CN103323111A - 一种用于光强检测的前置放大及量程自动转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光强检测的前置放大及量程自动转换电路，具体包括光电探测器、暗电流补偿电路、前置放大电路、量程转换电路等。本发明采用PIN光电二极管把光强信号转化为光电流信号，采用精密截波稳定型运算放大器把光电流信号转化为电压信号，量程转换电路受单片机控制可在四个量程之间自动转换，通过调节暗电流补偿电路可减小光电二极管暗电流所产生的影响。本发明具有低噪声、高增益、高共模抑制比、失调小、可探测光强动态范围大等优点。

Description

一种用于光强检测的前置放大及量程自动转换电路
技术领域
本发明涉及光强检测领域。
背景技术
由于在光强检测系统中需要探测的光强动态变化范围可能很大，而测量时既要考虑分辨率，又要兼顾测量范围，运用量程自动转换技术就能较好地解决这个问题。
现有的光强信号放大电路大多只追求高增益，但忽略了对测量范围的考虑，而且存在温漂、噪声偏大、失调电压偏大等问题，不能满足光强检测系统的实际应用需求。因此，研究出用于光强信号检测的、能够兼顾分辨率和测量范围的、高性能的前置放大及量程自动转换电路就显得非常必要。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种高性能的用于光强检测的前置放大及量程自动转换电路。
一种用于光强检测的前置放大及量程自动转换电路，包括用于探测光强信号的PIN光电二极管，还包括前置运算放大器和模拟开关，光电探测器的正极接电源地，光电探测器的负极与前置运算放大器的反向输入端相连，前置运算放大器的反向输入端依次通过第一电阻和第一电容连接到电源地，前置运算放大器的同相输入端与电源地相连，前置运算放大器的两个外接电容端分别通过第二电容和第三电容连至前置运算放大器的电容接回端，前置运算放大器的负电源端接负电压源，前置运算放大器的正电源端接正电压源，前置运算放大器的反向输入端先后通过第二电阻和第三电阻连至电源地，作为可变电阻的第五电阻的两个固定端分别与正、负电源相连，第五电阻的动端依次通过第四电阻和第三电阻连至电源地，前置运算放大器的反向输入端通过第四电容连至前置运算放大器的输出端，所述模拟开关是双四路模拟开关，模拟开关的X通道第一输入端通过第六电阻连至前置运算放大器的反向输入端，模拟开关的X通道第一输入端与其Y通道第一输入端相连，模拟开关的X通道第二输入端通过第七电阻连至前置运算放大器的反向输入端，模拟开关的X通道第二输入端与其Y通道第二输入端相连，模拟开关的X通道第三输入端通过第八电阻连至前置运算放大器的反向输入端，模拟开关的X通道第三输入端与其Y通道第三输入端相连，模拟开关的X通道第四输入端通过第九电阻连至前置运算放大器的反向输入端，模拟开关的X通道第四输入端与其Y通道第四输入端相连，模拟开关的地端与电源地相连，模拟开关的负电源端与负电压源相连，模拟开关的正电源端与正电压源相连，模拟开关的X公共输出端与前置运算放大器的输出端相连，模拟开关的Y公共输出端依次通过第十电阻和第五电容连至电源地，第五电容的正极与第十电阻相连，第五电容的负极与电源地相连，从第五电容的正极引出整个电路的输出电压，第一电容、第二电容、第三电容以及第四电容是无极性电容，第五电容是电解电容。
进一步的，前置运算放大器采用芯片ICL7652，模拟开关采用芯片74HC4052。
本发明能够兼顾分辨率和测量范围的关系，能够在较低成本下实现很高的性能。光电探测器D1用于探测输入光强Pi，把光信号转化为光电流信号，前置放大电路的作用就是有效地把光电二极管产生的微弱光电流转化为较大的电压信号；第一电容C1用于滤除光强波动产生的高频噪声，第二电容C2和第三电容C3用于芯片失调电压的周期性的动态补偿，第十电阻R10和第五电容C5组成的滤波电路用来滤去前置运算放大器ICL7652的斩波尖峰噪声；第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4及第五电阻R5组成了暗电流补偿电路，可以通过调节变阻器第五电阻R5来产生与暗电流大小相等、方向相反的电流进行补偿；第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9决定了双四路模拟开关U2四个量程的放大倍数，相邻电阻之间呈一定的倍数增加。当电路上电后，量程转换电路自动将量程设置为最高档，即前置放大电路的增益最大，A/D转换器每隔一段时间读取一次输出电压Vo进行超量程或者欠量程判断；判别标准以A/D转换器的输入上限的95%作为其上阈值Vmax，以A/D转换器上限的9%作为下阈值Vmin，Vo>Vmax为超量程，Vo<Vmin为欠量程；若超量程，则外接微处理器程控信号控制量程由高到低变化，直至输出电压Vo介于Vmax和Vmin之间；若输入光功率Pi变化后导致现量程不合适，则电路自动根据Pi的变化趋势决定量程的增减，直到量程重新合适为止。本发明具有低噪声、高增益、高共模抑制比、失调小、可探测光强动态范围大等优点。
附图说明
图1是本发明的电路原理图。
具体实施方式
本发明涉及的芯片ICL7652是美国Intersil公司的精密截波稳定型运算放大器，除了具有普通运算放大器的特点外，还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等优点，常用在测量微弱信号的前置放大器中进行数据采集。ICL7652的1管脚是外接电容端CEA，2管脚是反相输入端-IN，3管脚是同相输入端+IN，4管脚是负电源端-V，5管脚是电容接回端CR，6管脚是输出端OUTPUT，7管脚是正电源端V+，8管脚是外接电容端CEB。
本发明涉及的芯片74HC4052是Fairchild 半导体公司的双路4通道模拟多路分配器/多路选择器，带有公共选择逻辑。74HC4052的1管脚是Y通道的第一输入端Y1，2管脚是Y通道的第三输入端Y3，3管脚是Y公共输出端Y，4管脚是Y通道的第四输入端Y4，5管脚是Y通道的第二输入端Y2，6管脚是禁止端INH，7管脚是负电源端VEE，8管脚是地端GND，9管脚是地址端CNTL IN B，10管脚是地址端CNTL IN A，11管脚是X通道第四输入端X4，12管脚是X通道第一输入端X1，13管脚是X公共输出端X，14管脚是X通道第二输入端X2，15管脚是X通道第三输入端X3，16管脚是正电源端VDD。只有6管脚INH为低电平时，74HC4052芯片才能正常工作。74HC4052根据CNTL IN B、CNTL IN A两个地址线的控制信号选择内部的4个通道之一，当对CNTL IN B、CNTL IN A输入00、01、10、11时，分别对应于1、2、3、4通道上的开关处于闭合状态。
如图1所示，一种用于光强检测的前置放大及量程自动转换电路，包括用于探测光强信号的PIN光电二极管D1，其特征在于：光电探测器D1的正极接电源地，光电探测器D1的负极与前置运算放大器U1的反向输入端-IN相连，前置运算放大器U1的反向输入端-IN先后通过第一电阻R1和第一电容C1连接到电源地，前置运算放大器U1的同相输入端+IN与电源地相连，前置运算放大器U1的两个外接电容端CEA、CEB分别通过第二电容C2和第三电容C3连至前置运算放大器U1的电容接回端CR，前置运算放大器U1的负电源端V-接负电压源-VCC，前置运算放大器U1的正电源端V+接正电压源+VCC，前置运算放大器U1的反向输入端-IN先后通过第二电阻R2和第三电阻R3连至电源地，作为可变电阻的第五电阻R5的两个固定端分别与正电压源+VCC、负电压源-VCC相连，第五电阻R5的动端先后通过第四电阻R4和第三电阻R3连至电源地，前置运算放大器U1的反向输入端-IN通过第四电容C4连至前置运算放大器U1的输出端OUTPUT，第二芯片U2是一个双四路模拟开关，模拟开关U2的X通道第一输入端X1通过第六电阻R6连至前置运算放大器U1的反向输入端-IN，模拟开关U2的X通道第一输入端X1与其Y通道第一输入端Y1相连，模拟开关U2的X通道第二输入端X2通过第七电阻R7连至前置运算放大器U1的反向输入端-IN，模拟开关U2的X通道第二输入端X2与其Y通道第二输入端Y2相连，模拟开关U2的X通道第三输入端X3通过第八电阻R8连至前置运算放大器U1的反向输入端-IN，模拟开关U2的X通道第三输入端X3与其Y通道第三输入端Y3相连，模拟开关U2的X通道第四输入端X4通过第九电阻R9连至前置运算放大器U1的反向输入端-IN，模拟开关U2的X通道第四输入端X4与其Y通道第四输入端Y4相连，模拟开关U2的地端GND与电源地相连，模拟开关U2的负电源端VEE与负电压源-VCC相连，模拟开关U2的正电源端VDD与正电压源+VCC相连，模拟开关U2的禁止端INH以及两个地址端CNTL IN A、CNTL IN B分别与外接的微处理器的三个输入/输出端口相连，用于模拟开关的选通，模拟开关U2的X公共输出端X与前置运算放大器U1的输出端OUTPUT相连，模拟开关U2的Y公共输出端Y先后通过第十电阻R10和第五电容C5连至电源地，第五电容C5的正极与第十电阻R10相连，第五电容C5的负极与电源地相连，从第五电容C5的正极引出整个电路的输出电压Vout，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4是无极性电容，第五电容C5是电解电容。

Claims (3)

1.一种用于光强检测的前置放大及量程自动转换电路，包括用于探测光强信号的PIN光电二极管，其特征在于：还包括前置运算放大器和模拟开关，光电探测器的正极接电源地，光电探测器的负极与前置运算放大器的反向输入端相连，前置运算放大器的反向输入端依次通过第一电阻和第一电容连接到电源地，前置运算放大器的同相输入端与电源地相连，前置运算放大器的两个外接电容端分别通过第二电容和第三电容连至前置运算放大器的电容接回端，前置运算放大器的负电源端接负电压源，前置运算放大器的正电源端接正电压源，前置运算放大器的反向输入端先后通过第二电阻和第三电阻连至电源地，作为可变电阻的第五电阻的两个固定端分别与正、负电源相连，第五电阻的动端依次通过第四电阻和第三电阻连至电源地，前置运算放大器的反向输入端通过第四电容连至前置运算放大器的输出端，所述模拟开关是双四路模拟开关，模拟开关的X通道第一输入端通过第六电阻连至前置运算放大器的反向输入端，模拟开关的X通道第一输入端与其Y通道第一输入端相连，模拟开关的X通道第二输入端通过第七电阻连至前置运算放大器的反向输入端，模拟开关的X通道第二输入端与其Y通道第二输入端相连，模拟开关的X通道第三输入端通过第八电阻连至前置运算放大器的反向输入端，模拟开关的X通道第三输入端与其Y通道第三输入端相连，模拟开关的X通道第四输入端通过第九电阻连至前置运算放大器的反向输入端，模拟开关的X通道第四输入端与其Y通道第四输入端相连，模拟开关的地端与电源地相连，模拟开关的负电源端与负电压源相连，模拟开关的正电源端与正电压源相连，模拟开关的X公共输出端与前置运算放大器的输出端相连，模拟开关的Y公共输出端依次通过第十电阻和第五电容连至电源地，第五电容的正极与第十电阻相连，第五电容的负极与电源地相连，从第五电容的正极引出整个电路的输出电压，第一电容、第二电容、第三电容以及第四电容是无极性电容，第五电容是电解电容。
2.根据权利要求1所述的用于光强检测的前置放大及量程自动转换电路，其特征在于前置运算放大器采用芯片ICL7652。
3.根据权利要求1所述的用于光强检测的前置放大及量程自动转换电路，其特征在于模拟开关采用芯片74HC4052。
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