CN103297089A - 一种基于psd的激光语音还原的方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PSD的激光语音还原的方法及电路，包括SD光电转换电路模块的设计；流压变换电路模块的设计；差分放大电路模块的设计。该电路包括用于间接得到玻璃振动振幅的相对值并产生强弱变化的电流信号的PSD光电转换电路模块；用于对PSD光电转换电路模块输出的两路微弱电流信号分别进行流压转换的流压变换电路模块，连接PSD光电转换电路模块；用于将两路信号进行差分同时主放大以及滤波的差分放大电路模块，连接流压变换电路模块，使得信号幅值达到3V左右，便于后端信号的采集，实现激光语音信号的还原。本发明通过流压变换电路模块利用RC网络结合AD704实现信号的滤波，提高了信号质量；通过采用AD8274，完成了两路电压信号的差分放大。

Description

一种基于PSD的激光语音还原的方法及电路

技术领域

本发明属于激光语音还原技术领域，尤其涉及一种基于PSD的激光语音还原的方法及电路。

背景技术

现有的激光语音还原系统电路多采用离散型位置探测器采集激光位置信号。现有技术具有精度低，处理电流信号少，缺乏滤波或滤波不够彻底的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于PSD的激光语音还原的方法及电路，旨在解决现有技术存在的精度低，处理电流信号少，缺乏滤波或滤波不够彻底的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于PSD的激光语音还原的方法，该基于PSD的激光语音还原的方法包括以下步骤：

PSD光电转换电路模块的设计；

流压变换电路模块的设计；

差分放大电路模块的设计。

进一步，PSD光电转换电路模块的设计的具体步骤为：

噪声分析模型；

PSD参数的确定。

进一步，噪声分析模型的具体方法为：

Io为光电流，ID为暗电流，Rie为极间电阻，Cj为结电容，互相并联后接地，构成PSD模型，连接等效噪声输入电容的运算放大器in；

Rf为反馈电阻，Cf为反馈电容，组成的并联电路一端接于PSD和等效噪声输入电容的运算放大器in之间，另一端接于运放输出端；

in为等效噪声输入电容的运算放大器，连接等效噪声输入电压的运算放大器En后接地，与反馈电阻Rf，反馈电容Cf构成流压转换电路模型；

Vo为输出电压。

进一步，PSD参数的确定的具体方法为：

输出电压V_o=-I_s·R_f，为了保证PSD测量精度，必须使两路信号输出尽可能一致，因此电阻采用高精度的无色环电阻，由于PSD的内阻较大（S3931内阻约为50K），在电路中Rf的取值不能太大，Rf的取值过大时，容易产生振荡，在此Rf选用典型值50K，使信号放大到mV级，确定反馈电阻Rf；

同时在电路的设计中，还要在反馈回路上加上电容，小电容称为移相电容，防止运放自激的一般取0点几皮法到几十皮法，由于在此系统中运放是工作在音频300HZ到3400HZ之间的，也可以起到滤波滤除高频噪声，取值根据：

防止振荡R_f和运放的输入电容及杂散电容形成极点，如果该极点在运放使用的频率范围内就可能使运放产生振荡；加入C_f后，C_f和R_f产生零点，用来抵消极点，在这里C_f取值为10pF，并用温度补偿型的陶瓷电容，确定反馈电容Cf。

进一步，流压变换电路模块设计的具体步骤为：

第一步，完成运放和电源电压的选择；

第二步，完成流压变换电路的基本设计和噪声计算；

第三步，对基本设计进行优化；

第四步，确定流压变换电路的总体设计电路。

进一步，第一步的具体步骤为：

运放的选择：

对于光电传感的微弱信号处理，必须选择低噪声低偏置电流，输入阻抗大的运放，根据OP07，AD823，AD704的参数，由于对该系统是交流信号进行处理，应选用双电源供电的运放，选用AD704作为主运放，因为它只有1/20的OP07输入偏置电流,且不需要常用平衡电阻，典型噪声为OP07的1/5,这使得AD704可用具有更高的源阻抗，AD704集成式差分输出缓冲放大器，可将单端输入信号转换为具有高输出驱动能力的一对平衡输出信号；

电源电压的确定：

输出信号进行测试，其振幅约为4.6V_pp,所以即使考虑到运放内部晶体管的损耗，电源电压有5V足够了，不过还应该考虑到运放用电源（AD704Vs：±2.5V到±18V，典型值为±13.5V），根据共模输入电压限制与电源电压的曲线，将电源电压取为常用的±12V。

进一步，第二步的流压变换电路的基本设计的具体步骤为：

输入电流进入运放的反相输入端，同相输入端接地；

反馈电阻Rf，反馈电容Cf构成并联电路接于运放输出端与反相输入端之间，

总体电路中：

反馈电阻Rf的确定：

输出电压V_o=-I_s·R_f，为了保证PSD测量精度，必须使两路信号输出尽可能一致，因此电阻采用高精度的无色环电阻，由于PSD的内阻较大（S3931内阻约为50K），在电路中Rf的取值不能太大，Rf的取值过大时，容易产生振荡，在此Rf选用典型值50K，使信号放大到mV级，

反馈电容Cf的确定：

同时在电路的设计中，还要在反馈回路上加上电容，该小电容称为移相电容，防止运放自激的一般取0点几皮法到几十皮法，由于在此系统中运放是工作在音频300HZ到3400HZ之间的，也可以起到滤波滤除高频噪声，取值根据：

防止振荡R_f和运放的输入电容及杂散电容形成极点，如果该极点在运放使用的频率范围内就可能使运放产生振荡；加入C_f后，C_f和R_f产生零点，用来抵消极点，在这里C_f取值为10pF，并用温度补偿型的陶瓷电容。

进一步，第二步的噪声电流的计算方法为：

Vo为输出电压，假设流压转换电路中的反馈电阻远大于PSD的极间电阻Rie,此时，因为1/Rf与1/Rie相比足够小，可以忽略；

散粒噪声电流源自光电流和暗电流，大小为

$\mathrm{Is}=\sqrt{2q(I_o+I_D)B}\left[A\right]$

其中：q：电子电荷常量（1.60×10^-19C）；

I_o：信号光电流（A）；

I_D：暗电流（A）；

B：带宽（HZ）；

热噪声电流(约翰逊噪声电流)I_j来自电极间的电阻，这可以被忽略,因为Rsh>>Rie，大小为：

$I_j=\sqrt{\frac{4\mathrm{KTB}}{\mathrm{Rie}}}\left[A\right]$

其中：k:玻耳兹曼常量;

T:绝对温度

Rie:电极间电阻；

等效噪声输入电压的运算放大器电流噪声Ien;

$\mathrm{Ien}=\frac{\mathrm{en}}{\mathrm{Rie}}\sqrt{B}\left[A\right]$

其中：En:等效噪声输入电压的运算放大器(V/Hz^1/2)

综合上述三个方程知，PSD噪声电流可以表达为如下的一个均方根：

$\mathrm{In}=\sqrt{{\mathrm{Is}}^2+{\mathrm{Ij}}^2+{\mathrm{Ien}}^2}\left[A\right];$

如果Rf不能被忽略，那么等效噪声输出电压必须被考虑，在这种情况下，方程 $\mathrm{In}=\sqrt{{\mathrm{Is}}^2+{\mathrm{Ij}}^2+{\mathrm{Ien}}^2}$ 可转换为如下：

$\mathrm{Vs}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{2q\·(I_o+I_D)\·B}\left[V\right];$

$\mathrm{Vj}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{\frac{4\mathrm{kTB}}{\mathrm{Rie}}}\left[V\right];$

$\mathrm{Ven}=(1+\frac{\mathrm{Rf}}{\mathrm{Rie}})\·\mathrm{en}\·\sqrt{B}\left[V\right];$

热噪声从反馈电阻和等效噪声输入电流的运算放大器也可变换,如下所示：

$V_{\mathrm{Rf}}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{\frac{4\mathrm{kTB}}{\mathrm{Rf}}}\left[V\right];$

$V_{\mathrm{in}}=\mathrm{Rf}\·\mathrm{in}\·\sqrt{B}\left[V\right];$

最终等效噪声输入电压的运算放大器由以下方程表示为一个均方根值：

$\mathrm{Vn}=\sqrt{{V_s}^2+{V_j}^2+{V_{\mathrm{en}}}^2+{V_{\mathrm{in}}}^2}\left[V\right].$

本发明的目的在于提供一种基于PSD的激光语音还原的电路，该基于PSD的激光语音还原的电路包括：PSD光电转换电路模块、流压变换电路模块、差分放大电路模块；

用于间接得到玻璃振动振幅的相对值并产生强弱变化的电流信号的PSD光电转换电路模块；

用于对PSD光电转换电路模块输出的两路微弱电流信号分别进行流压转换的流压变换电路模块，连接PSD光电转换电路模块；

用于将两路信号进行差分同时主放大以及滤波的差分放大电路模块，连接流压变换电路模块，使得信号幅值达到3V左右，便于后端信号的采集，实现激光语音信号的还原。

进一步，PSD光电转换电路模块的具体连接为：

U1A为运放AD704，接±12V电源，+12V电源端通过由10pF小电容C9和10uF的大电容C15接地，-12V电源端通过由10pF小电容C10和10uF的大电容C16接地，反相输入端输入电流，同相输入端接地，输出端通过50Ω的电阻R11和5000pF的电容C12接地，50KΩ的反馈电阻R1和10pF的反馈电容C1构成的并联电路一端接同相输入端，另一端接反相输入端，10pF的滤波电容C11接于U1A的反相输入端与输出端之间；

U1D为运放AD704，反相输入端输入电流，同相输入端接地，输出端通过50Ω的电阻R12和5000pF的电容C14接地，50KΩ的反馈电阻R4和10pF的反馈电容C2构成的并联电路一端接同相输入端，另一端接反相输入端，10pF的滤波电容C13接于U1D的反相输入端与输出端之间；

U1B为运放AD704，同相输入端通过1KΩ的电阻R8接地，通过1KΩ的电阻R7接R11，反相输入端通过1KΩ的电阻R2接输出端，通过1KΩ的电阻R3接R12，构成加法电路，输出端接CN1；

U1C为运放AD704，同相输入端通过1KΩ的电阻R10接地，反相输入端通过1KΩ的电阻R5接输出端，通过1KΩ的电阻R6接R11，通过1KΩ的电阻R9接R12，构成加法电路，输出端接CN2；

TPA，TPB为输入端，TP1，TP2为流压转换后的输出端，接差分放大电路模块，TP3,TP4分别为进行加法和减法之后信号的输出端。

本发明提供的基于PSD的激光语音还原的方法及电路，通过流压变换电路模块采用四路低噪声、低偏置电流的运放AD704，可同时完成两路电流信号I-V转化、加法与减法，可以消除电源线路“嗡嗡”声、RF干扰、压降以及长音频电缆线路经常遇到的其它外来噪声，从而有助于保持音频系统的声波品质；通过流压变换电路模块利用RC网络结合AD704实现信号的滤波，提高了信号质量；通过差分放大电路模块采用AD8274，完成了两路电压信号的差分放大。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于PSD的激光语音还原的方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的基于PSD的激光语音还原电路的结构框图；

图3是本发明实施例提供的噪音分析模型示意图；

图4是本发明实施例提供的流压转换基本原理图；

图5是本发明实施例提供的共模输入电压与电源电压曲线图；

图6是本发明实施例提供的流压转换基本设计电路；

图7是本发明实施例提供的基于PSD的激光语音还原的方法电路的流压转换优化设计电路图；

图8是本发明实施例提供的电源去耦电容设计电路图；

图9是本发明实施例提供的流压变换电路模块的电路示意图；

图中：1、PSD光电转换电路模块；2、流压变换电路模块；3、差分放大电路模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明提供的基于PSD的激光语音还原的方法的流程。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

本发明的基于PSD的激光语音还原的方法，该基于PSD的激光语音还原的方法包括以下步骤：

PSD光电转换电路模块的设计；

流压变换电路模块的设计；

差分放大电路模块的设计。

作为本发明实施例的一优化方案，PSD光电转换电路模块的设计的具体步骤为：

噪声分析模型；

PSD参数的确定。

作为本发明实施例的一优化方案，噪声分析模型的具体方法为：

Io为光电流，ID为暗电流，Rie为极间电阻，Cj为结电容，互相并联后接地，构成PSD模型，连接等效噪声输入电容的运算放大器in；

Rf为反馈电阻，Cf为反馈电容，组成的并联电路一端接于PSD和等效噪声输入电容的运算放大器in之间，另一端接于运放输出端；

in为等效噪声输入电容的运算放大器，连接等效噪声输入电压的运算放大器En后接地，与反馈电阻Rf，反馈电容Cf构成流压转换电路模型；

Vo为输出电压。

作为本发明实施例的一优化方案，PSD参数的确定的具体方法为：

输出电压V_o=-I_s·R_f，为了保证PSD测量精度，必须使两路信号输出尽可能一致，因此电阻采用高精度的无色环电阻，由于PSD的内阻较大（S3931内阻约为50K），在电路中Rf的取值不能太大，Rf的取值过大时，容易产生振荡，在此Rf选用典型值50K，使信号放大到mV级，确定反馈电阻Rf；

同时在电路的设计中，还要在反馈回路上加上电容，小电容称为移相电容，防止运放自激的一般取0点几皮法到几十皮法，由于在此系统中运放是工作在音频300HZ到3400HZ之间的，也可以起到滤波滤除高频噪声，取值根据：

防止振荡R_f和运放的输入电容及杂散电容形成极点，如果该极点在运放使用的频率范围内就可能使运放产生振荡；加入C_f后，C_f和R_f产生零点，用来抵消极点，在这里C_f取值为10pF，并用温度补偿型的陶瓷电容，确定反馈电容Cf。

作为本发明实施例的一优化方案，流压变换电路模块设计的具体步骤为：

第一步，完成运放和电源电压的选择；

第二步，完成流压变换电路的基本设计和噪声计算；

第三步，对基本设计进行优化；

第四步，确定流压变换电路的总体设计电路。

作为本发明实施例的一优化方案，第一步的具体步骤为：

运放的选择：

对于光电传感的微弱信号处理，必须选择低噪声低偏置电流，输入阻抗大的运放，根据OP07，AD823，AD704的参数，由于对该系统是交流信号进行处理，应选用双电源供电的运放，选用AD704作为主运放，因为它只有1/20的OP07输入偏置电流,且不需要常用平衡电阻，典型噪声为OP07的1/5,这使得AD704可用具有更高的源阻抗，AD704集成式差分输出缓冲放大器，可将单端输入信号转换为具有高输出驱动能力的一对平衡输出信号；

电源电压的确定：

输出信号进行测试，其振幅约为4.6V_pp,所以即使考虑到运放内部晶体管的损耗，电源电压有5V足够了，不过还应该考虑到运放用电源（AD704Vs：±2.5V到±18V，典型值为±13.5V），根据共模输入电压限制与电源电压的曲线，将电源电压取为常用的±12V。

作为本发明实施例的一优化方案，第二步的流压变换电路的基本设计的具体步骤为：

输入电流进入运放的反相输入端，同相输入端接地；

反馈电阻Rf，反馈电容Cf构成并联电路接于运放输出端与反相输入端之间，

总体电路中：

反馈电阻Rf的确定：

输出电压V_o=-I_s·R_f，为了保证PSD测量精度，必须使两路信号输出尽可能一致，因此电阻采用高精度的无色环电阻，由于PSD的内阻较大（S3931内阻约为50K），在电路中Rf的取值不能太大，Rf的取值过大时，容易产生振荡，在此Rf选用典型值50K，使信号放大到mV级，

反馈电容Cf的确定：

同时在电路的设计中，还要在反馈回路上加上电容，该小电容称为移相电容，防止运放自激的一般取0点几皮法到几十皮法，由于在此系统中运放是工作在音频300HZ到3400HZ之间的，也可以起到滤波滤除高频噪声，取值根据：

防止振荡R_f和运放的输入电容及杂散电容形成极点，如果该极点在运放使用的频率范围内就可能使运放产生振荡；加入C_f后，C_f和R_f产生零点，用来抵消极点，在这里C_f取值为10pF，并用温度补偿型的陶瓷电容。

作为本发明实施例的一优化方案，第二步的噪声电流的计算方法为：

Vo为输出电压，假设流压转换电路中的反馈电阻远大于PSD的极间电阻Rie,此时，因为1/Rf与1/Rie相比足够小，可以忽略；

散粒噪声电流源自光电流和暗电流，大小为

$\mathrm{Is}=\sqrt{2q(I_o+I_D)B}\left[A\right]$

其中：q：电子电荷常量（1.60×10^-19C）；

I_o：信号光电流（A）；

I_D：暗电流（A）；

B：带宽（HZ）；

热噪声电流(约翰逊噪声电流)I_j来自电极间的电阻，这可以被忽略,因为Rsh>>Rie，大小为：

$I_j=\sqrt{\frac{4\mathrm{KTB}}{\mathrm{Rie}}}\left[A\right]$

其中：k:玻耳兹曼常量;

T:绝对温度

Rie:电极间电阻；

等效噪声输入电压的运算放大器电流噪声Ien;

$\mathrm{Ien}=\frac{\mathrm{en}}{\mathrm{Rie}}\sqrt{B}\left[A\right]$

其中：En:等效噪声输入电压的运算放大器(V/Hz^1/2)

综合上述三个方程知，PSD噪声电流可以表达为如下的一个均方根：

$\mathrm{In}=\sqrt{{\mathrm{Is}}^2+{\mathrm{Ij}}^2+{\mathrm{Ien}}^2}\left[A\right];$

如果Rf不能被忽略，那么等效噪声输出电压必须被考虑，在这种情况下，方程 $\mathrm{In}=\sqrt{{\mathrm{Is}}^2+{\mathrm{Ij}}^2+{\mathrm{Ien}}^2}$ 可转换为如下：

$\mathrm{Vs}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{2q\·(I_o+I_D)\·B}\left[V\right];$

$\mathrm{Vj}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{\frac{4\mathrm{kTB}}{\mathrm{Rie}}}\left[V\right];$

$\mathrm{Ven}=(1+\frac{\mathrm{Rf}}{\mathrm{Rie}})\·\mathrm{en}\·\sqrt{B}\left[V\right];$

热噪声从反馈电阻和等效噪声输入电流的运算放大器也可变换,如下所示：

$V_{\mathrm{Rf}}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{\frac{4\mathrm{kTB}}{\mathrm{Rf}}}\left[V\right];$

$V_{\mathrm{in}}=\mathrm{Rf}\·\mathrm{in}\·\sqrt{B}\left[V\right];$

最终等效噪声输入电压的运算放大器由以下方程表示为一个均方根值：

$\mathrm{Vn}=\sqrt{{V_s}^2+{V_j}^2+{V_{\mathrm{en}}}^2+{V_{\mathrm{in}}}^2}\left[V\right].$

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的基于PSD的激光语音还原的方法包括以下步骤：

S101：PSD光电转换电路模块设计；

S102：流压变换电路模块设计；

S103：差分放大电路模块设计。

如图2所示，本发明的基于PSD的激光语音还原电路主要由PSD光电转换电路模块1、流压变换电路模块2、差分放大电路模块3组成；

PSD光电转换电路模块1，连接流压变换电路模块2，用于间接得到玻璃振动振幅的相对值并产生强弱变化的电流信号，该模块的设计方法包括噪声分析和PSD参数的确定；

流压变换电路模块2，连接差分放大电路模块3，用于对PSD光电转换电路模块1输出的两路微弱电流信号分别进行流压转换，该模块的设计方法包括运放的选择，电源电压的确定，基本电路的设计，流压电路的噪声计算，优化电路的设计，电源去耦电容的确定，总体电路的设计；

差分放大电路模块3，用于将两路信号进行差分同时主放大以及滤波，从而使得信号幅值达到3V左右，便于后端信号的采集，实现激光语音信号的还原，该模块的设计方法包括差分放大器的选择；

PSD光电转换电路模块1的噪声分析模型的电路连接为：如图3所示：

Io为光电流，ID为暗电流，Rie为极间电阻，Cj为结电容，互相并联后接地，构成PSD模型，连接等效噪声输入电容的运算放大器in；

Rf为反馈电阻，Cf为反馈电容，组成的并联电路一端接于PSD和等效噪声输入电容的运算放大器in之间，另一端接于运放输出端；

in为等效噪声输入电容的运算放大器，连接等效噪声输入电压的运算放大器En后接地，与反馈电阻Rf，反馈电容Cf构成流压转换电路模型；

Vo为输出电压，

噪声电流计算如下：假设流压转换电路中的反馈电阻远大于PSD的极间电阻Rie,此时，因为1/Rf与1/Rie相比足够小，因此其大小可以忽略；

散粒噪声电流源自光电流和暗电流，大小为

$\mathrm{Is}=\sqrt{2q(I_o+I_D)B}\left[A\right]$

其中：q：电子电荷常量（1.60×10^-19C）；

I_o：信号光电流（A）；

I_D：暗电流（A）；

B：带宽（HZ）；

热噪声电流(约翰逊噪声电流)I_j来自电极间的电阻(这可以被忽略,因为Rsh>>Rie)，大小为：

$I_j=\sqrt{\frac{4\mathrm{KTB}}{\mathrm{Rie}}}\left[A\right]$

其中：k:玻耳兹曼常量;

T:绝对温度

Rie:电极间电阻；

等效噪声输入电压的运算放大器电流噪声Ien;

$\mathrm{Ien}=\frac{\mathrm{en}}{\mathrm{Rie}}\sqrt{B}\left[A\right]$

其中：En:等效噪声输入电压的运算放大器(V/Hz^1/2)

综合上述三个方程知，PSD噪声电流可以表达为如下的一个均方根：

$\mathrm{In}=\sqrt{{\mathrm{Is}}^2+{\mathrm{Ij}}^2+{\mathrm{Ien}}^2}\left[A\right]$

如果Rf不能被忽略，那么等效噪声输出电压必须被考虑，在这种情况下，上述方程可转换为如下：

$\mathrm{Vs}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{2q\·(I_o+I_D)\·B}\left[V\right];$

$\mathrm{Vj}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{\frac{4\mathrm{kTB}}{\mathrm{Rie}}}\left[V\right];$

$\mathrm{Ven}=(1+\frac{\mathrm{Rf}}{\mathrm{Rie}})\·\mathrm{en}\·\sqrt{B}\left[V\right];$

热噪声从反馈电阻和等效噪声输入电流的运算放大器也可变换,如下所示：

$V_{\mathrm{Rf}}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{\frac{4\mathrm{kTB}}{\mathrm{Rf}}}\left[V\right];$

$V_{\mathrm{in}}=\mathrm{Rf}\·\mathrm{in}\·\sqrt{B}\left[V\right];$

最终等效噪声输入电压的运算放大器由以下方程表示为一个均方根值：

$\mathrm{Vn}=\sqrt{{V_s}^2+{V_j}^2+{V_{\mathrm{en}}}^2+{V_{\mathrm{in}}}^2}\left[V\right];$

当Rf>>Rie时，绘制散射噪声电流随着光电流信号变化的曲线及沿着极间阻力值的热噪声电流和噪声电流的等效噪声输入电压的运算放大器可知：当使用一个PSD电极间的电阻大约10kΩ,其噪声来源主要为运算放大器，当PSD电极间的电阻超过100kΩ，PSD本身的噪声占主导地位；

PSD位置分辨率取决于电极间的电阻和光照强度，说明PSD大大不同于离散型位置探测器，

PSD光电转换电路模块1为一维PSD（S3931），光谱响应范围为4000～1100nm，峰值响应波长为960nm,内电阻典型值为50kΩ,饱和光电流为100μA,暗电流为0.2nA-20nA,暗电流的温度系数为每摄氏度1.15倍，结电容为80pF，利用光照情况下光敏二极管表面阻抗的变化来检测光斑的位置；

流压变换电路模块2的设计原理为：

要把从探测器上输出的电流信号转化为电压信号，需要连接电阻，如图4（a）所示，但是这样一来I_s就会变大，又由I_s·R=V_s，V_s也就上升，对于PSD输出的电流信号并非理想的电流源，因此流入R，另外，若要读取V_s而连接什么的话，由于其内部电阻与R并联进入，将使等效电阻改变；

因此选用运放，如图4（b）所示，那么在P点会发生虚地，其电位同I_s无关成为接低电平，在这种状态下，流经R_f只有I_s，与负载的大小无关，所以能正确地从电流信号转换为电压信号；

这种方式的限界，在于微小电流方面为OP放大器的偏置I_o，由于偏置电流I_o与信号I_s一起流过R_f，再加上运放本身的偏置电压V_os，得到其实际的输出电压：V_o=(I_s+I₀)R_f+V_os，因此应选择低噪声，低偏置电流的运放；

运放的选择：

对于光电传感的微弱信号处理，必须选择低噪声低偏置电流，输入阻抗大的运放，表1给出了OP07，AD823，AD704的参数，由于对该系统是交流信号进行处理，应选用双电源供电的运放，选用AD704作为主运放；

表1

因为它只有1/20的OP07输入偏置电流,且不需要常用平衡电阻，典型噪声为OP07的1/5,这使得AD704可用具有更高的源阻抗，AD704集成式差分输出缓冲放大器，可将单端输入信号转换为具有高输出驱动能力的一对平衡输出信号；

电源电压的确定：

输出信号进行测试，其振幅约为4.6V_pp,所以即使考虑到运放内部晶体管的损耗，电源电压有5V足够了，不过还应该考虑到运放用电源（AD704Vs：±2.5V到±18V，典型值为±13.5V），根据图5所示共模输入电压限制与电源电压的曲线，将电源电压取为常用的±12V，

流压转换电路模块2基本设计如图6所示：

输入电流进入运放的反相输入端，同相输入端接地；

反馈电阻Rf，反馈电容Cf构成并联支路接于运放输出端与反相输入端之间，

其中：

反馈电阻Rf的确定：

输出电压V_o=-I_s·R_f，为了保证PSD测量精度，必须使两路信号输出尽可能一致，因此电阻采用高精度的无色环电阻，由于PSD的内阻较大（S3931内阻约为50K），在电路中Rf的取值不能太大，Rf的取值过大时，容易产生振荡，在此Rf选用典型值50K，使信号放大到mV级；

反馈电容Cf的确定：

同时在电路的设计中，还要在反馈回路上加上电容，该小电容称为移相电容，防止运放自激的一般取0点几皮法到几十皮法，由于在此系统中运放是工作在音频300HZ到3400HZ之间的，也可以起到滤波滤除高频噪声，取值根据：

防止振荡R_f和运放的输入电容及杂散电容形成极点，如果该极点在运放使用的频率范围内就可能使运放产生振荡；加入C_f后，C_f和R_f产生零点，用来抵消极点，在这里C_f取值为10pF，并用温度补偿型的陶瓷电容；

噪声计算：

从三个方面考虑噪声源：

运放的噪声电压密度：

IN为运放的输入电流密度，电压降等于电阻R_f与运放的噪声电流密度之积：E_f=I_N·R_f；

电阻R_f的温度噪声： $E_R=\frac{\sqrt{R}}{8}(\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}),$

使用的AD704的反馈电阻R_f=50KΩ，频率带宽BW=DC～800KHz，各噪声电压密度计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_N=14\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}\\ E_I=I_N\·R_f=5\mathrm{pA}\×\sqrt{\mathrm{Hz}}\×0.05\mathrm{M\Ω}\\ =2.5\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}\\ E_R\≈\frac{\sqrt{0.05\mathrm{M\Ω}}}{8}=0.12\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}\end{array}\right.$

所以，总输入噪声电压密度为

$E_{\mathrm{NT}}=\sqrt{E_N^2+E_I^2+E_R^2}=\sqrt{{14}^2+{2.5}^2+{0.12}^2}\≈14.22\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$

$V_{\mathrm{OUT}}=E_{\mathrm{NT}}\×G_N\×\sqrt{\mathrm{BW}}$

故，

结果说明I-V转换电路中的噪声取决于电阻R_f的大小，虽然输出电压与R_f成正比，当R_f小时，很难得到好的S/N，但同时要注意到，运放的偏置电流I_B会在反馈电阻上产生失调电压，因而Rf也不能太大，所以，Rf取值应合适；

流压转换电路模块2的优化设计如图7所示：

输入电流进入运放的反相输入端，运放的同相输入端接地；

Cc滤波电容，接于运放的反相输入端与输出端之间；

运放输出端经电阻Rc，电容C_L接地；

反馈电阻反馈电容组成的并联支路一端接于运放反相输入端，一端接于电阻Rc，电容C_L之间；

用流压转换电路模块2基本设计电路相比，为了更加有效的抑制噪声，电路在放大器的输出和探测电路的输出之间加了一个由电阻Rc，电容Cc构成的RC低通滤波电路，滤掉经过运放的噪声和运放本身的噪声，电容Cc用来补偿Rc滤波电路带来的相位滞后，电容C_L用来补偿因PSD位置探测器结电容C_D引起的相位滞后，抑制噪声增益峰值，一般使Rc≈Ro，Ro是放大器的等效输出阻抗，AD704的输出阻抗Ro≈50Ω，则 $C_L=\frac{R_f}{R_o+R_c}{C}_f,$ $C_c=\frac{R_f}{R_f+R_c}{C}_f\≈C_f,$ 调整Cc的值可以去除振荡，求解可知C_L=5000pF；

电源去耦电容的确定：

电源上的电容是用来降低电源对GND的交流阻抗用的电容（又称为旁路电容），当没有这个电容时，电路的交流特性变的很奇特，严重时电路产生振荡，电容的阻抗为

频率越高，阻抗应该越小，但是，实际上因内部感抗的成分等因素的影响，在某个频率开始，阻抗反而变高，在结构上，小容量的电容在高频处，而大容量的电容器则在较低的频率处，电容的阻抗变得最低，

因此，在电源通过一个小电容和一个大电容组成的并联电路接地后，如图8所示，可以在很宽的频率范围降低电源对GND的阻抗，在这里采用小电容10pF,大电容10uF；

流压转换电路模块2的总体设计如图9所示：

U1A为运放AD704，接±12V电源，+12V电源端通过由10pF小电容C9和10uF的大电容C15接地，-12V电源端通过由10pF小电容C10和10uF的大电容C16接地，反相输入端输入电流，同相输入端接地，输出端通过50Ω的电阻R11和5000pF的电容C12接地，50KΩ的反馈电阻R1和10pF的反馈电容C1构成的并联电路一端接同相输入端，另一端接反相输入端，10pF的滤波电容C11接于U1A的反相输入端与输出端之间；

U1D为运放AD704，反相输入端输入电流，同相输入端接地，输出端通过50Ω的电阻R12和5000pF的电容C14接地，50KΩ的反馈电阻R4和10pF的反馈电容C2构成的并联电路一端接同相输入端，另一端接反相输入端，10pF的滤波电容C13接于U1D的反相输入端与输出端之间；

U1B为运放AD704，同相输入端通过1KΩ的电阻R8接地，通过1KΩ的电阻R7接R11，反相输入端通过1KΩ的电阻R2接输出端，通过1KΩ的电阻R3接R12，构成加法电路，输出端接CN1；

U1C为运放AD704，同相输入端通过1KΩ的电阻R10接地，反相输入端通过1KΩ的电阻R5接输出端，通过1KΩ的电阻R6接R11，通过1KΩ的电阻R9接R12，构成加法电路，输出端接CN2；

TPA，TPB为输入端，TP1，TP2为流压转换后的输出端，接差分放大电路模块3，TP3,TP4分别为进行加法和减法之后信号的输出端，

差分放大电路模块3采用一个差分放大器AD8274完成两路电压信号的差分放大。

本发明的工作原理

PSD光电转换电路模块1通过PSD位置灵敏探测器检测光斑的位置移动，即可间接得到玻璃振动振幅的相对值，通过反射光照射在PSD位置灵敏探测器上的光斑位置的移动，产生强弱变化的电流信号；流压变换电路模块2通过运放芯片AD704将PSD前端的两路微弱电流信号I1，I2分别进行流压转换，光电流I1经反向放大器UA1放大后送给放大器U1B，而光电流I2经反向放大器U1D放大后送给放大器U1C，放大器U1B为加法电路，完成光电流I1与I2相加的运算；放大器U1C用作减法电路，完成光电流I2与I1相减的运算，同时在此前端信号放大电路中通过反馈电阻、反馈电容以及去耦电容使得放大后的信号从噪声中提取出来；然后利用差分放大电路模块3的一个差分放大器AD8274，将两路信号进行差分同时放大以及滤波，从而使得信号幅值达到3V左右，便于后端信号的采集，实现激光语音信号的还原。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PSD的激光语音还原的方法，其特征在于，该基于PSD的激光语音还原的方法包括以下步骤：

设计PSD光电转换电路模块；

设计流压变换电路模块；

设计差分放大电路模块。

2.如权利要求1所述的基于PSD的激光语音还原的方法，其特征在于，PSD光电转换电路模块的设计的具体步骤为：

噪声分析模型；

PSD参数的确定。

3.如权利要求2所述的基于PSD的激光语音还原的方法，其特征在于，噪声分析模型的具体方法为：

Io为光电流，ID为暗电流，Rie为极间电阻，Cj为结电容，互相并联后接地，构成PSD模型，连接等效噪声输入电容的运算放大器in；

Rf为反馈电阻，Cf为反馈电容，组成的并联电路一端接于PSD和等效噪声输入电容的运算放大器in之间，另一端接于运放输出端；

in为等效噪声输入电容的运算放大器，连接等效噪声输入电压的运算放大器En后接地，与反馈电阻Rf，反馈电容Cf构成流压转换电路模型；

Vo为输出电压。

4.如权利要求2所述的基于PSD的激光语音还原的方法，其特征在于，PSD参数的确定的具体方法为：

输出电压V_o=-I_s·R_f，为了保证PSD测量精度，必须使两路信号输出尽可能一致，因此电阻采用高精度的无色环电阻，由于PSD的内阻较大（S3931内阻约为50K），在电路中Rf的取值不能太大，Rf的取值过大时，容易产生振荡，在此Rf选用典型值50K，使信号放大到mV级，确定反馈电阻Rf；

同时在电路的设计中，还要在反馈回路上加上电容，小电容称为移相电容，防止运放自激的一般取0点几皮法到几十皮法，由于在此系统中运放是工作在音频300HZ到3400HZ之间的，也可以起到滤波滤除高频噪声，取值根据：

防止振荡R_f和运放的输入电容及杂散电容形成极点，如果该极点在运放使用的频率范围内就可能使运放产生振荡；加入C_f后，C_f和R_f产生零点，用来抵消极点，在这里C_f取值为10pF，并用温度补偿型的陶瓷电容，确定反馈电容Cf。

5.如权利要求1所述的基于PSD的激光语音还原的方法，其特征在于，流压变换电路模块设计的具体步骤为：

第一步，完成运放和电源电压的选择；

第二步，完成流压变换电路的基本设计和噪声计算；

第三步，对基本设计进行优化；

第四步，确定流压变换电路的总体设计电路。

6.如权利要求5所述的基于PSD的激光语音还原的方法，其特征在于，第一步的具体步骤为：

运放的选择：

对于光电传感的微弱信号处理，必须选择低噪声低偏置电流，输入阻抗大的运放，根据OP07，AD823，AD704的参数，由于对该系统是交流信号进行处理，应选用双电源供电的运放，选用AD704作为主运放，因为它只有1/20的OP07输入偏置电流,且不需要常用平衡电阻，典型噪声为OP07的1/5,这使得AD704可用具有更高的源阻抗，AD704集成式差分输出缓冲放大器，可将单端输入信号转换为具有高输出驱动能力的一对平衡输出信号；

电源电压的确定：

输出信号进行测试，其振幅约为4.6V_pp,所以即使考虑到运放内部晶体管的损耗，电源电压有5V足够了，不过还应该考虑到运放用电源（AD704Vs：±2.5V到±18V，典型值为±13.5V），根据共模输入电压限制与电源电压的曲线，将电源电压取为常用的±12V。

7.如权利要求5所述的基于PSD的激光语音还原的方法，其特征在于，第二步的流压变换电路的基本设计的具体步骤为：

输入电流进入运放的反相输入端，同相输入端接地；

反馈电阻Rf，反馈电容Cf构成并联电路接于运放输出端与反相输入端之间，

总体电路中：

反馈电阻Rf的确定：

输出电压V_o=-I_s·R_f，为了保证PSD测量精度，必须使两路信号输出尽可能一致，因此电阻采用高精度的无色环电阻，由于PSD的内阻较大（S3931内阻约为50K），在电路中Rf的取值不能太大，Rf的取值过大时，容易产生振荡，在此Rf选用典型值50K，使信号放大到mV级，

反馈电容Cf的确定：

同时在电路的设计中，还要在反馈回路上加上电容，该小电容称为移相电容，防止运放自激的一般取0点几皮法到几十皮法，由于在此系统中运放是工作在音频300HZ到3400HZ之间的，也可以起到滤波滤除高频噪声，取值根据：

防止振荡R_f和运放的输入电容及杂散电容形成极点，如果该极点在运放使用的频率范围内就可能使运放产生振荡；加入C_f后，C_f和R_f产生零点，用来抵消极点，在这里C_f取值为10pF，并用温度补偿型的陶瓷电容。

8.如权利要求5所述的基于PSD的激光语音还原的方法，其特征在于，第二步的噪声电流的计算方法为：

Vo为输出电压，假设流压转换电路中的反馈电阻远大于PSD的极间电阻Rie,此时，因为1/Rf与1/Rie相比足够小，可以忽略；

散粒噪声电流源自光电流和暗电流，大小为

$\mathrm{Is}=\sqrt{2q(I_o+I_D)B}\left[A\right]$

其中：q：电子电荷常量（1.60×10^-19C）；

I_o：信号光电流（A）；

I_D：暗电流（A）；

B：带宽（HZ）；

热噪声电流(约翰逊噪声电流)I_j来自电极间的电阻，这可以被忽略,因为Rsh>>Rie，大小为：

$I_j=\sqrt{\frac{4\mathrm{KTB}}{\mathrm{Rie}}}\left[A\right]$

其中：k:玻耳兹曼常量;

T:绝对温度

Rie:电极间电阻；

等效噪声输入电压的运算放大器电流噪声Ien;

$\mathrm{Ien}=\frac{\mathrm{en}}{\mathrm{Rie}}\sqrt{B}\left[A\right]$

其中：En:等效噪声输入电压的运算放大器(V/Hz^1/2)

综合上述三个方程知，PSD噪声电流可以表达为如下的一个均方根：

$\mathrm{In}=\sqrt{{\mathrm{Is}}^2+{\mathrm{Ij}}^2+{\mathrm{Ien}}^2}\left[A\right];$

如果Rf不能被忽略，那么等效噪声输出电压必须被考虑，在这种情况下，方程 $\mathrm{In}=\sqrt{{\mathrm{Is}}^2+{\mathrm{Ij}}^2+{\mathrm{Ien}}^2}$ 可转换为如下：

$\mathrm{Vs}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{2q\·(I_o+I_D)\·B}\left[V\right];$

$\mathrm{Vj}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{\frac{4\mathrm{kTB}}{\mathrm{Rie}}}\left[V\right];$

$\mathrm{Ven}=(1+\frac{\mathrm{Rf}}{\mathrm{Rie}})\·\mathrm{en}\·\sqrt{B}\left[V\right];$

热噪声从反馈电阻和等效噪声输入电流的运算放大器也可变换,如下所示：

$V_{\mathrm{Rf}}=\mathrm{Rf}\·\sqrt{\frac{4\mathrm{kTB}}{\mathrm{Rf}}}\left[V\right];$

$V_{\mathrm{in}}=\mathrm{Rf}\·\mathrm{in}\·\sqrt{B}\left[V\right];$

最终等效噪声输入电压的运算放大器由以下方程表示为一个均方根值：

$\mathrm{Vn}=\sqrt{{V_s}^2+{V_j}^2+{V_{\mathrm{en}}}^2+{V_{\mathrm{in}}}^2}\left[V\right].$

9.一种基于PSD的激光语音还原的电路，其特征在于，该基于PSD的激光语音还原的电路包括：PSD光电转换电路模块、流压变换电路模块、差分放大电路模块；

用于间接得到玻璃振动振幅的相对值并产生强弱变化的电流信号的PSD光电转换电路模块；

用于对PSD光电转换电路模块输出的两路微弱电流信号分别进行流压转换的流压变换电路模块，连接PSD光电转换电路模块；

用于将两路信号进行差分同时主放大以及滤波的差分放大电路模块，连接流压变换电路模块，使得信号幅值达到3V左右，便于后端信号的采集，实现激光语音信号的还原。

10.如权利要求9所述的基于PSD的激光语音还原的电路，其特征在于，PSD光电转换电路模块的具体连接为：

U1A为运放AD704，接±12V电源，+12V电源端通过由10pF小电容C9和10uF的大电容C15接地，-12V电源端通过由10pF小电容C10和10uF的大电容C16接地，反相输入端输入电流，同相输入端接地，输出端通过50Ω的电阻R11和5000pF的电容C12接地，50KΩ的反馈电阻R1和10pF的反馈电容C1构成的并联电路一端接同相输入端，另一端接反相输入端，10pF的滤波电容C11接于U1A的反相输入端与输出端之间；

U1D为运放AD704，反相输入端输入电流，同相输入端接地，输出端通过50Ω的电阻R12和5000pF的电容C14接地，50KΩ的反馈电阻R4和10pF的反馈电容C2构成的并联电路一端接同相输入端，另一端接反相输入端，10pF的滤波电容C13接于U1D的反相输入端与输出端之间；

U1B为运放AD704，同相输入端通过1KΩ的电阻R8接地，通过1KΩ的电阻R7接R11，反相输入端通过1KΩ的电阻R2接输出端，通过1KΩ的电阻R3接R12，构成加法电路，输出端接CN1；

U1C为运放AD704，同相输入端通过1KΩ的电阻R10接地，反相输入端通过1KΩ的电阻R5接输出端，通过1KΩ的电阻R6接R11，通过1KΩ的电阻R9接R12，构成加法电路，输出端接CN2；

TPA，TPB为输入端，TP1，TP2为流压转换后的输出端，接差分放大电路模块，TP3,TP4分别为进行加法和减法之后信号的输出端。

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