CN104061847A - 一种光电弱信号处理系统 - Google Patents

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Abstract

一种光电弱信号处理系统，包括PSD位移传感器，PSD位移传感器的每一个信号输出端分别顺序连接一个信号采集电路，一个信号滤波电路和一个整流电路，两个整流电路的电流输出端分别连接差动放大电路的一个信号输入端，差动放大电路的信号输出端连接恒流源驱动电路的信号输入端，恒流源驱动电路的信号输出端连接长距离信号电缆的一端，可以有效、可靠的指示目标的真实方位变化情况。光电弱信号的有效可靠传输保证了瞄准设备对复杂工况的适应能力，为远距离斜向瞄准奠定了基础。

Description

一种光电弱信号处理系统
技术领域
本发明涉及一种信号处理系统，特别是涉及一种光电转换信号的处理系统。
背景技术
瞄准设备在进行光电自准直瞄准的工程中，光源接收部件负责将目标方位变化情况实时发送并通过处理电路将信息传递给控制系统，因此接收部件的信号处理是一项关键技术。
在采用光敏三极管作为接收部件的设备中，为了实现位移测量不得不采用两只三极管配合安装调试的方式，从而给瞄准设备带来了一定的系统误差，同时在信号放大、传输的过程中由于受光线、电源等环境因素的干扰，信号采集的可靠性收到一定影响。
为了解决以上问题，可以采用PSD位移传感器作为瞄准设备的光源接收部件，但由于PSD位移传感器两个相关的输出信号均为μA级弱信号，因此在信号的放大传输过程中需采用特殊的处理方式来保证信息的准确输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种光电弱信号处理系统，解决PSD位移传感器输出信号量级过小，无法准确获取位移数据的技术问题。
本发明的光电弱信号处理系统，包括PSD位移传感器，PSD位移传感器的每一个信号输出端分别顺序连接一个信号采集电路，一个信号滤波电路和一个整流电路，两个整流电路的电流输出端分别连接差动放大电路的一个信号输入端，差动放大电路的信号输出端连接恒流源驱动电路的信号输入端，恒流源驱动电路的信号输出端连接长距离信号电缆的一端，其中：
信号采集电路，用于采集一个信号输出端的μA弱信号，过滤高频谐波成分，将弱信号放大为mA信号；
信号滤波电路，用于屏蔽中频谐波成分，获得低频频段的位移变化电压信号；
整流电路，用于将位移变化电压信号转换为位移变化的直流电压信号；
差动放大电路，用于对接入的两路差模信号进行放大，修正信号误差，形成精确的位移电压信号；
恒流源驱动电路，用于将输入的位移电压信号转为相应变化的电压信号控制的克服传输阻抗的稳定输出信号源。
所述信号采集电路包括电容C01、电阻R01和第一运算放大器U01，第一运算放大器U01的同相输入端接地，第一运算放大器U01的反相输入端串联电阻R01后连接第一运算放大器U01的输出端，电容C01与电阻R01并联。
所述信号滤波电路03包括电容C02、电容C03、电阻R02、电阻R03、电阻R04、电阻R05和第二运算放大器U02，第二运算放大器U02的同相输入端接地，第二运算放大器U02的同相输入端顺序串联电阻R05、电阻R04、电容C03后连接反相输入端，第二运算放大器U02的同相输入端顺序串联电阻R05、电阻R04、电容C02后连接输出端，第二运算放大器U02的反相输入端串联电阻R02后连接输出端，输入信号顺序串联电阻R03、电容C03后连接第二运算放大器U02的反相输入端。
所述整流电路04包括电阻R06、电阻R07、电阻R08、电阻R09、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C04、二极管V1、二极管V2、第三运算放大器U03和第四运算放大器U04，第四运算放大器U04的同相输入端串联电阻R08后接地，电阻R06和电容C04并联电路的一端连接第四运算放大器U04的输出端，电阻R06和电容C04并联电路的另一端形成两个支路，一个支路连接第四运算放大器U04的反相输入端，另一个支路顺序串联电阻R10、电阻R11后连接第三运算放大器U03的反相输入端，输入信号串联电阻R11后连接第三运算放大器U03的反相输入端，第三运算放大器U03的同相输入端串联电阻R12后接地，第三运算放大器U03的输出端顺序串联二极管V2和电阻R07后连接第四运算放大器U04的反相输入端，二极管V2的正极与电阻R07连接，第三运算放大器U03的输出端连接二极管V1后连接反相输入端，二极管V1的正极连接第三运算放大器U03的输出端，第三运算放大器U03的输出端顺序连接二极管V2和电阻R09后连接第三运算放大器U03的反相输入端，二极管V2的正极与电阻R09连接。
所述差动放大电路05包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、变阻器RP1、第五运算放大器U05、第六运算放大器U06和第七运算放大器U07，第一输入信号连接第五运算放大器U05的反相输入端，第二输入信号连接第七运算放大器U07的反相输入端，第五运算放大器U05的反相输入端与第七运算放大器U07的反相输入端间连接电阻R19，第五运算放大器U05的同相输入端连接电阻R16后接地，第七运算放大器U07的同相输入端连接电阻R20后接地，第五运算放大器U05的反相输入端和输出端间连接电阻R15，第七运算放大器U07的反相输入端和输出端间连接电阻R18，第五运算放大器U05的输出端串联电阻R14后连接第六运算放大器U06的反相输入端，第六运算放大器U06的反相输入端和输出端间连接电阻R13，第七运算放大器U07的输出端和第六运算放大器U06的同相输入端间连接电阻R17，第六运算放大器U06的同相输入端顺序串联电阻R21、变阻器RP1后接地。
所述恒流源驱动电路包括电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、第八运算放大器U08、第九运算放大器U09和第十运算放大器U10，输入信号连接第八运算放大器U08的反相输入端，第八运算放大器U08的同相输入端连接模拟地，第九运算放大器U09的同相输入端连接模拟地，第八运算放大器U08的反相输入端和输出端间连接电阻R22，第九运算放大器U09的反相输入端和输出端间连接电阻R24，第八运算放大器U08的输出端串联电阻R23后连接第九运算放大器U09的反相输入端，第九运算放大器U09的输出端串联电阻R25后连接第十运算放大器U10的反相输入端，第十运算放大器U10的反相输入端和输出端间连接电阻R26，第十运算放大器U10的同相输入端和输出端间连接电阻R27，第十运算放大器U10的输出端串联电阻R27后输出控制信号，第十运算放大器U10的输出端顺序串联电阻R27、电阻R28后连接模拟地。
本发明的光电弱信号处理系统使得最终指示信息可以有效、可靠的指示目标的真实方位变化情况。光电弱信号的有效可靠传输保证了瞄准设备对复杂工况的适应能力，为远距离斜向瞄准奠定了基础。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
附图说明
图1为本发明光电弱信号处理系统的结构示意图；
图2为本发明光电弱信号处理系统中信号采集电路的结构示意图；
图3为本发明光电弱信号处理系统中信号滤波电路的结构示意图；
图4为本发明光电弱信号处理系统中整流电路的结构示意图；
图5为本发明光电弱信号处理系统中差动放大电路的结构示意图；
图6为本发明光电弱信号处理系统中恒流源驱动电路的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中的光电转换信号源为两信号输出端的PSD位移传感器01，PSD位移传感器01的每一个信号输出端分别顺序连接一个信号采集电路02，一个信号滤波电路03和一个整流电路04，两个整流电路04的电流输出端分别连接差动放大电路05的一个信号输入端，差动放大电路05的信号输出端连接恒流源驱动电路06的信号输入端，恒流源驱动电路06的信号输出端连接长距离信号电缆的一端，其中：
信号采集电路02，用于采集一个信号输出端的μA弱信号，过滤高频谐波成分，将弱信号放大为mA信号；
信号滤波电路03，用于屏蔽中频谐波成分，获得低频频段的位移变化电压信号；
整流电路04，用于将位移变化电压信号转换为位移变化的直流电压信号；
差动放大电路05，用于对接入的两路差模信号进行放大，修正信号误差，形成精确的位移电压信号；
恒流源驱动电路06，用于将输入的位移电压信号转为相应变化的电压信号控制的克服传输阻抗的稳定输出信号源。
本实施例对PSD发出的μA级弱信号进行一级放大、滤波以及I/V变换；采用带通滤波电路，接收光源固有频率信号，抑制工频和杂光的影响；采用整流电路将滤波后近正弦波信号转换为直流电压信号；采用差分放大电路实现减法功能，用于信号输出和方向的指定；采用恒流源电路使得信号输出电流不受长距离线缆阻抗变化影响。
如图2所示，本实施例的信号采集电路02采用LM747系列芯片，包括电容C01、电阻R01和第一运算放大器U01，第一运算放大器U01的同相输入端接地，第一运算放大器U01的反相输入端串联电阻R01后连接第一运算放大器U01的输出端，电容C01与电阻R01并联，LM747芯片的管脚13连接正向电源VCC，LM747芯片的管脚4连接反向电源VEE，输入信号连接第一运算放大器U01的反相输入端。
本实施例中在滤除高频谐波的同时放大并转换为电压信号以利于后级处理；
如图3所示，本实施例的信号滤波电路03采用LM747系列芯片，包括电容C02、电容C03、电阻R02、电阻R03、电阻R04、电阻R05和第二运算放大器U02，第二运算放大器U02的同相输入端接地，第二运算放大器U02的同相输入端顺序串联电阻R05、电阻R04、电容C03后连接反相输入端，第二运算放大器U02的同相输入端顺序串联电阻R05、电阻R04、电容C02后连接输出端，第二运算放大器U02的反相输入端串联电阻R02后连接输出端，输入信号顺序串联电阻R03、电容C03后连接第二运算放大器U02的反相输入端，LM747芯片的管脚13连接正向电源VCC，LM747芯片的管脚4连接反向电源VEE。
通过电阻R02、电阻R03、电阻R04的调节，可以获得需要的中心频率。
本实施例中形成带通滤波，中心频率在0.9kHz～1.38kHz范围内变化，调节电阻R02和电阻R03的比值可以调整中心频率电压增益。
如图4所示，本实施例的整流电路04采用LM747系列芯片，包括电阻R06、电阻R07、电阻R08、电阻R09、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C04、二极管V1、二极管V2、第三运算放大器U03和第四运算放大器U04，第四运算放大器U04的同相输入端串联电阻R08后接地，电阻R06和电容C04并联电路的一端连接第四运算放大器U04的输出端，电阻R06和电容C04并联电路的另一端形成两个支路，一个支路连接第四运算放大器U04的反相输入端，另一个支路顺序串联电阻R10、电阻R11后连接第三运算放大器U03的反相输入端，输入信号串联电阻R11后连接第三运算放大器U03的反相输入端，第三运算放大器U03的同相输入端串联电阻R12后接地，第三运算放大器U03的输出端顺序串联二极管V2和电阻R07后连接第四运算放大器U04的反相输入端，二极管V2的正极与电阻R07连接，第三运算放大器U03的输出端连接二极管V1后连接反相输入端，二极管V1的正极连接第三运算放大器U03的输出端，第三运算放大器U03的输出端顺序连接二极管V2和电阻R09后连接第三运算放大器U03的反相输入端，二极管V2的正极与电阻R09连接，LM747芯片的管脚13、管脚9连接正向电源VCC，LM747芯片的管脚4连接反向电源VEE。
本实施例将频率信号转换为直流电压信号：
当输入电压>0时，第三运算放大器U03的输出电压大于0，二极管V1截止，二极管V2导通，此时输出电压＝输入电压，
当输入电压<0时，第三运算放大器U03的输出电压小于0，二极管V1导通，二极管V2截止，此时输出电压＝－输入电压。
如图5所示，本实施例的差动放大电路05采用LM747系列芯片，包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、变阻器RP1、第五运算放大器U05、第六运算放大器U06和第七运算放大器U07，第一输入信号连接第五运算放大器U05的反相输入端，第二输入信号连接第七运算放大器U07的反相输入端，第五运算放大器U05的反相输入端与第七运算放大器U07的反相输入端间连接电阻R19，第五运算放大器U05的同相输入端连接电阻R16后接地，第七运算放大器U07的同相输入端连接电阻R20后接地，第五运算放大器U05的反相输入端和输出端间连接电阻R15，第七运算放大器U07的反相输入端和输出端间连接电阻R18，第五运算放大器U05的输出端串联电阻R14后连接第六运算放大器U06的反相输入端，第六运算放大器U06的反相输入端和输出端间连接电阻R13，第七运算放大器U07的输出端和第六运算放大器U06的同相输入端间连接电阻R17，第六运算放大器U06的同相输入端顺序串联电阻R21、变阻器RP1后接地，LM747芯片的管脚13、管脚9连接正向电源VCC，LM747芯片的管脚4连接反向电源VEE。
本实施例在对信号进行差分放大同时，修正信号电路不匹配所带来的误差影响；
如图6所示，本实施例的恒流源驱动电路采用LM747芯片，包括电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、变阻器RP2、第八运算放大器U08、第九运算放大器U09和第十运算放大器U10，输入信号连接第八运算放大器U08的反相输入端，第八运算放大器U08的同相输入端连接模拟地，第九运算放大器U09的同相输入端连接模拟地，第八运算放大器U08的反相输入端和输出端间连接电阻R22，第九运算放大器U09的反相输入端和输出端间连接电阻R24，第八运算放大器U08的输出端串联电阻R23后连接第九运算放大器U09的反相输入端，第九运算放大器U09的输出端串联电阻R25后连接第十运算放大器U10的反相输入端，第十运算放大器U10的反相输入端和输出端间连接电阻R26，第十运算放大器U10的同相输入端和输出端间连接电阻R27，第十运算放大器U10的输出端串联电阻R27后输出控制信号，第十运算放大器U10的输出端顺序串联电阻R27、电阻R28后连接模拟地，LM747芯片的管脚13、管脚9连接正向电源VCC，LM747芯片的管脚4一个支路连接反向电源VEE，另一个支路连接变阻器RP2的滑动端，变阻器RP2连接在LM747芯片的管脚3和管脚14之间。
本实施例的输出电流强度与信号线路负载无关，从而实现压控电流源转换。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种光电弱信号处理系统，包括PSD位移传感器(01)，其特征在于：PSD位移传感器(01)的每一个信号输出端分别顺序连接一个信号采集电路(02)，一个信号滤波电路(03)和一个整流电路(04)，两个整流电路(04)的电流输出端分别连接差动放大电路(05)的一个信号输入端，差动放大电路(05)的信号输出端连接恒流源驱动电路(06)的信号输入端，恒流源驱动电路(06)的信号输出端连接长距离信号电缆的一端，其中：
信号采集电路(02)，用于采集一个信号输出端的μA弱信号，过滤高频谐波成分，将弱信号放大为mA信号；
信号滤波电路(03)，用于屏蔽中频谐波成分，获得低频频段的位移变化电压信号；
整流电路(04)，用于将位移变化电压信号转换为位移变化的直流电压信号；
差动放大电路(05)，用于对接入的两路差模信号进行放大，修正信号误差，形成精确的位移电压信号；
恒流源驱动电路(06)，用于将输入的位移电压信号转为相应变化的电压信号控制的克服传输阻抗的稳定输出信号源。
2.根据权利要求1所述的光电弱信号处理系统，其特征在于：所述信号采集电路包括电容C01、电阻R01和第一运算放大器U01，第一运算放大器U01的同相输入端接地，第一运算放大器U01的反相输入端串联电阻R01后连接第一运算放大器U01的输出端，电容C01与电阻R01并联。
3.根据权利要求2所述的光电弱信号处理系统，其特征在于：所述信号滤波电路03包括电容C02、电容C03、电阻R02、电阻R03、电阻R04、电阻R05和第二运算放大器U02，第二运算放大器U02的同相输入端接地，第二运算放大器U02的同相输入端顺序串联电阻R05、电阻R04、电容C03后连接反相输入端，第二运算放大器U02的同相输入端顺序串联电阻R05、电阻R04、电容C02后连接输出端，第二运算放大器U02的反相输入端串联电阻R02后连接输出端，输入信号顺序串联电阻R03、电容C03后连接第二运算放大器U02的反相输入端。
4.根据权利要求3所述的光电弱信号处理系统，其特征在于：所述整流电路04包括电阻R06、电阻R07、电阻R08、电阻R09、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C04、二极管V1、二极管V2、第三运算放大器U03和第四运算放大器U04，第四运算放大器U04的同相输入端串联电阻R08后接地，电阻R06和电容C04并联电路的一端连接第四运算放大器U04的输出端，电阻R06和电容C04并联电路的另一端形成两个支路，一个支路连接第四运算放大器U04的反相输入端，另一个支路顺序串联电阻R10、电阻R11后连接第三运算放大器U03的反相输入端，输入信号串联电阻R11后连接第三运算放大器U03的反相输入端，第三运算放大器U03的同相输入端串联电阻R12后接地，第三运算放大器U03的输出端顺序串联二极管V2和电阻R07后连接第四运算放大器U04的反相输入端，二极管V2的正极与电阻R07连接，第三运算放大器U03的输出端连接二极管V1后连接反相输入端，二极管V1的正极连接第三运算放大器U03的输出端，第三运算放大器U03的输出端顺序连接二极管V2和电阻R09后连接第三运算放大器U03的反相输入端，二极管V2的正极与电阻R09连接。
5.根据权利要求4所述的光电弱信号处理系统，其特征在于：所述差动放大电路05包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、变阻器RP1、第五运算放大器U05、第六运算放大器U06和第七运算放大器U07，第一输入信号连接第五运算放大器U05的反相输入端，第二输入信号连接第七运算放大器U07的反相输入端，第五运算放大器U05的反相输入端与第七运算放大器U07的反相输入端间连接电阻R19，第五运算放大器U05的同相输入端连接电阻R16后接地，第七运算放大器U07的同相输入端连接电阻R20后接地，第五运算放大器U05的反相输入端和输出端间连接电阻R15，第七运算放大器U07的反相输入端和输出端间连接电阻R18，第五运算放大器U05的输出端串联电阻R14后连接第六运算放大器U06的反相输入端，第六运算放大器U06的反相输入端和输出端间连接电阻R13，第七运算放大器U07的输出端和第六运算放大器U06的同相输入端间连接电阻R17，第六运算放大器U06的同相输入端顺序串联电阻R21、变阻器RP1后接地。
6.根据权利要求5所述的光电弱信号处理系统，其特征在于：所述恒流源驱动电路包括电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、第八运算放大器U08、第九运算放大器U09和第十运算放大器U10，输入信号连接第八运算放大器U08的反相输入端，第八运算放大器U08的同相输入端连接模拟地，第九运算放大器U09的同相输入端连接模拟地，第八运算放大器U08的反相输入端和输出端间连接电阻R22，第九运算放大器U09的反相输入端和输出端间连接电阻R24，第八运算放大器U08的输出端串联电阻R23后连接第九运算放大器U09的反相输入端，第九运算放大器U09的输出端串联电阻R25后连接第十运算放大器U10的反相输入端，第十运算放大器U10的反相输入端和输出端间连接电阻R26，第十运算放大器U10的同相输入端和输出端间连接电阻R27，第十运算放大器U10的输出端串联电阻R27后输出控制信号，第十运算放大器U10的输出端顺序串联电阻R27、电阻R28后连接模拟地。
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