CN114894317B - 一种用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，包括主控制器模块、行列选择模块、信号检测模块、锁相放大模块、模数转化模块、电源转换模块以及上位机；所述主控制器模块连接行列选择模块，对行列选择进行时序控制；所述行列选择模块输入由光电导型红外探测器阵列提供，输出连接信号检测模块；所述信号检测模块的输出连接锁相放大模块；所述锁相放大模块的参考输入由光学斩波器的频率输出提供，输出连接模数转化模块；所述模数转化模块的输出连接主控制器模块；所述主控制器模块将运算后的数据上传至上位机。本发明由分立元件搭建的红外探测器读出电路系统，既能够适用于多种不同的探测器阵列，又能够降低研发成本。

Description

一种用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统

技术领域

本发明涉及红外探测领域，尤其设计到一种用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统。

背景技术

红外探测技术是一项重要的信息技术，它把人类的视觉范围从可见光谱区扩展到了红外光谱区，使许多原本存在但又不能凭肉眼感知的热像变得可见，这极大地丰富了人类的视觉“色彩”，从而加深了对自然界本质的认识和理解。当今社会，随着科学技术的飞速发展，红外探测技术也在迅速成长着，广泛应用于工业、民用、军事等领域，包括工业监控、短波红外监视、机器视觉、近红外医学成像、红外制导等，极大地改变了我们的生活方式。

其中，红外探测技术一种应用是红外焦平面阵列，红外焦平面阵列是由红外探测器阵列和读出电路阵列组成，其中，红外焦平面阵列读出电路是红外焦平面阵列研制的关键技术之一，它的性能优劣直接影响到红外焦平面阵列，甚至整个红外系统的性能。红外探测敏感元把红外辐射转换成电信号，电信号如何读取、处理和移出，这是红外焦平面读出电路的一个重要功能。如今红外焦平面阵列逐渐向高集成度，大阵列，单像素小尺寸的方向发展，对于读出电路的设计也提出了更高的要求。如专利申请201610855933.8公开了一种红外探测器阵列级封装结构及其制造方法，所述红外探测器阵列级封装结构包括：基底，所述基底包括衬底以及位于部分衬底表面的读出电路；薄膜层，所述薄膜层部分位于所述读出电路外侧的衬底表面，与所述衬底之间形成真空腔；吸气剂层，所述吸气剂层位于所述真空腔内部的基底表面；红外传感器单元，所述红外传感器单元位于所述真空腔内的读出电路上方与所述读出电路连接。

在我国，对于读出电路的研究多是为国产的红外探测器阵列进行适配，读出电路的发展往往受制于红外焦平面的发展。

传统的焦平面读出电路是集成在硅衬底上，形成单片红外焦平面。单片读出电路的基本功能是为阵列中的每个像素单元依次提供短偏置脉冲，同时连续测量每个像素单元的电流或电压信号。但是这种读出电路只能够对探测器阵列进行单独适配，工艺复杂，对于探测器研发初期的成像测试来说成本通常较高，因此建立一套由分立元件搭建的红外探测器读出电路系统，既能够适用于多种不同的探测器阵列，又能够降低研发成本成为迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，该系统由分立元件搭建的红外探测器读出电路系统，既能够适用于多种不同的探测器阵列，又能够降低研发成本，同时方便日后对其进行升级。

有鉴于此，本发明是这样实现的：

一种用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，包括主控制器模块、行列选择模块、信号检测模块、锁相放大模块、模数转化模块、电源转换模块以及上位机；所述主控制器模块连接行列选择模块，对行列选择进行时序控制；所述行列选择模块输入由光电导型红外探测器阵列提供，输出连接信号检测模块；所述信号检测模块的输出连接锁相放大模块；所述锁相放大模块的参考输入由光学斩波器的频率输出提供，输出连接模数转化模块；所述模数转化模块的输出连接主控制器模块；所述主控制器模块将运算后的数据上传至上位机，达到显示探测器阵列接收到的图像的目的。

所述主控制器模块包括集成芯片U1、集成芯片U2、按键SW1、按键SW2、按键SW3、指示灯LED1、指示灯LED2、肖特基二极管D1、晶振X1以及显示屏接口JP1，所述集成芯片U1的型号为STC15W4K56S4，所述集成芯片U2的型号为CH340G。

优选的，所述按键SW1和按键SW2的第一端分别连接集成芯片U1的管脚12和管脚11，所述按键SW1和按键SW2的第二端均接地；所述按键SW3的第一端连接﹢5V与极性电容CP1的正极，所述按键SW3的第二端连接﹢5V与极性电容CP1的负极、电阻R1的第一端以及集成芯片U1的管脚14，所述电阻R1的第二端接地。

优选的，所述指示灯LED1和指示灯LED2的正极分别连接电阻R2和电阻R3的第二端，所述指示灯LED1和指示灯LED2的负极分别连接集成芯片U1的管脚13和管脚16，所述电阻R2和电阻R3的第一端均连接﹢5V。

优选的，所述显示屏接口JP1的管脚1连接地，所述显示屏接口JP1的管脚2连接﹢5V，所述显示屏接口JP1的管脚3、管脚4、管脚5、管脚6以及管脚7分别连接集成芯片U1的管脚47、管脚46、管脚45、管脚44以及管脚43。

优选的，所述晶振X1的第一端连接电容C2的第二端和集成芯片U2的端口7，所述晶振X1的第二端连接电容C3的第二端和集成芯片U2的端口8；所述电容C2和电容C3的第一端均接地；所述集成芯片U2的管脚2连接肖特基二极管的负极，所述肖特基二极管的正极和所述集成芯片U2的管脚3分别连接集成芯片U1的管脚19和管脚20。

优选的，所述行列选择模块包括集成芯片U3、集成芯片U4、集成芯片U5、集成芯片U6、集成芯片U7、集成芯片U8、集成芯片U9、集成芯片U10、集成芯片U11、集成芯片U12、集成芯片U13、集成芯片U14、接口JP5、接口JP6、电位器RP1以及电位器RP2，所述集成芯片U7和集成芯片U12的型号均为74HC4514，所述集成芯片U3、集成芯片U4、集成芯片U5、集成芯片U6、集成芯片U8、集成芯片U9、集成芯片U10以及集成芯片U11的型号均为TMUX1134，所述集成芯片U13和集成芯片U14的型号均为ADA4522-1。

优选的，所述接口JP5的管脚1、管脚2、管脚3以及管脚4分别连接集成芯片U3的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP5的管脚5、管脚6、管脚7以及管脚8分别连接集成芯片U4的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP5的管脚9、管脚10、管脚11以及管脚12分别连接集成芯片U5的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP5的管脚13、管脚14、管脚15以及管脚16分别连接集成芯片U5的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18。

优选的，所述接口JP6的管脚1、管脚2、管脚3以及管脚4分别连接集成芯片U8的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP6的管脚5、管脚6、管脚7以及管脚8分别连接集成芯片U9的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP6的管脚9、管脚10、管脚11以及管脚12分别连接集成芯片U10的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP6的管脚13、管脚14、管脚15以及管脚16分别连接集成芯片U11的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18。

优选的，所述集成芯片U7的管脚1连接﹢5V，所述集成芯片U7的管脚2、管脚3、管脚21、管脚22以及管脚23分别连接集成芯片U1的管脚5、管脚6、管脚8、管脚9以及管脚10，所述集成芯片U7的管脚11、管脚9、管脚10以及管脚8分别连接集成芯片U3的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U7的管脚7、管脚6、管脚5以及管脚4分别连接集成芯片U4的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U7的管脚18、管脚17、管脚20以及管脚19分别连接集成芯片U5的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U7的管脚14、管脚13、管脚16以及管脚15分别连接集成芯片U6的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20。

优选的，所述集成芯片U12的管脚1连接﹢5V，所述集成芯片U12的管脚2、管脚3、管脚21、管脚22以及管脚23分别连接集成芯片U1的管脚33、管脚34、管脚35、管脚36以及管脚37，所述集成芯片U12的管脚11、管脚9、管脚10以及管脚8分别连接集成芯片U8的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U12的管脚7、管脚6、管脚5以及管脚4分别连接集成芯片U9的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U12的管脚18、管脚17、管脚20以及管脚19分别连接集成芯片U10的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U12的管脚14、管脚13、管脚16以及管脚15分别连接集成芯片U11的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20。

优选的，所述集成芯片U13的管脚3连接集成芯片U14的管脚3、集成芯片U3、集成芯片U4、集成芯片U5、集成芯片U6的管脚2、管脚9、管脚12、管脚19、电位器RP1的第一电阻端以及电位器RP2的第一电阻端，所述电位器RP1的第二电阻端和滑片端均接地，所述电位器RP2的第二电阻端和滑片端均接地，所述集成芯片U13的管脚6连接集成芯片U13的管脚2、集成芯片U3、集成芯片U4、集成芯片U5、集成芯片U6的管脚4、管脚7、管脚14、管脚17，所述集成芯片U14的管脚6连接集成芯片U14的管脚2、集成芯片U8、集成芯片U9、集成芯片U10、集成芯片U11的管脚4、管脚7、管脚14、管脚17。

优选的，所述信号检测模块包括集成芯片U15和电位器RP3，所述集成芯片U15的型号为MAX9919。

优选的，所述集成芯片U15的管脚1连接VBias和电位器RP3的第一电阻端，所述集成芯片U15的管脚2连接电位器RP3的第二电阻端、滑片端以及集成芯片U13的管脚3，所述集成芯片U15的管脚4、管脚7以及管脚9均接地，所述集成芯片U15的管脚5连接电容C18的第一端，所述电容C18的第二端连接电阻R36的第一端，所述电阻R36的第二端接地。

所述锁相放大模块包括放大电路子模块、带通滤波电路子模块、移相电路子模块、第一锁相电路子模块、第二锁相电路子模块、第一滤波电路子模块以及第二滤波电路子模块。

优选的，所述放大电路子模块包括集成芯片U18和电位器RP4，所述集成芯片U18的型号为ADA4522-1。

优选的，所述集成芯片U18的管脚2连接电阻R37的第二端和电位器RP4的第一电阻端，所述电阻R37的第一端接地，所述电位器RP4的第二电阻端和滑片端连接集成芯片U18的管脚6，所述集成芯片U18的管脚3连接信号检测模块中电容C18的第二端和电阻R36的第一端。

优选的，所述带通滤波电路子模块包括集成芯片U22和SMA接口JP7，所述集成芯片U22的型号为ADA4522-2。

优选的，所述SMA接口的内端连接电阻R50的第一端，所述电阻R50的第二端连接电容C29的第一端、连接电容C31的第一端以及电阻R54的第一端，所述电容C29的第二端连接电阻R48的第一端、电阻R51的第一端、电阻R52的第一端以及集成芯片U22的管脚1，所述电容C31的第二端连接电阻R48的第二端和集成芯片U22的管脚2，所述电阻R52的第二端连接电阻R56的第一端和集成芯片U22的管脚3，所述电阻R51的第二端连接电容C30的第一端、连接电容C32的第一端以及电阻R55的第一端，所述电容C30的第二端连接电阻R49的第一端、电阻R53的第一端以及集成芯片U22的管脚7，所述电容C32的第二端连接电阻R49的第二端和集成芯片U22的管脚6，所述电阻R53的第二端连接电阻R57的第一端和集成芯片U22的管脚5，所述SMA接口的外端、电阻R54的第二端、电阻R56的第二端、电阻R55的第二端以及电阻R57的第二端均接地。

优选的，所述移相电路子模块包括集成芯片U20和电位器RP5，所述集成芯片U20的型号为ADA4522-1。

优选的，所述电容C24的第一端连接集成芯片U22的管脚7和电阻R46的第一端，所述电容C24的第二端连接集成芯片U20的管脚3和电位器RP5的第一电阻端，所述电位器RP5的第二电阻端和滑片端均接地，所述电阻R46的第二端连接电阻R47的第一端和集成芯片U20的管脚2，所述电阻R47的第二端连接集成芯片U20的管脚6。

优选的，所述第一锁相电路子模块包括集成芯片U16，所述集成芯片U16的型号为AD630。

优选的，所述集成芯片U16的管脚1连接集成芯片U16的管脚16和集成芯片U18的管脚6，所述集成芯片U16的管脚3连接集成芯片U16的管脚4，所述集成芯片U16的管脚5连接集成芯片U16的管脚6，所述集成芯片U16的管脚10连接集成芯片U22的管脚7，所述集成芯片U16的管脚15连接集成芯片U16的管脚19和管脚20，所述集成芯片U16的管脚9、管脚14以及管脚17均接地。

优选的，所述第二锁相电路子模块包括集成芯片U19，所述集成芯片U19的型号为AD630。

优选的，所述集成芯片U19的管脚1连接集成芯片U19的管脚16和集成芯片U18的管脚6，所述集成芯片U19的管脚3连接集成芯片U19的管脚4，所述集成芯片U19的管脚5连接集成芯片U19的管脚6，所述集成芯片U19的管脚10连接集成芯片U20的管脚6，所述集成芯片U19的管脚15连接集成芯片U19的管脚19和管脚20，所述集成芯片U19的管脚9、管脚14以及管脚17均接地。

优选的，所述第一滤波电路子模块包括集成芯片U17，所述集成芯片U17的型号为ADA4522-2。

优选的，所述电阻R40的第一端连接集成芯片U16的管脚13，所述电阻R40的第二端连接电阻R41的第一端和电容C22的第一端，所述电阻R41的第二端连接电容C21的第一端和集成芯片U17的管脚5，所述电容C22的第二端连接集成芯片U17的管脚6、管脚7以及电阻R38的第一端，所述电阻R38的第二端连接电阻R39的第一端和电容C23的第一端，所述电阻R39的第二端连接电容C20的第一端和集成芯片U17的管脚3，所述电容C23的第二端连接集成芯片U17的管脚1、管脚2，所述电容C20的第二端和电容C21的第二端均接地。

优选的，所述第二滤波电路子模块包括集成芯片U21，所述集成芯片U21的型号为ADA4522-2。

优选的，所述电阻R44的第一端连接集成芯片U19的管脚13，所述电阻R44的第二端连接电阻R45的第一端和电容C27的第一端，所述电阻R45的第二端连接电容C26的第一端和集成芯片U21的管脚5，所述电容C27的第二端连接集成芯片U20的管脚6、管脚7以及电阻R42的第一端，所述电阻R42的第二端连接电阻R43的第一端和电容C28的第一端，所述电阻R43的第二端连接电容C25的第一端和集成芯片U21的管脚3，所述电容C28的第二端连接集成芯片U21的管脚1、管脚2，所述电容C25的第二端和电容C26的第二端均接地。

优选的，所述模数转换模块包括集成芯片U23、集成芯片U24以及集成芯片U25，所述集成芯片U23和集成芯片U24的型号均为AD7895-AR3，所述集成芯片U25的型号为AD780。

优选的，所述集成芯片U23的管脚1连接集成芯片U25的管脚6，所述集成芯片U23的管脚2连接集成芯片U17的管脚1，所述集成芯片U23的管脚4、管脚5、管脚6以及管脚7分别连接集成芯片U1的管脚41、管脚38、管脚39以及管脚40。

优选的，所述集成芯片U24的管脚1连接集成芯片U25的管脚6，所述集成芯片U24的管脚2连接集成芯片U21的管脚1，所述集成芯片U24的管脚4、管脚5、管脚6以及管脚7分别连接集成芯片U1的管脚29、管脚32、管脚31以及管脚30。

优选的，所述集成芯片U25的管脚2连接+5V和电容C49的第一端，所述集成芯片U25的管脚4连接地和电容C49的第二端。

优选的，所述电源转换模块包括集成芯片U26、集成芯片U27、集成芯片U28、集成芯片U29、集成芯片U30、集成芯片U31、集成芯片U32、指示灯LED35、肖特基二极管D2、自恢复保险丝FUSE1、电位器RP6、自锁开关SW4以及USB Type-C接口USB1，所述集成芯片U26和集成芯片U27的型号均为MAX682，所述集成芯片U28、集成芯片U29以及集成芯片U30的型号均为MAX660，所述集成芯片U31的型号为ADA4522-1，所述集成芯片U32的型号为REF5045。

优选的，所述USB Type-C接口USB1的管脚A4、管脚B4、管脚A9以及管脚B9均连接肖特基二极管D2的正极，所述肖特基二极管D2的负极连接电容C50的第一端、极性电容CP2的正极以及自锁开关SW4的管脚2，所述自锁开关SW4的管脚1连接指示灯LED35的正极，所述指示灯LED35的负极连接电阻R60的第一端，所述电阻R60的第二端、极性电容CP2的负极以及电容C50的第二端均连接自恢复保险丝FUSE1的第二端和地，所述自恢复保险丝FUSE1的第一端连接USB Type-C接口USB1的管脚A1、管脚B1、管脚A12以及管脚B12，所述USB Type-C接口USB1的管脚A6和管脚B6均连接电阻R58的第一端，所述电阻R58的第二端连接集成芯片U2的管脚5，所述USB Type-C接口USB1的管脚A7和管脚B7均连接电阻R59的第一端，所述电阻R59的第二端连接集成芯片U2的管脚6。

优选的，所述集成芯片U26的管脚1连接集成芯片U26的管脚3、集成芯片U27的管脚1、集成芯片U27的管脚3、电容C51的第一端、电容C52的第一端、电阻R61的第一端、电阻R62的第一端以及自锁开关SW4的管脚1，所述集成芯片U26的管脚2连接电阻R61的第二端，所述集成芯片U26的管脚6连接电容C54的第二端，所述集成芯片U26的管脚7连接电容C54的第一端，所述集成芯片U27的管脚2连接电阻R62的第二端，所述集成芯片U27的管脚6连接电容C55的第二端，所述集成芯片U27的管脚7连接电容C55的第一端，所述集成芯片U26的管脚8、集成芯片U27的管脚8均连接﹢5V和电容C53的第一端，所述集成芯片U26的管脚4、管脚5、所述集成芯片U27的管脚4、管脚5、电容C51的第二端、电容C52的第二端以及电容C53的第二端均接地。

优选的，所述集成芯片U28的管脚1和管脚8均连接电容C59的第一端和﹢10V，所述集成芯片U28的管脚2连接电容C56的第一端，所述集成芯片U28的管脚3连接﹢5V，所述集成芯片U28的管脚4连接电容C56的第二端，所述集成芯片U28的管脚5和管脚6均连接电容C59的第二端和地。

优选的，所述集成芯片U29的管脚1和管脚8均连接﹢5V，所述集成芯片U29的管脚2连接电容C57的第一端，所述集成芯片U29的管脚4连接电容C57的第二端，所述集成芯片U29的管脚5连接电容C60的第一端和集成芯片U30的管脚3，所述集成芯片U30的管脚2连接电容C58的第一端，所述集成芯片U30的管脚4连接电容C58的第二端，所述集成芯片U30的管脚5连接电容C61的第一端和﹣10V，所述集成芯片U29的管脚3、管脚6、集成芯片U30的管脚1、管脚6、管脚8、电容C60的第二端以及电容C61的第二端均接地。

优选的，所述集成芯片U32的管脚2连接电容C63的第一端和﹢5V，所述集成芯片U32的管脚4连接电容C63的第二端和地，所述集成芯片U32的管脚6连接电容C64的第一端和电位器RP6的第一电阻端，电位器RP6的第二电阻端和电容C64的第二端均接地，电位器RP6的滑片端连接集成芯片U31的管脚3，集成芯片U31的管脚2连接集成芯片U31的管脚6和VBias。

所述上位机为个人计算机，包括计算机主机、显示器、键盘、鼠标等，用于与主控制器模块进行数据通信，并显示数据处理后的图像信息。

本申请的有益效果在于：

本申请提供的读出电路系统可用于多种规格的光导型光电探测器阵列，包括但不限于红外探测器；可手动调节系统为探测器提供的偏置电压，以保证探测器工作在理想的偏置条件下；可手动调节探测器输出信号的放大倍数，以保证输出的效果；使用分立元件组成的电路，代替传统的测试仪器，有效地提高了系统的集成度，具有小型化、便携性的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统原理框图；

图2为图1所示主控制器模块1的电路原理图；

图3为图1所示行列选择模块2的电路原理图；

图4为图1所示信号检测模块3的电路原理图；

图5为图1所示锁相放大模块的原理框图；

图6为图1所示锁相放大模块4的电路原理图；

图7为图1所示模数转换模块5的原理图；

图8为图1所示电源转换模块6的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1-图8为本申请提供的一种用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，包括：

主控制器模块1，用于给行列选择模块提供时钟信号、接收模数转换模块输出的数字信号、对数字信号进行数据处理以及与上位机进行数据通信。

行列选择模块2，用于控制探测器阵列各单元有序进行工作，并输出电流信号，传输给信号检测模块；

集成芯片U3、U4、U5、U6、U8、U9、U10以及U11均为模拟开关芯片TMUX1134，用于控制行与列通道的导通与截止，其中集成芯片U3、U4、U5以及U6组合控制16个列通道，集成芯片U8、U9、U10以及U11组合控制16个行通道；

集成芯片U13和U14均为运算放大器芯片ADA4522-1，分别与电位器RP1和RP2组合成电压跟随电路，用于隔离已选通道与未选通道，防止未选通道对已选通道产生干扰。

集成芯片U7和U12均为4-16译码器芯片74HC4514，控制端均连接主控制器芯片U1的管脚，输出端分别连接模拟开关芯片U3、U4、U5、U6、U8、U9、U10以及U11的控制端，用于给模拟开关芯片提供控制信号，同时提升主控制器芯片U1的管脚利用率。

具体工作方法：

已选择单元的列通道连接到偏置电压，行通道连接到地，此时该已选择单元正常工作，产生电流信号；未选择单元的列通道连接到第一电压跟随电路的输出端，行通道连接到第二电压跟随电路的输出端，此时未选择单元两端电压一致，无电势差，故不工作。

信号检测模块3，用于检测行列选择模块输出的电流信号并将其转换为电压信号，并进行第一次信号放大，传输给锁相放大模块；

集成芯片U15为电流检测芯片MAX9919，其管脚1和管脚2构成差分输入端，电位器RP3作为感应电阻，所述集成芯片U15的管脚1连接电位器RP3的第一电阻端和偏置电压VBias，所述集成芯片U15的管脚2连接电位器RP3的第二电阻端、滑片端以及模拟开关芯片U3、U4、U5以及U6的A选择端，用于准确读取通过已选择探测器单元的电流信号，并通过线性对应关系将其转换为电压信号；

电容C18与电阻R36组合形成高通滤波器电路，用于将电流检测芯片MAX9919的管脚5输出的电压信号中的直流分量滤除，得到一个纯交流电压信号，传输给锁相放大模块。

实施例1：

在某一时刻下，系统选择读取探测器阵列的第1行第1列探测单元的信号，此时在主控制器模块控制下，探测器第1行连接到地，其余各行均连接电压跟随器输出端即电压为偏置电压VBias，探测器第1列连接到信号检测模块所在通道，其余各列均连接电压跟随器输出端即电压为偏置电压VBias，此时由于探测器阵列中只有第1行各单元的两端口之间存在电势差，故只有第1行各单元能够产生光生电流信号，而信号检测模块所连接在第1列前端，因此信号检测模块只能够检测到第1行第1列的探测器单元产生的光生电流信号；

因此系统可以通过时序，控制各行各列的连接方式，准确读取各探测器单元的光生电流信号，有效避免了各探测器单元之间的电流串扰，最终形成一幅完整的二维阵列图像。

锁相放大模块4，用于识别调制盘的调制频率，还用于从信号检测模块输出的电压信号中提取与调制频率相同的信号分量，并进行第二次信号放大，转换为直流模拟信号，传输给模数转换模块；

所述锁相放大模块4包含两组相敏检波电路，第一组相敏检波电路包含放大电路、第一锁相电路以及第一滤波电路，第二组相敏检波电路包含带通滤波电路、移相电路、第二锁相电路以及第二滤波电路，所述信号检测模块3的输出端连接放大电路输入端，同时光学斩波器的频率输出端连接带通滤波电路的输入端，放大电路的输出端连接第一锁相电路的同相输入端和第二锁相电路的同相输入端，带通滤波电路的输出端连接移相电路的输入端和第一锁相电路的参考输入端，移相电路的输出端连接第二锁相电路的参考输入端，第一锁相电路的输出端连接第一滤波电路的输入端，第二锁相电路的输出端连接第二滤波电路的输入端，第一滤波电路的输出信号为I(t)，第二滤波电路的输出信号为Q(t)；

集成芯片U18为运算放大器芯片ADA4522-1，与电阻R37和电位器RP4构成负反馈放大电路，用于放大信号检测模块3的输出信号；

集成芯片U22为运算放大器芯片ADA4522-2，与电容C29、电容C30、电容C31、电容C32、电阻R48、电阻R49、电阻R50、电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54、电阻R55、电阻R56以及电阻R57构成带通滤波电路子模块，用于将光学斩波器的频率输出端输出的方波信号转换为正弦波参考信号，通过调整该子模块中各电容与电阻的取值，即可组成不同截止频率的带通滤波电路，以适配不同的光学斩波频率；

集成芯片U20为运算放大器芯片ADA4522-1，与电容C24、电阻R46、电阻R47以及电位器RP5构成移相电路子模块，用于将带通滤波电路输出的正弦波参考信号移相90度，通过调整该子模块中各电容与电阻的取值，即可组成适用于不同频率的移相电路，以适配不同的光学斩波频率；

集成芯片U16和U19均为调制解调芯片AD630，用于从信号中提取与参考频率相同的有用信号；

集成芯片U17为运算放大器芯片ADA4522-2，与电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电阻R38、电阻R39、电阻R40以及电阻R41构成低通滤波电路，用于提取集成芯片U16的输出信号中的直流分量I(t)；

集成芯片U21为运算放大器芯片ADA4522-2，与电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、电阻R42、电阻R43、电阻R44以及电阻R45构成低通滤波电路，用于提取集成芯片U19的输出信号中的直流分量Q(t)。

实施例2：

光学斩波频率为500Hz，带通滤波电路子模块中电容C29、电容C30、电容C31、电容C32、电阻R48、电阻R49、电阻R50、电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54、电阻R55、电阻R56、电阻R57的取值以及移相电路子模块中电容C24、电阻R46、电阻R47、电位器RP5的具体取值如图6所示，带通滤波电路即可将频率500Hz的方波信号转换为频率500Hz的正弦波信号，作为锁相放大模块参考通道的信号，移相电路可通过调整电位器RP5的滑片端，将频率500Hz的正弦波参考信号移相90度；

输入信号经过放大电路进行第二次信号放大，放大倍数可通过调整电位器RP4的滑片端进行调节，放大后的信号与移相前的500Hz正弦波参考信号输入至第一锁相电路，放大后的信号与移相90度后的500Hz正弦波参考信号输入至第二锁相电路，第一锁相电路的输出信号经过第一滤波电路，输出直流信号I(t)，第二锁相电路的输出信号经过第二滤波电路，输出直流信号Q(t)；

经过上述步骤即可提取到输入信号中500Hz频率分量的有用信号，并将其转换为直流信号，便可以经过模数转换模块。

模数转换模块5，用于将锁相放大模块输出的直流模拟信号转换为数字信号，并传输给主控制器模块；

集成芯片U25为基准电压芯片AD780，用于给集成芯片U23和U24提供2.5V外部基准电压；

集成芯片U23和U24均为模数转换芯片AD7895-AR3，用于将锁相放大模块4输出的直流信号I(t)和Q(t)分别转换为数字信号；

直流信号I(t)和Q(t)通过公式计算得到有用信号的幅值V(t)，该电压值与探测器单元产生的光生电流值近似成正比关系，因此可以用该电压值表示探测器单元探测到的信号大小，计算过程在主控制器模块1中进行。

电源转换模块6，用于稳定外部接入的电源电压，并将其转换为各模块所需的电源电压，还用于转换为探测器所需的偏置电压；

集成芯片U26和U27均为5V稳压芯片MAX682，集成芯片U26与U27并接形成5V稳压电路，用于稳定﹢5V电源，同时可提供最大500mA的电流支持；

集成芯片U28为电压转换器芯片MAX660，用于将﹢5V电压倍压形成﹢10V电压，给锁相放大模块4和集成芯片U31提供电源支持；

集成芯片U29和U30均为电压转换器芯片MAX660，集成芯片U29与U30串接形成负压转换电路，用于将﹢5V电压转换为﹣10V电压，给锁相放大模块4提供电源支持；

集成芯片U32为电压基准芯片REF5045，集成芯片U31为运算放大器芯片ADA4522-1，用于给探测器提供可调偏置电压VBias，可调节电压范围为0V至﹢4.5V。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，其特征在于，所述系统包括主控制器模块、行列选择模块、信号检测模块、锁相放大模块、模数转化模块、电源转换模块以及上位机；

所述主控制器模块分别与所述行列选择模块、模数转换模块以及上位机连接，用于给行列选择模块提供时钟信号、接收模数转换模块输出的数字信号、对数字信号进行数据处理以及与上位机进行数据通信；

所述行列选择模块分别与光电导型光电探测器阵列和所述信号检测模块连接，用于控制探测器阵列各单元有序进行工作，并输出电流信号，传输给信号检测模块；

所述信号检测模块分别与所述行列选择模块和锁相放大模块连接，用于检测行列选择模块输出的电流信号并将其转换为电压信号，并进行第一次信号放大，传输给锁相放大模块；

所述锁相放大模块分别与调制盘控制器、所述信号检测模块以及模数转换模块连接，用于识别调制盘的调制频率，还用于从信号检测模块输出的电压信号中提取与调制频率相同的信号分量，并进行第二次信号放大，转换为直流模拟信号，传输给模数转换模块；

所述模数转换模块分别与所述锁相放大模块和主控制器模块连接，用于将锁相放大模块输出的直流模拟信号转换为数字信号，并传输给主控制器模块；

所述电源转换模块与所述各电路模块均有连接，用于稳定外部接入的电源电压，并将其转换为各模块所需的电源电压，还用于转换为探测器所需的偏置电压；

所述上位机与所述主控制器模块连接，用于与主控制器模块进行数据通信，并显示数据处理后的图像信息；

所述主控制器模块、行列选择模块、信号检测模块、锁相放大模块、模数转化模块、电源转换模块均由分立元件搭建，在PCB板上进行模块连接。

2.根据权利要求1所述的用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，其特征在于，所述读出电路的信号输入端包括并联设置的16个行输入端与并联设置的16个列输入端，可支持连接M行N列的探测器阵列；1≤M≤16，且为整数；1≤N≤16，且为整数；

所述16个行输入端16个列输入端分别连接所述行列选择模块。

3.根据权利要求1所述的用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，其特征在于，所述主控制器模块包括集成芯片U1、集成芯片U2、按键SW1、按键SW2、按键SW3、指示灯LED1、指示灯LED2、肖特基二极管D1、晶振X1以及显示屏接口JP1；

所述集成芯片U1的型号为STC15W4K56S4，所述集成芯片U2的型号为CH340G；

所述按键SW1和按键SW2的第一端分别连接集成芯片U1的管脚12和管脚11，所述按键SW1和按键SW2的第二端均接地；所述按键SW3的第一端连接﹢5V与极性电容CP1的正极，所述按键SW3的第二端连接﹢5V与极性电容CP1的负极、电阻R1的第一端以及集成芯片U1的管脚14，所述电阻R1的第二端接地；

所述指示灯LED1和指示灯LED2的正极分别连接电阻R2和电阻R3的第二端，所述指示灯LED1和指示灯LED2的负极分别连接集成芯片U1的管脚13和管脚16，所述电阻R2和电阻R3的第一端均连接﹢5V；

所述显示屏接口JP1的管脚1连接地，所述显示屏接口JP1的管脚2连接﹢5V，所述显示屏接口JP1的管脚3、管脚4、管脚5、管脚6以及管脚7分别连接集成芯片U1的管脚47、管脚46、管脚45、管脚44以及管脚43；

所述晶振X1的第一端连接电容C2的第二端和集成芯片U2的端口7，所述晶振X1的第二端连接电容C3的第二端和集成芯片U2的端口8；所述电容C2和电容C3的第一端均接地；所述集成芯片U2的管脚2连接肖特基二极管的负极，所述肖特基二极管的正极和所述集成芯片U2的管脚3分别连接集成芯片U1的管脚19和管脚20。

4.根据权利要求1所述的用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，其特征在于，所述行列选择模块包括集成芯片U3、集成芯片U4、集成芯片U5、集成芯片U6、集成芯片U7、集成芯片U8、集成芯片U9、集成芯片U10、集成芯片U11、集成芯片U12、集成芯片U13、集成芯片U14、接口JP5、接口JP6、电位器RP1以及电位器RP2；

所述集成芯片U7和集成芯片U12的型号均为74HC4514，所述集成芯片U3、集成芯片U4、集成芯片U5、集成芯片U6、集成芯片U8、集成芯片U9、集成芯片U10以及集成芯片U11的型号均为TMUX1134，所述集成芯片U13和集成芯片U14的型号均为ADA4522-1；

所述接口JP5的管脚1、管脚2、管脚3以及管脚4分别连接集成芯片U3的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP5的管脚5、管脚6、管脚7以及管脚8分别连接集成芯片U4的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP5的管脚9、管脚10、管脚11以及管脚12分别连接集成芯片U5的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP5的管脚13、管脚14、管脚15以及管脚16分别连接集成芯片U5的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18；

所述接口JP6的管脚1、管脚2、管脚3以及管脚4分别连接集成芯片U8的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP6的管脚5、管脚6、管脚7以及管脚8分别连接集成芯片U9的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP6的管脚9、管脚10、管脚11以及管脚12分别连接集成芯片U10的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18，所述接口JP6的管脚13、管脚14、管脚15以及管脚16分别连接集成芯片U11的管脚3、管脚8、管脚13以及管脚18；

所述集成芯片U7的管脚1连接﹢5V，所述集成芯片U7的管脚2、管脚3、管脚21、管脚22以及管脚23分别连接集成芯片U1的管脚5、管脚6、管脚8、管脚9以及管脚10，所述集成芯片U7的管脚11、管脚9、管脚10以及管脚8分别连接集成芯片U3的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U7的管脚7、管脚6、管脚5以及管脚4分别连接集成芯片U4的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U7的管脚18、管脚17、管脚20以及管脚19分别连接集成芯片U5的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U7的管脚14、管脚13、管脚16以及管脚15分别连接集成芯片U6的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20；

所述集成芯片U12的管脚1连接﹢5V，所述集成芯片U12的管脚2、管脚3、管脚21、管脚22以及管脚23分别连接集成芯片U1的管脚33、管脚34、管脚35、管脚36以及管脚37，所述集成芯片U12的管脚11、管脚9、管脚10以及管脚8分别连接集成芯片U8的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U12的管脚7、管脚6、管脚5以及管脚4分别连接集成芯片U9的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U12的管脚18、管脚17、管脚20以及管脚19分别连接集成芯片U10的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20，所述集成芯片U12的管脚14、管脚13、管脚16以及管脚15分别连接集成芯片U11的管脚1、管脚10、管脚11以及管脚20；

所述集成芯片U13的管脚3连接集成芯片U14的管脚3、集成芯片U3、集成芯片U4、集成芯片U5、集成芯片U6的管脚2、管脚9、管脚12、管脚19、电位器RP1的第一电阻端以及电位器RP2的第一电阻端，所述电位器RP1的第二电阻端和滑片端均接地，所述电位器RP2的第二电阻端和滑片端均接地，所述集成芯片U13的管脚6连接集成芯片U13的管脚2、集成芯片U3、集成芯片U4、集成芯片U5、集成芯片U6的管脚4、管脚7、管脚14、管脚17，所述集成芯片U14的管脚6连接集成芯片U14的管脚2、集成芯片U8、集成芯片U9、集成芯片U10、集成芯片U11的管脚4、管脚7、管脚14、管脚17。

5.根据权利要求1所述的用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，其特征在于，所述信号检测模块包括集成芯片U15和电位器RP3；

所述集成芯片U15的型号为MAX9919；

所述集成芯片U15的管脚1连接VBias和电位器RP3的第一电阻端，所述集成芯片U15的管脚2连接电位器RP3的第二电阻端、滑片端以及集成芯片U13的管脚3，所述集成芯片U15的管脚4、管脚7以及管脚9均接地，所述集成芯片U15的管脚5连接电容C18的第一端，所述电容C18的第二端连接电阻R36的第一端，所述电阻R36的第二端接地。

6.根据权利要求1所述的用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，其特征在于，所述锁相放大模块包括放大电路子模块、带通滤波电路子模块、移相电路子模块、第一锁相电路子模块、第二锁相电路子模块、第一滤波电路子模块以及第二滤波电路子模块。

7.根据权利要求6所述的用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，其特征在于，所述放大电路子模块包括集成芯片U18和电位器RP4；

所述集成芯片U18的型号为ADA4522-1；

所述集成芯片U18的管脚2连接电阻R37的第二端和电位器RP4的第一电阻端，所述电阻R37的第一端接地，所述电位器RP4的第二电阻端和滑片端连接集成芯片U18的管脚6，所述集成芯片U18的管脚3连接信号检测模块中电容C18的第二端和电阻R36的第一端。

8.根据权利要求6所述的用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，其特征在于，所述带通滤波电路子模块包括集成芯片U22和SMA接口JP7；

所述集成芯片U22的型号为ADA4522-2；

所述SMA接口的内端连接电阻R50的第一端，所述电阻R50的第二端连接电容C29的第一端、连接电容C31的第一端以及电阻R54的第一端，所述电容C29的第二端连接电阻R48的第一端、电阻R51的第一端、电阻R52的第一端以及集成芯片U22的管脚1，所述电容C31的第二端连接电阻R48的第二端和集成芯片U22的管脚2，所述电阻R52的第二端连接电阻R56的第一端和集成芯片U22的管脚3，所述电阻R51的第二端连接电容C30的第一端、连接电容C32的第一端以及电阻R55的第一端，所述电容C30的第二端连接电阻R49的第一端、电阻R53的第一端以及集成芯片U22的管脚7，所述电容C32的第二端连接电阻R49的第二端和集成芯片U22的管脚6，所述电阻R53的第二端连接电阻R57的第一端和集成芯片U22的管脚5，所述SMA接口的外端、电阻R54的第二端、电阻R56的第二端、电阻R55的第二端以及电阻R57的第二端均接地。

9.根据权利要求6所述的用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，其特征在于，所述移相电路子模块包括集成芯片U20和电位器RP5；

所述集成芯片U20的型号为ADA4522-1；

一电容C24的第一端连接集成芯片U22的管脚7和电阻R46的第一端，所述电容C24的第二端连接集成芯片U20的管脚3和电位器RP5的第一电阻端，所述电位器RP5的第二电阻端和滑片端均接地，所述电阻R46的第二端连接电阻R47的第一端和集成芯片U20的管脚2，所述电阻R47的第二端连接集成芯片U20的管脚6。

10.根据权利要求6所述的用于光电导型红外探测器阵列的读出电路系统，其特征在于，所述第一锁相电路子模块包括集成芯片U16；

所述集成芯片U16的型号为AD630；

所述集成芯片U16的管脚1连接集成芯片U16的管脚16和集成芯片U18的管脚6，所述集成芯片U16的管脚3连接集成芯片U16的管脚4，所述集成芯片U16的管脚5连接集成芯片U16的管脚6，所述集成芯片U16的管脚10连接集成芯片U22的管脚7，所述集成芯片U16的管脚15连接集成芯片U16的管脚19和管脚20，所述集成芯片U16的管脚9、管脚14以及管脚17均接地；

所述第二锁相电路子模块包括集成芯片U19；

所述集成芯片U19的型号为AD630；

所述集成芯片U19的管脚1连接集成芯片U19的管脚16和集成芯片U18的管脚6，所述集成芯片U19的管脚3连接集成芯片U19的管脚4，所述集成芯片U19的管脚5连接集成芯片U19的管脚6，所述集成芯片U19的管脚10连接集成芯片U20的管脚6，所述集成芯片U19的管脚15连接集成芯片U19的管脚19和管脚20，所述集成芯片U19的管脚9、管脚14以及管脚17均接地；

所述第一滤波电路子模块包括集成芯片U17；

所述集成芯片U17的型号为ADA4522-2；

一电阻R40的第一端连接集成芯片U16的管脚13，所述电阻R40的第二端连接电阻R41的第一端和电容C22的第一端，所述电阻R41的第二端连接电容C21的第一端和集成芯片U17的管脚5，所述电容C22的第二端连接集成芯片U17的管脚6、管脚7以及电阻R38的第一端，所述电阻R38的第二端连接电阻R39的第一端和电容C23的第一端，所述电阻R39的第二端连接电容C20的第一端和集成芯片U17的管脚3，所述电容C23的第二端连接集成芯片U17的管脚1、管脚2，所述电容C20的第二端和电容C21的第二端均接地；

所述第二滤波电路子模块包括集成芯片U21；

所述集成芯片U21的型号为ADA4522-2；

所述电阻R44的第一端连接集成芯片U19的管脚13，所述电阻R44的第二端连接电阻R45的第一端和电容C27的第一端，所述电阻R45的第二端连接电容C26的第一端和集成芯片U21的管脚5，所述电容C27的第二端连接集成芯片U20的管脚6、管脚7以及电阻R42的第一端，所述电阻R42的第二端连接电阻R43的第一端和电容C28的第一端，所述电阻R43的第二端连接电容C25的第一端和集成芯片U21的管脚3，所述电容C28的第二端连接集成芯片U21的管脚1、管脚2，所述电容C25的第二端和电容C26的第二端均接地。