连接背景光采样保持电路的输出端，该单刀三掷开关的三个输出端分别串联有电阻R8、电阻R9和电阻R10的一端，电阻R8、电阻R9和电阻R10的另一端两两相连。

为了实现背景光信号检测和光源信号的检测分离，所述背景光采样保持电路包括连接在运放芯片U2的第二正输入端和第一输出端之间并依次串联的电子开关K1、电阻R7、二极管D2，一端与二极管D2的负极相连、另一端接地的高绝缘电容C2，二极管D2的负极还与运放芯片U2第二正输入端相连，该运放芯片U2的第二负输入端连接第二输出端，电子开关K1受CNT控制。

为了实现差分运放电路的功能，所述差分运放电路包括负输入端与运放芯片U2第二输出端相连的运放芯片U3、连接在运放芯片U3的负输入端和输出端之间的电阻R14和一端与高绝缘电容C2相连的电阻R13，所述电阻R13的另一端连接运放芯片U3的正输入端，该运放芯片U3的正输入端与电阻R8另一端之间还连接有电阻R12，该运放芯片U3负输入端和运放芯片U2的第二输出端之间还连接有电阻R11。

进一步的，所述运放芯片U1的输出端与运放芯片U2的正输入端之间还连接有电阻R5。

基于一种差分滤光补偿电路本发明还提供了其实现方法，主要通过以下步骤实现：

（a）采集背景光信号，并通过CNT控制电子开关K1闭合，高绝缘电容C2进行充电；

（b）高绝缘电容C2充电完成后断开电子开关K1并对背景光信号进行放大，与此同时采集光源信号；

（c）光源信号照射在光电二极管上产生电流信号；

（d）该电流信号在光电信号转换电路上被转换成电压信号；

（e）放大电路放大电压信号，并输出放大后的电压信号；

（f）放大后的电压信号和放大后的背景光信号通过差分运放电路进行信号差分，并通过运放芯片U3的输出端将信号差分后的电压信号和背景光信号分别输出。

为了让光电信号转换电路实现其功能，所述步骤（a）中光电信号转换电路在转换电流信号时，通过T型网络的配合降低偏置效应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明因为先处理背景灯信号，再处理光源信号，使其同时进入差分运放电路，因此在光电检测总只需要一个光电检测传感器即可，大大节约了成本的同时不需要进行数据修正，提高了系统的稳定性。

（2）本发明通过背景光采样保持电路方便地抑制了背景光对光源的影响，仅仅通过电子开关、二极管、电阻、高绝缘电容等元件即可保持背景光信号，成本低廉，结构简单且可靠性高。

（3）本发明中对光源进行了延时，在先采集了背景光后再打开光源，保证背景光信号和处理后的光源信号同时经过差分运放电路并分别输出，实现了对两种信号的分离，使其保持原有效果不变。

（4）本发明中的光电信号转换电路上还设置了T型网络，进行信号转化的同时降低了偏置效应，同时该T型网络通过降低电阻水平降低了加在光电二极管上的电压并使得阻抗匹配更容易实现。

（5）本发明中的放大电路上还采用了单刀三掷开关，能够根据不同情况进行选择，这种多样化的实现方式使光源信号和背景光信号分离的效果更加明显，使本发明适用于更复杂的环境，使其应用于更广的范围。

（6）本发明中的运放芯片U2内设置有两个运算放大器，保证了光源信号和背景光信号的分离。

（7）本发明结构简单，成本低廉，适合推广使用。

附图说明

图1为本发明中的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，本发明包括依次连接的光电二极管、光电信号转换电路、放大电路和差分运放电路。

其中所述光电二极管GD1将信号光源转换成微弱的电流信号Ip，并将该电流信号输入到运放芯片U1的负输入端，其中光电二极管负极与运放芯片U1的负输入端相连，征集与电阻R15和电容C1的一端相连，该电阻R15和电容C1的另一端与运放芯片U1的正输入端相连。

其中该运放芯片U1的负输入端与输出端之间还连接有T型网络，该T型网络由电阻R1、电阻R3和电阻R4组成，电阻R1、电阻R3和电阻R45的一端均连接在一个支点上，电阻R1的另外一端与运放芯片U1的负输入端-INA相连，电阻R4的另外一端与运放芯片U1的输出端OUTA相连，电阻R3的另外一端接地，该T型网络上会产生一个电压IpRt，Rt为T型网络的等效阻抗，因此T型网络代替反馈电阻可以降低偏置效应，T型网络通过降低电阻水平降低了加在光电二极管上的电压并使得阻抗匹配更容易实现。该运放芯片U1的正输入端+INA和光电二极管GD1的输入端之间还串联有相互并联的电阻R15和电容C1。

放大电路包括内含两个运算放大器的运放芯片U2、该运放芯片U2的第一正输入端+IN1与运放芯片U1的输出端OUTA之间串联有一个电阻R5，运放芯片U2的第一负输出端OUT1通过与大地间串联一个电阻R6实现接地，为了分别转换信号光源和背景灯光源，运放芯片U2第一负输入端OUTA还连接有一个单刀三掷开关，该单刀三掷开关正级与第一负输入端-IN1相连，负极分别连接与电阻R8、电阻R9和电阻R10的一端相连。

背景光采集电路包括运放芯片U2第一输出端OUT1上串联的电子开关K1、电阻R7、二极管D2和高绝缘电容C2，其中该高绝缘电容C2一端与二极管D2的负极相连，另一端接地，二极管D2的负极还与运放芯片U2第二正输入端+IN2相连，运放芯片U2第二负输入端-IN2连接该运放芯片U2的第二输出端OUT2，电子开关K1受CNT控制，该CNT的判决由单片机做出。

差分运放电路包括第三运放芯片U3，运放芯片U3的正输入端与电阻R10的另一端之间串联有电阻R12，其中电阻R8和电阻R9的另一端均与电阻R10的另一端相连。运放芯片U3的正输入端+INA与接地端还串联有电阻R13。与此同时，运放芯片U3的负输入端-INA与运放芯片U2第二输出端OUT2之间还串联有电阻R11，其运放芯片U3的负输出端-INA和其输出端OUTA之间还串联有电阻R14，其中运放芯片输出端OUTA输出信号。

其中光源信号的差分滤光的方法如下：

（1）CNT受单片机的指令打开电子开关K1，让背景光信号通过二极管D2、电阻R7对高绝缘电容C2进行放电，充电完毕后，断开电子开关K1并打开信号光源；

（2）信号光源照射在光电二极管GD1上，产生微弱的电流信号，该电流信号流入运放芯片U1，将其转换成电压信号，其中T型网络与运放芯片U1相配合代替反馈电阻可以降低偏置效应，T型网络通过降低电阻水平降低了加在光电二极管上的电压并使得阻抗匹配更容易实现；

（2）将电压信号输出并加载于运放芯片U2上，其中放大电路上有一个单刀三掷开关，该单刀三掷开关上设置了三个阻抗值不同的电阻R10、电阻R9和电阻R8，组成了可调增益网络，通过S1可以选择1、10、100倍增益放大，并将放大的电压信号加载到运放芯片U3上；

（3）运放芯片U3通过和电阻R14的配合实现信号的差分放大，背景光和信号光源的信号实现分离，得到了两种型号。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims

1.一种差分滤光补偿电路，其特征在于，包括将光信号转换成电信号的一个光电二极管GD1，输入端与该光电二极管GD1连接的光电信号转换电路，与光电信号转换电路的输出端相连的放大电路，与放大电路输出端相连的差分运放电路，其中该放大电路共有两个输出端，一个输出端与差分运放电路相连，另一个输出端与其输入端之间还连接有背景光采样保持电路。

2.根据权利要求1所述的一种差分滤光补偿电路，其特征在于，所述光电信号转换电路包括由电阻R1、电阻R3和电阻R4组成的T型网络和正输入端与所述光电二极管GD1正输入端相连、负输入端与光电二极管GD1输出端相连的运放芯片U1，该运放芯片U1的正输入端和光电二极管GD1的输入端之间还连接有相互并联的电阻R15和电容C1，且电阻R1的一端分别与电阻R3的一端和电阻R4的一端相连，电阻R3的另一端接地，电阻R1的另一端接运放芯片U1的负输入端，电阻R4的另一端接运放芯片U1的输出端，运放芯片U1的输出端与放大电路相连。

3.根据权利要求2所述的一种差分滤光补偿电路，其特征在于，所述放大电路包括正输入端与运放芯片U1输出端相连的包含两个运算放大器的运放芯片U2和单刀三掷开关S1，该运放芯片U2的负输入端通过电阻R6接地，同时运放芯片U2的第一负输入端与单刀三掷开关S1的输入端相连、第二输出端与差分运放电路相连，且所述背景光采样保持电路连接在该运放芯片U2的第二正输入端和第一输出端之间，该第一输出端连接背景光采样保持电路的输出端，该单刀三掷开关的三个输出端分别串联有电阻R8、电阻R9和电阻R10的一端，电阻R8、电阻R9和电阻R10的另一端两两相连。

4.根据权利要求3所述的一种差分滤光补偿电路，其特征在于，所述背景光采样保持电路包括连接在运放芯片U2的第二正输入端和第一输出端之间并依次串联的电子开关K1、电阻R7、二极管D2，一端与二极管D2的负极相连、另一端接地的高绝缘电容C2，二极管D2的负极还与运放芯片U2第二正输入端相连，该运放芯片U2的第二负输入端连接第二输出端，电子开关K1受CNT控制。

5.根据权利要求4所述的一种差分滤光补偿电路，其特征在于，所述差分运放电路包括负输入端与运放芯片U2第二输出端相连的运放芯片U3、连接在运放芯片U3的负输入端和输出端之间的电阻R14和一端与高绝缘电容C2相连的电阻R13，所述电阻R13的另一端连接运放芯片U3的正输入端，该运放芯片U3的正输入端与电阻R8另一端之间还连接有电阻R12，该运放芯片U3负输入端和运放芯片U2的第二输出端之间还连接有电阻R11。

6.根据权利要求3～5任一项所述的一种差分滤光补偿电路，其特征在于，所述运放芯片U1的输出端与运放芯片U2的正输入端之间还连接有电阻R5。

7.一种差分滤光补偿电路的实现方法，其特征在于，主要通过以下步骤实现：

（c）光源信号照射在光电二极管上产生电流信号；

（d）该电流信号在光电信号转换电路上被转换成电压信号；

（e）放大电路放大电压信号，并输出放大后的电压信号；

8.根据权利要求7所述的一种差分滤光补偿电路的实现方法，其特征在于，所述步骤（c）中光电信号转换电路在转换电流信号时，通过T型网络的配合降低偏置效应。