CN109425366A - 一种用于主动光学微位移传感器的模拟信号处理电路 - Google Patents

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陈文建
戚永军
林天衣
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张婷
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Abstract

本发明公开了一种用于主动光学微位移传感器的模拟信号处理电路。该电路包括：电源电路，为差分放大电路中的运算放大器和相敏检波电路中的乘法器供电，并为有源低通滤波电路中的运算放大器供电；差分放大电路，接收位移传感器和参考传感器的信号，进行差分放大后输出至相敏检波电路；相敏检波电路，一方面接收差分放大电路的输出信号，另一方面接收主动光学微位移传感器的驱动信号，将该两个信号相乘后得到一个高频信号和一个直流信号，并输出至有源低通滤波电路；有源低通滤波电路，滤除所接收信号中的高频信号，将所得直流信号输出至模数转换模块进行转换得到数字信号。本发明具有增益高、噪声小、信号稳定的特点，适用于主动光学系统的后级控制。

Description

一种用于主动光学微位移传感器的模拟信号处理电路
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别是一种用于主动光学微位移传感器的模拟信号处理电路。
背景技术
随着科技的进步，人们对于太空的探索也日益频繁，高分辨、大视场的天文望远镜成为探索太空不可或缺的一步。随着对望远镜分辨率以及量程要求的提高，主动光学系统所扮演的角色也日益重要。按主镜的结构，主动光学可分为两大类：薄镜面技术和拼接技术。两项技术的同时使用要求镜面非常薄，因此就要求固定在镜面后的传感器重量轻、尺寸小，否则传感器的重力作用会使得镜面产生力促进器无法修正的变形。因此，需要一种超轻型，不受间距、倾斜和旋转影且具有足够精度的微位移传感器，以满足现代主动光学技术的要求。电容式位移传感器由于体积小、极板配置灵活以及精度高等优点，成为首选。通常，通过电容极板是工作在交流激励下，且其输出的有用信号很微弱，目前，现有的主动光学系统位传感器处理电路都存在精度低、噪声大的问题，难以检测到传感器的微小位移。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高、噪声小、增益大的用于主动光学微位移传感器的模拟信号处理电路。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于主动光学微位移传感器的模拟信号处理电路，包括电源电路、差分放大电路、相敏检波电路、有源低通滤波电路和模数转换模块，其中：
电源电路，为差分放大电路中的运算放大器和相敏检波电路中的乘法器供电，并为有源低通滤波电路中的运算放大器供电；
差分放大电路，接收主动光学微位移传感器中位移传感器和参考传感器的信号，进行差分放大后输出至相敏检波电路；
相敏检波电路，一方面接收差分放大电路的输出信号，另一方面接收主动光学微位移传感器的驱动信号，将该两个信号相乘后得到一个高频信号和一个直流信号，并输出至有源低通滤波电路；
有源低通滤波电路，滤除所接收信号中的高频信号得到直流信号，并将该直流信号输出至模数转换模块进行转换，得到与该直流信号对应的数字信号。
进一步地，所述电源电路的输入电压为5V，产生±15V、±5V输出；其中，±15V 为差分放大电路中的运算放大器和相敏检波电路中的乘法器供电，±5V为有源低通滤波电路中的运算放大器供电；
所述电源电路的输入输出端均添加LC滤波电路，且LC滤波电路网络的频率不同于DC/DC频率。
进一步地，所述相敏检波电路采用AD734乘法器，差分放大电路的输出信号输入到乘法器X1端，主动光学微位移传感器的驱动信号输入到乘法器Y1端，X2、Y2、U0、 U1、U2端均接地，实现两个信号相乘，完成模拟解调。
进一步地，所述有源低通滤波电路，使用两个二阶巴特沃兹低通滤波器级联的方式组成四阶巴特沃兹低通滤波器，具体包括第一、二运算放大器，第一～四电阻，第一～四电容；其中第一电阻一端连接相敏检波电路的输出端、另一端与第二电阻串联连接到第一运算放大器的正输入端；第二电容一端与第二电阻并联、另一端连接到第一运算放大器的输出端形成反馈网络；第一电容一端连接到第一运算放大器的正输入端、另一端接零点位参考点；第一运算放大器的负输入端与输出端相连；第三电阻一端连接相敏检波电路的输出端、另一端与第四电阻串联连接到第二运算放大器的正输入端；第四电容一端与第四电阻并联、另一端连接到第二运算放大器的输出端形成反馈网络；第三电容一端连接到第二运算放大器的正输入端，另一端接零点位参考点；第二运算放大器的负输入端与输出端相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)将主动光学系统的电容式微位移传感器极板输出的微弱信号进行前置放大、相敏检波以及低通滤波，从而输出一个满足一定幅值要求的位移信号，满足了主动光学系统后续数字处理以及系统控制的要求；(2) 精度高、噪声小、增益大，能够满足进一步的数字处理以及系统主动光学控制的要求。
附图说明
图1为本发明一种模拟信号处理电路的示意图。
图2为本发明的电源设计图。
图3为本发明的前置放大电路设计图。
图4为本发明的乘法器设计电路图。
图5为本发明的四阶巴特沃兹低通滤波器的具体电路图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明用于主动光学微位移传感器的模拟信号处理电路，包括电源电路、差分放大电路、相敏检波电路、有源低通滤波电路和模数转换模块，其中：
电源电路，为差分放大电路中的运算放大器和相敏检波电路中的乘法器供电，并为有源低通滤波电路中的运算放大器供电；
差分放大电路，接收主动光学微位移传感器中位移传感器和参考传感器的信号，进行差分放大后输出至相敏检波电路；
相敏检波电路，一方面接收差分放大电路的输出信号，另一方面接收主动光学微位移传感器的驱动信号，将该两个信号相乘后得到一个高频信号和一个直流信号，并输出至有源低通滤波电路；
有源低通滤波电路，滤除所接收信号中的高频信号得到直流信号，并将该直流信号输出至模数转换模块进行转换，得到与该直流信号对应的数字信号。
进一步地，所述电源电路的输入电压为5V，产生±15V、±5V输出；其中，±15V 为差分放大电路中的运算放大器和相敏检波电路中的乘法器供电，±5V为有源低通滤波电路中的运算放大器供电；
所述电源电路的输入输出端均添加LC滤波电路，且LC滤波电路网络的频率不同于DC/DC频率。
进一步地，所述相敏检波电路采用AD734乘法器，差分放大电路的输出信号输入到乘法器X1端，主动光学微位移传感器的驱动信号输入到乘法器Y1端，X2、Y2、U0、 U1、U2端均接地，实现两个信号相乘，完成模拟解调。
进一步地，所述有源低通滤波电路，使用两个二阶巴特沃兹低通滤波器级联的方式组成四阶巴特沃兹低通滤波器，具体包括第一、二运算放大器A1-S1、A1-S2，第一～四电阻R1-S1、R2-S1、R1-S2、R2-S2，第一～四电容C1-S1、C2-S1、C1-S2、C2-S2；其中第一电阻R1-S1一端连接相敏检波电路的输出端、另一端与第二电阻R2-S1串联连接到第一运算放大器A1-S1的正输入端；第二电容C2-S1一端与第二电阻R2-S1并联、另一端连接到第一运算放大器A1-S1的输出端形成反馈网络；第一电容C1-S1一端连接到第一运算放大器A1-S1的正输入端、另一端接零点位参考点；第一运算放大器A1-S1 的负输入端与输出端相连；第三电阻R1-S2一端连接相敏检波电路的输出端、另一端与第四电阻R2-S2串联连接到第二运算放大器A1-S2的正输入端；第四电容C2-S2一端与第四电阻R2-S2并联、另一端连接到第二运算放大器A1-S2的输出端形成反馈网络；第三电容C1-S2一端连接到第二运算放大器A1-S2的正输入端，另一端接零点位参考点；第二运算放大器A1-S2的负输入端与输出端相连。
实施例1
图1为一种模拟信号处理电路的设计方案示意图。该方案包括电源电路、差分放大电路、相敏检波电路和低通滤波电路。
位于主动光学系统前端的电容式位移测量传感器和参考传感器在交流电源的激励下工作，相邻拼接镜面之间的微小位移将导致两路电容极板输出的电压信号发生变化，该两路电压的输出连接到差分放大器的两个输入端进行高增益的差分放大，之后再通过以模拟乘法器为核心的相敏检波电路进行信号解调，其输出信号的高频成分将被紧随其后的低通滤波器滤除，只剩下反映位移变化的直流信号。
电源电路：系统输入电压为5V，利用电源模块产生±15V、±5V输出。其中，±15V为前置放大电路中的运算放大器和相敏检波电路中的乘法器供电，±5V为有源低通滤波器中的运算放大器供电。图2为本电源电路的原理图。在其输入输出端添加LC滤波电路，可以减小波纹。LC滤波电路网络的频率应与DC/DC频率错开，避免相互干扰。
差分放大电路：图3为差分放大电路原理图。由于传感器获得的信号比较微弱，它需要前置放大才能够进一步进行AD转换。本发明选用集成运算放大器OPA627来实现上述功能。与普通的运算放大器相比，OPA627具有更低的噪声，更低的失调电压和更高的速度，在高精密和高速模拟电路中非常有用。由图3可以知道，其输出电压通过调节电阻就可以得到需要的放大倍数。
相敏检波电路：由于电容传感器采用交流激励，故对其输出信号进行模拟解调，将低通的位移信号与高频的调制信号分开。与包络检波电路相比，相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时还具有选频的能力。从电路结构上看，相敏检波器的输入除了来自电容传感器的被测信号之外，还需要与电容同频同相的参考信号。
图4为相敏检波电路的原理图，其中AD734是一款精密的高速四象限模拟乘法器，它提供低阻抗电压输出，10MHz的全功率(20V峰-峰值)带宽，0.1％的总静态误差(调整、失调和非线性度相加)，以及小于-80dB的典型失真。令X2、Y2和Z2均为0，该乘法器获得输出信号为即实现两个信号的相乘。
低通滤波电路：相敏检波以后，需要低通滤波电路，以得到与被测位移相应的模拟低频输出。该电路将滤出与位移无关的高频成分，将其截止频率设为10kHz。图5为相应的四阶巴特沃兹低通滤波器。巴特沃兹滤波器带通响应最平坦，截止特性也很好。电路中使用的运放为OPA354，它为低噪声高速16位CMOS运算放大器，专为带宽范围大的应用而设计，单位增益稳定，可以驱动大输出电流。低通滤波后，即得到所需的模拟信号。
本发明首先获取来自电容传感器的测量信号和输入信号，然后对其进行差分放大、相敏检波和以及低通滤波，从而得到满足一定幅值要求的模拟位移输出。由于主动光学系统的电容式微位移传感器测量精度要求高，且输入信号非常微弱，容易受到环境、仪器等方面的影响，为了获得准确的结果，进行上述处理是非常必要的。

Claims (4)

1.一种用于主动光学微位移传感器的模拟信号处理电路，其特征在于，包括电源电路、差分放大电路、相敏检波电路、有源低通滤波电路和模数转换模块，其中：
电源电路，为差分放大电路中的运算放大器和相敏检波电路中的乘法器供电，并为有源低通滤波电路中的运算放大器供电；
差分放大电路，接收主动光学微位移传感器中位移传感器和参考传感器的信号，进行差分放大后输出至相敏检波电路；
相敏检波电路，一方面接收差分放大电路的输出信号，另一方面接收主动光学微位移传感器的驱动信号，将该两个信号相乘后得到一个高频信号和一个直流信号，并输出至有源低通滤波电路；
有源低通滤波电路，滤除所接收信号中的高频信号得到直流信号，并将该直流信号输出至模数转换模块进行转换，得到与该直流信号对应的数字信号。
2.根据权利要求1所述的用于主动光学微位移传感器的模拟信号处理电路，其特征在于，所述电源电路的输入电压为5V，产生±15V、±5V输出；其中，±15V为差分放大电路中的运算放大器和相敏检波电路中的乘法器供电，±5V为有源低通滤波电路中的运算放大器供电；
所述电源电路的输入输出端均添加LC滤波电路，且LC滤波电路网络的频率不同于DC/DC频率。
3.根据权利要求1所述的用于主动光学微位移传感器的模拟信号处理电路，其特征在于，所述相敏检波电路采用AD734乘法器，差分放大电路的输出信号输入到乘法器X1端，主动光学微位移传感器的驱动信号输入到乘法器Y1端，X2、Y2、U0、U1、U2端均接地，实现两个信号相乘，完成模拟解调。
4.根据权利1要求所述的用于主动光学微位移传感器的模拟信号处理电路，其特征在于，所述有源低通滤波电路，使用两个二阶巴特沃兹低通滤波器级联的方式组成四阶巴特沃兹低通滤波器，具体包括第一、二运算放大器(A1-S1、A1-S2)，第一～四电阻(R1-S1、R2-S1、R1-S2、R2-S2)，第一～四电容(C1-S1、C2-S1、C1-S2、C2-S2)；其中第一电阻(R1-S1)一端连接相敏检波电路的输出端、另一端与第二电阻(R2-S1)串联连接到第一运算放大器(A1-S1)的正输入端；第二电容(C2-S1)一端与第二电阻(R2-S1)并联、另一端连接到第一运算放大器(A1-S1)的输出端形成反馈网络；第一电容(C1-S1)一端连接到第一运算放大器(A1-S1)的正输入端、另一端接零点位参考点；第一运算放大器(A1-S1)的负输入端与输出端相连；第三电阻(R1-S2)一端连接相敏检波电路的输出端、另一端与第四电阻(R2-S2)串联连接到第二运算放大器(A1-S2)的正输入端；第四电容(C2-S2)一端与第四电阻(R2-S2)并联、另一端连接到第二运算放大器(A1-S2)的输出端形成反馈网络；第三电容(C1-S2)一端连接到第二运算放大器(A1-S2)的正输入端，另一端接零点位参考点；第二运算放大器(A1-S2)的负输入端与输出端相连。
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