CN111044159B - 一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路及其使用方法，该电路包括顺次连接的PC端、ASIC芯片、D/A转换器、第一二阶低通滤波电路、同相放大电路、第二二阶低通滤波电路和室温太赫兹焦平面阵列，PC端通过USB串口线与所述ASIC芯片连接。在PC端软件中输入偏压指令，在ASIC芯片的控制下，将对应偏压指令的十进制数值计算为对应的二进制数值，通过D/A转换器，将输入的二进制数字信号转化为偏压指令模拟信号，该偏压指令模拟信号输出至第一二阶低通滤波电路滤波后进入同相运算放大器进行放大处理，再经过第二二阶低通滤波器进行滤波降噪之后输入给室温太赫兹焦平面阵列。该方案提供一种可调节的偏置电压设计方法，且偏压设计电路精度高、噪声低。

Description

一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路及其使用方法
技术领域
本发明涉及室温太赫兹探测技术领域，特别是涉及一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路及其设计方法。
背景技术
太赫兹辐射是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波，相比于其它电磁波频段具有宽带性、低能性、瞬态性、惧水性、穿透性等特点，在无线通讯、国土安全、无损探测、生物医学等方面有着广泛的应用。
太赫兹探测成像技术是太赫兹科学技术研究领域的重点，是太赫兹科学技术得以广泛应用的关键技术。目前越来越多集成二维传感器的室温太赫兹实时成像仪正在开发和商业化，室温太赫兹焦平面阵列成像仪的小型化、高集成度、低功耗、操作简便以及性能可靠是当前研究的重点和难点，也是太赫兹成像技术的研究热点。
室温太赫兹焦平面阵列可在室温下工作，具有尺寸小、高响应、低噪声等优点，满足军用和民用的太赫兹探测需求。室温太赫兹焦平面阵列内部集成了读出电路，附图1为现有室温太赫兹焦平面读出电路的结构图，所述读出电路由两个MOS管，盲电阻Rb和太赫兹微测辐射热计等效电阻Rs以及电容反馈跨导放大器结构的积分器构成，太赫兹探测器工作时，对焦平面阵列进行逐行扫描(电扫描)，在偏置电压的驱动下，当太赫兹焦平面阵列受到目标太赫兹信号辐射时，微测辐射热计的阻值将发生改变，从而转化成相应的电流或电压信号。所以需要外围驱动电路提供相应的偏置电压VSK、VEB、VFID和VREF，VSK为盲电阻Rb提供偏压，VEB和VFID分别控制Rb和Rs的电流，VREF为积分器提供参考电压，它们的精度、噪声将直接影响到输出信号质量以及最终的成像效果，通过调节不同的偏压值得到合适的输出信号，这样所成的太赫兹图像质量才会更好。
现有技术中，产生室温太赫兹焦平面阵列可调偏置电压的方法有两种，分别为基准源+电阻分压+运放和FPGA+基准源+数字电位器+运放产生偏置电压。基准源+电阻分压的原理是通过改变电阻比例来改变偏压值，这种方式电压分辨率完全由电阻比例决定，而且调试难度大，精度不高。
通过FGPA控制数字电位器经运放产生偏压，其等效原理如附图2 所示：
Figure BDA0002353695790000021
偏压值不仅与数字电位器的阻值有关，而且与外围分压电阻R1/(R2+R1) 的有关，从上式可以看出，偏压Vout并非随数字电位器的阻值呈线性变化，且分辨率也与数字电位器的阻值有关，不为定值。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路，能够调节不同太赫兹焦平面阵列所需的不同偏压值和最合适的偏压值。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路及其使用方法。
一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路包括顺次连接的PC端、ASIC芯片、D/A转换器、第一二阶低通滤波电路、同相放大电路、第二二阶低通滤波电路和室温太赫兹焦平面阵列；所述PC端通过USB串口线与所述ASIC芯片连接。
具体地，所述ASIC芯片具体为JL7603,所述ASIC芯片的SDA引脚、 SCL引脚通过SDA数据线、SCL数据线与所述D/A转换器的输入端连接，所述D/A转换器包括DAC和内部电压参考源，所述D/A转换器选用4 路模拟输出，所述DAC型号具体为AD5694R，所述DAC的输出引脚为 VAnalog，所述VAnalog包括四路模拟电压输出引脚：VoutA引脚、VoutB引脚、 VoutV引脚和VoutD引脚，所述VAnalog输出端与所述第一二阶低通滤波器的输入端连接；所述DAC还包括内部集成的电压参考源，所述电压参考源通过引脚VREF与所述VoutA引脚、VoutB引脚、VoutC引脚和VoutD引脚连接。
其4路模拟输出刚出与4路偏置电压一一对应，其主要功能是将二进制数字输入转为为模拟信号输出，转换函数为： Vout＝Vref×Gain[D/2N]，其中Vref为电压基准源，由D/A转换器内部集成，无需外围电路提供。D为二进制数字输入，N为分辨率，当N值越大，得到的模拟信号分辨率更小，可以为太赫兹焦平面提供更精确的偏置电压。
所述D/A转换器其内部会产生随机噪声，以及防止外部信号对模拟输出信号的干扰，采用所述第一二阶低通滤波电路对模拟输出信号的滤波，具体地，所述第一二阶低通滤波电路包括第一电阻R1、第二电阻 R2、第一电容C1和第二电容C2，所述第一电阻R1的输入端与所述D/A 转换器的输出端连接，所述第一电阻R1的输出端与所述第二电阻R2的输入端连接，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的公共连接点与所述第一电容C1的输入端连接，所述第一电容C1的输出端接地，所述第二电阻R2的输出端与所述第二电容C2的输入端连接，所述第二电阻R2 和所述第二电容C2的公共连接点与所述同相放大电路的输入端连接。
所述同相放大电路对滤波后的模拟信号进行放大处理，达到太赫兹焦平面阵列偏压要求的范围，同相则不改变信号的相位，保证信号值为正值。
具体地，所述同相放大电路包括放大器、第三电阻R3和第四电阻 R4，所述放大器的正极输入端与所述第二电阻R2和所述第二电容C2的公共连接点连接，所述放大器的负极输入端与所述第三电阻R3连接，所述第三电阻R3另一端接地，所述放大器的负极输入端与所述第三电阻R3的公共连接点与所述第四电阻R4的输入端连接，所述第四电阻R4 的输出端与所述放大器的输出端连接，所述第二电容C2的输出端与所述四电阻R4和放大器的公共连接点连接。
所述同相放大电路内部会产生随机高频噪声，同时外部高频信号会对焦平面阵列产生干扰，进一步使用第二二阶低通滤波电路对同相放大后的模拟信号进行滤波降噪。
具体地，所述第二二阶低通滤波电路包括第五电阻R5、第六电阻 R6、第三电容C3和第四电容C4，所述第五电阻R5的输入端与所述同相放大电路的输出端连接，所述第五电阻R5的输出端与所述第六电阻R6 的输入端连接，其公共连接点与所述第三电容C3的输入端连接，所述第三电容C3的输出端接地，所述第六电阻R6的输出端与所述第四电容 C4的输入端连接，所述第四电容C4的输出端接地。
具体地，所述室温太赫兹焦平面阵列的输入端包括引脚VSK引脚、 VEB引脚、VFID引脚和VREF引脚均与所述第二二阶低通滤波电路的输出端连接。所述室温太赫兹焦平面阵列包含基于太赫兹微测辐射热计的像元积分电路，将滤波降噪后的放大信号接入至焦平面阵列的对应管脚，为焦平面阵列提供偏置电压。通过改变所述PC端的输入值，实现偏置电压的调节。
一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路使用方法包括以下步骤：
S1.在PC端软件中输入偏压指令，在所述ASIC芯片的控制下，将对应偏压指令的十进制数值计算为对应的二进制数值；
S2.所述二进制数值输入至D/A转换器中，将输入的二进制数字信号转化为偏压指令模拟信号；
S3.所述偏压指令模拟信号输出至所述第一二阶低通滤波电路滤波后进入同相运算放大器进行放大处理；
S4.再将适当放大运算后的模拟信号经过所述第二二阶低通滤波电路进行滤波降噪之后输入给室温太赫兹焦平面阵列。
具体地，在所述PC端中更改偏压的数值，间接地改变D/A转换器的数字输入，进而调整太赫兹焦平面阵列偏置电压。
具体地，所述步骤S2中，所述D/A转换器内部集成基准源，在进行偏压电路设计时无需外围电路提供基准源。
具体地，所述步骤S2中，所述偏压指令模拟信号的分辨率完全由 D/A转换器决定，当采用高分辨率的D/A转换器时，便可获得高分辨率的偏置电压。
该设计方法通过在PC端调节输入数值，间接实现室温太赫兹焦平面阵列偏置电压的可调。
本发明的有益效果是：(1)在D/A转换器中，输出电压只与输入数值和D/A转换器的分辨率有关，不受外围电阻的影响且无需外围电路匹配电压参考源；(2)设计二阶低通滤波器和同相运算放大电路，消除D/A 转换器和放大器等器件内部的随机噪声和外部高频信号对偏置电压的影响，以及放大后的模拟信号符合焦平面处于良好工作状态下的电压范围；(3)只需在PC端调试软件上改变输入的十进制数值，能够得到线性变化可调的偏置电压，调节的灵活性强；
附图说明
图1是本发明室温太赫兹焦平面阵列读出电路结构示意图；
图2是现有技术的基于数字电位器可调偏压方案示意图；
图3是本发明电路结构示意图；
图4是本发明设计方法流程图；
图5是二阶巴特沃斯低通滤波器归一化幅频响应曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚和完整，以下结合附图对本发明作进一步地的阐述。
实施例一：
下面以ASIC芯片JL7603B，14位的D/A转换器AD5694以及320*240 阵列规模的室温太赫兹焦平面阵列探测器为例，详细描述一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路。
如图3所示，该偏压调节电路包括顺次连接的PC端、ASIC芯片、 D/A转换器、第一二阶低通滤波器、同相放大电路、第二二阶低通滤波器和室温太赫兹焦平面阵列；PC端通过USB串口线与ASIC芯片连接，ASIC芯片通过将UART转为USB串口与PC端连接相互通信。ASIC芯片的SDA引脚、SCL引脚通过SDA数据线、SCL数据线与D/A转换器的输入端连接。ASIC芯片将PC端输入的偏压数值经内部代码处理为相对应的二进制数值，作为AD5694的数字输入。
进一步地，D/A转换器包括DAC和内部电压参考源，DAC型号具体为AD5694R，DAC的输出引脚为VAnalog，所述VAnalog包括四路模拟电压输出引脚：VoutA引脚、VoutB引脚、VoutC引脚和VoutD引脚，所述VAnalog输出端与所述第一二阶低通滤波器的输入端连接；所述DAC还包括内部集成的电压参考源，所述电压参考源通过引脚VREF与所述VoutA引脚、 VoutB引脚、VoutC引脚和VoutD引脚连接。
进一步地，该进入D/A转换器的二进制数字信号通过AD5694R的 I2C接口，在时钟控制线SCL的控制下，数据由SDA数据线写入，经 AD5694R处理后输出4路模拟信号，分别为VOUTA、VOUTB、VOUTC、VOUTD，如附图4中的数模转换模块所示，其转换函数为：
Vout＝Vref×Gain[D/2N]
式中D为二进制数字信号，N为14，Vref为芯片内部参考电压，默认值为2.5V，由上式可知AD5694R的最大模拟输出为2.5V,进一步的可得出调节精度为2.5V×1/214＝15.25μV。
进一步地，2.5V不满足太赫兹焦平面阵列的偏压范围，将AD5694R 的输出电压进行同相放大处理，为了消除AD5694R器件内部的噪声和外部信号对输出电压的影响，在同相放大之前进行二阶低通滤波。
如图3中所示，第一二阶低通滤波电路包括第一电阻R1、第二电阻 R2、第一电容C1和第二电容C2，第一电阻R1的输入端与D/A转换器的输出端连接，第一电阻R1的输出端与第二电阻R2的输入端连接，第一电阻R1和第二电阻R2的公共连接点与第一电容C1的输入端连接，第一电容C1的输出端接地，第二电阻R2的输出端与第二电容C2的输入端连接，第二电阻R2和所述第二电容C2的公共连接点与同相放大电路的输入端连接。
进一步地，在第一二阶低通滤波电路中，其传递函数为：
Figure BDA0002353695790000081
其中：
Figure BDA0002353695790000082
Figure BDA0002353695790000085
根据传递函数可得到二阶巴特沃斯低通滤波器归一化幅频响应曲线，如图5所示。从图中可以明显看出高于截止频率的频段会被滤波器过滤到。
进一步地，设通带的截止频率为ωc：则
Figure BDA0002353695790000083
即
Figure BDA0002353695790000084
解得：ωc＝1/2.672RC该式表明了第一二阶低通滤波电路的截止频率与电路参数R、C的关系，通过改变RC的来调节滤波电路的带宽，根据太赫兹焦平面阵列的要求，选取合适的RC值达到减少高频噪声的目的。
进一步地，将滤波后的信号接入AD8606放大器进行同相放大，同相放大电路包括放大器、第三电阻R3和第四电阻R4，放大器的正极输入端与第二电阻R2和第二电容C2的公共连接点连接，放大器的负极输入端与第三电阻R3连接，第三电阻R3另一端接地，放大器的负极输入端与第三电阻R3的公共连接点与第四电阻R4的输入端连接，第四电阻 R4的输出端与放大器的输出端连接，第二电容C2的输出端与四电阻R4 和放大器的公共连接点连接。
同相放大电路在不改变模拟电压相位的前提下达到太赫兹焦平面阵列偏压的要求范围。
进一步地，将放大后的模拟信号通过第二二阶低通滤波电路进行二阶滤波降噪，第二二阶低通滤波电路包括第五电阻R5、第六电阻R6、第三电容C3和第四电容C4，第五电阻R5的输入端与同相放大电路的输出端连接，第五电阻R5的输出端与第六电阻R6的输入端连接，其公共连接点与所述第三电容C3的输入端连接，第三电容C3的输出端接地，第六电阻R6的输出端与所述第四电容C4的输入端连接，第四电容C4 的输出端接地。
第二二阶低通滤波电路降低放大器AD8606内部噪声以及外部高频噪声对太赫兹焦平面阵列偏置电压的影响。
进一步地，室温太赫兹焦平面阵列的输入端包括引脚VSK引脚、VEB引脚、VFID引脚和VREF引脚均与所述第二二阶低通滤波器的输出端连接。将滤波后的电压接入太赫兹焦平面阵列偏置电压的引脚，为太赫兹焦平面阵列提供高分辨率、低噪声的直流偏置电压。
实施例二：
如图1所示，室温太赫兹焦平面阵列内部包括基于太赫兹微测辐射热计的像元积分电路，共有四路偏置电压分别为VSK、VEB、VFID和VREF，其范围在0-5V之间。VSK为盲电阻提供偏压，VEB和VFID分别控制盲电阻和太赫兹微测辐射热计等效电阻的电流，VREF为积分器的参考电压，四路偏置电压对输出电压Vout有着至关重要的作用，不同的偏置电压驱动会得到不同的输出电压值，故需将偏压设计为可调的。
如图4所示，提供一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路使用方法，包括以下步骤：
S1.在所述PC端软件中输入偏压指令，在所述ASIC芯片的控制下，将对应偏压指令的十进制数值计算为对应的二进制数值；
S2.所述二进制数值输入至D/A转换器中，将输入的二进制数字信号转化为偏压指令模拟信号；
S3.所述偏压指令模拟信号输出至所述第一二阶低通滤波电路滤波后进入同相运算放大器进行放大处理；
S4.再将放大运算后的模拟信号经过所述第二二阶低通滤波电路进行滤波降噪之后输入给室温太赫兹焦平面阵列。
进一步地，所述步骤S2中，所述D/A转换器内部集成基准源，在进行偏压电路设计时无需外围电路提供基准源。所述步骤S2中所述偏压指令模拟信号的分辨率完全由D/A转换器决定，当采用高分辨率的 D/A转换器时，便可获得高分辨率的偏置电压。
最终，在所述PC端中更改偏压的数值，间接地改变D/A转换器的数字输入，进而调整太赫兹焦平面阵列偏置电压。按照图4的工作流程之后，最终实现太赫兹焦平面阵列偏置电压的可调。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路，其特征在于：包括顺次连接的PC端、ASIC芯片、D/A转换器、第一二阶低通滤波电路、同相放大电路、第二二阶低通滤波电路和室温太赫兹焦平面阵列；所述PC端通过USB串口线与所述ASIC芯片连接，所述ASIC芯片的SDA引脚通过SDA数据线与所述D/A转换器的一个输入端连接，所述ASIC芯片的SCL引脚通过SCL数据线与所述D/A转换器的另一个输入端连接；所述D/A转换器包括DAC，所述DAC的输出引脚为VAnalog，所述VAnalog输出端与所述第一二阶低通滤波器的输入端连接；
所述ASIC芯片具体为JL7603；所述DAC型号具体为AD5694R，所述VAnalog包括四路模拟电压输出引脚：VoutA引脚、VoutB引脚、VoutC引脚和VoutD引脚，所述VAnalog输出端与所述第一二阶低通滤波器的输入端连接；所述D/A转换器还包括内部集成的电压参考源，所述电压参考源通过引脚VREF与所述VoutA引脚、VoutB引脚、VoutC引脚和VoutD引脚连接；
所述AD5694R的四路模拟电压输出引脚分别输出4路模拟电压信号，所述输出的4路模拟电压信号的分辨率完全由D/A转换器决定，当采用高分辨率的D/A转换器时，获得高分辨率的偏置电压。
2.根据权利要求1所述的一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路，其特征在于：所述第一二阶低通滤波电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2，所述第一电阻R1的输入端与所述D/A转换器的输出端连接，所述第一电阻R1的输出端与所述第二电阻R2的输入端连接，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的公共连接点与所述第一电容C1的输入端连接，所述第一电容C1的输出端接地，所述第二电阻R2的输出端与所述第二电容C2的输入端连接，所述第二电阻R2和所述第二电容C2的公共连接点与所述同相放大电路的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路，其特征在于：所述同相放大电路包括放大器、第三电阻R3和第四电阻R4，所述放大器的正极输入端与所述第二电阻R2和所述第二电容C2的公共连接点连接，所述放大器的负极输入端与所述第三电阻R3连接，所述第三电阻R3另一端接地，所述放大器的负极输入端与所述第三电阻R3的公共连接点与所述第四电阻R4的输入端连接，所述第四电阻R4的输出端与所述放大器的输出端连接，所述第二电容C2的输出端与所述四电阻R4和放大器的公共连接点连接。
4.根据权利要求1所述的一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路，其特征在于：所述第二二阶低通滤波电路包括第五电阻R5、第六电阻R6、第三电容C3和第四电容C4，所述第五电阻R5的输入端与所述同相放大电路的输出端连接，所述第五电阻R5的输出端与所述第六电阻R6的输入端连接，其公共连接点与所述第三电容C3的输入端连接，所述第三电容C3的输出端接地，所述第六电阻R6的输出端与所述第四电容C4的输入端连接，所述 第四电容C4的输出端接地。
5.根据权利要求1所述的一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路，其特征在于：所述室温太赫兹焦平面阵列的输入端包括引脚VSK引脚、VEB引脚、VFID引脚和VREF引脚均与所述第二二阶低通滤波电路的输出端连接。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.在所述PC端软件中输入偏压指令，在所述ASIC芯片的控制下，将对应偏压指令的十进制数值计算为对应的二进制数值；
S2.所述二进制数值输入至D/A转换器中，将输入的二进制数字信号转化为偏压指令模拟信号；
S3.所述偏压指令模拟信号输出至所述第一二阶低通滤波电路滤波后进入同相运算放大器进行放大处理；
S4.再将放大运算后的模拟信号经过所述第二二阶低通滤波电路进行滤波降噪之后输入给室温太赫兹焦平面阵列。
7.根据权利要求6所述的一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路使用方法，其特征在于：在所述PC端中更改偏压的数值，间接地改变D/A转换器的数字输入，进而调整太赫兹焦平面阵列偏置电压。
8.根据权利要求6所述的一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路使用方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述D/A转换器内部集成基准源，在进行偏压电路设计时无需外围电路提供基准源。
9.根据权利要求6所述的一种室温太赫兹焦平面阵列偏压调节电路使用方法，其特征在于：所述步骤S2中所述偏压指令模拟信号的分辨率完全由D/A转换器决定，当采用高分辨率的D/A转换器时，便可获得高分辨率的偏置电压。
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