CN210670069U - 微弱光电信号抗干扰长距离传输系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及微弱信号检测领域，具体涉及一种微弱光电信号抗干扰长距离传输系统，系统包括U1光电探测器，U1光电探测器采集的光电信号输入至含跨阻放大电路的信号预处理单元，信号预处理单元的信号输出端接单端转差分信号电路的输入端；主控单元包括差分转单端信号电路；单端转差分信号电路与差分转单端信号电路之间有双绞线连接传输。本实用新型的上述技术方案将微弱信号变换为模拟差分信号，解决在恶劣的工业环境下抗干扰长距离传送测量系统微弱信号的关键问题。以平衡传输方式长距离传输信号,对共模干扰具有很强的抑制能力，尤其是在系统地线复杂，存在严重干扰的情况下，使用双绞线传输模拟差分信号，可有效地消除干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及微弱信号检测领域，具体涉及一种适用微弱光电信号的抗干扰长距离传输技术。
背景技术
工业现场，在基于光学信号的采集与测量系统即检测系统中，快速准确地捕捉光信号物理量变化的参数，是实施光学检测系统自动检测的基础和条件。而在大多数的光学检测系统中，光电探测器与主控单元往往有一定的距离，若将光电探测器采集到的微弱光电流信号直接接入主控单元，信号在传输路径上极易引入干扰，会使系统测量精度严重恶化。由于探测器输出的电流信号很微弱，必须对信号进行放大后传输，放大的结果又将导致信号失真和噪声干扰信号过滤困难。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种能对光电探测器所产生的微弱电流信号进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，同时将信号变换为适用于抗干扰长距离传输的模拟差分信号的电路。
为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
一种微弱光电信号抗干扰长距离传输系统，其特征在于：系统包括 U1光电探测器，U1光电探测器采集的光电信号输入至含跨阻放大电路的信号预处理单元，信号预处理单元的信号输出端接单端转差分信号电路的输入端；主控单元包括差分转单端信号电路；单端转差分信号电路与差分转单端信号电路之间有双绞线连接传输。
本实用新型的上述技术方案将微弱信号变换为模拟差分信号，解决在恶劣的工业环境下抗干扰长距离传送测量系统微弱信号的关键问题。以平衡传输方式长距离传输信号,对共模干扰具有很强的抑制能力，尤其是在系统地线复杂，存在严重干扰的情况下，使用双绞线传输模拟差分信号，可有效地消除干扰。
附图说明
图1是本实用新型的系统原理框图；
图2信号预处理单元的电路图；
图3是单端转差分信号电路图；
图4是差分转单端信号电路图；
图5a、5b是现场测试对比图。
图中：10.光电探测器，20.信号预处理单元，21.跨阻放大电路， 22.偏置电压产生电路，23.增益调整电路，30.单端转差分信号电路， 40.差分转单端信号电路，
具体实施方式
如图1所示，本实用新型提供的微弱光电信号抗干扰长距离传输系统，包括U1光电探测器，U1光电探测器10采集的光电信号输入至信号预处理单元20，信号预处理单元20的信号输出端接单端转差分信号电路30的输入端；主控单元包括差分转单端信号电路40；单端转差分信号电路30与差分转单端信号电路40之间有双绞线连接传输。
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是利用激光强度被待测气体吸收形成吸收光谱的原理进行气体检测的一种技术。它具有灵敏度高、选择性好、实时、动态快速、多组分测量等优点。气体检测受系统中的很多因素影响，一个因素是系统各功能模块的性能，其中光电探测器是 TDLAS系统必不可少的组成部分，作在光电流等微弱信号测量领域,需要准确测量。
如需要对中心波长为1512nm的激光进行光电转换，综合考虑后选用了InGaAs材料的光电探测器，它采取TO-46封装，通过参阅其技术参数，可知该探测器对1512nm附近波长的光具有很强的响应，响应度大于0.9A/W，可以对携带有氨气气体的激光进行高灵敏度探测，根据其参数可知当不同光功率照射到本探测器中其输出电流范围通常为 10-3～10-6A。在这种微弱信号的测量中,某个环节的一个微小缺陷就会使测量精度严重恶化，后续对微弱电流信号的预处理与传输转换电路非常关键。
结合图2，为了对采集到的微弱信号实施有效处理，本实用新型提供了以下预处理单元:信号预处理单元20包括偏置电压产生电路22、跨阻放大电路21及增益调整电路23，偏置电压产生电路22产生的偏置电压Vb接入U1光电探测器10的阳极，U1光电探测器10外壳接入地线、阴极分别接入运算放大器U2A的负极和相互并联的C1、R3，运算放大器 U2A的正极与地线连接，VCCP5VA电压源依次与电容C3、地线连接，电容C3的输入端与运算放大器U2A连接，VCCN5VA电压源依次与电容C7、地线连接，电容C7的输入端与运算放大器U2A连接，相互并联的C1、 R3输出端与运算放大器U2A的输出端1脚连接，跨阻放大电路21的输出电压Vo接入增益调整电路23。
上述方案中，U2A放大器及其外围电路组成跨阻放大电路与U1光电探测器连接，当有相应波长光照射至U1光电探测器时，光电探测将会输出微弱的电流信号Io，此电路可将微弱光电流Io接入并流过电阻R3，将其转换为弱电压输出信号Vo：Vo＝Io·R3。
偏置电压电路包括接入负电源电压VCCN5VA的电阻R11，电阻R11 的输出端分别接入相互并联的C8、D1和电阻R12，其中D1的阳极端与 R11连接，阴极端与地线连接，这样可以在D1阳极端产生-1.2V电压，该-1.2V电压接入电阻R12，电阻R12的输出端接入运算放大器U3的负极，VCCP5VA电压源依次与电容C4、地线连接，电容C4的输入端与运算放大器U3连接，VCCN5VA电压源依次与电容C9、地线连接，电容C9 的输入端与运算放大器U3连接，运算放大器U3正极与其输出端连接，形成电压跟随器电路，运算放大器U3输出端接入电阻R8，电阻R8输出端输出电压Vb作为偏置电压。此部分电路功能：为了满足光功率高速变化的探测需要，在U1光电探测器的阳极接入负偏置电压Vb，将其设定为反向偏置状态，以实现更高的开关速度，提高探测器的频率特性。 D1稳压管接入电压源VCCN5VA后其阳极会输出-1.2V电压，此电压经隔离跟随器U3输出至U1的正端，作为负偏置电压Vb，其中：Vb＝-1.2V。
跨阻放大电路21的输出电压Vo接入增益调整电路23的运算放大器U2B的正极，运算放大器U2B的负极分别接入电阻R2和相互并联的电阻R5、电容C2，电阻R2输出端与地线连接，相互并联的电阻R5、电容C2的输出端与运算放大器U2B的输出端7脚连接，输出电压信号Vsig。上述方案的电路功能是为了满足电路更宽的适用范围，增益调整电路是将2中的弱电压信号Vo作为输入，调整放大器U2B外围电阻R2、R5便可得到适合的输出电压Vsig，调整公式如下：
结合图3，单端转差分信号电路(30)包括接入电压Vsig的电阻 R15，电阻R15的输出端分别与运算放大器U4的正极和相互并联的电阻 R14、电容C12，运算放大器U4的2脚接入电容C15，电容C15输出端与地线连接，运算放大器U4的1脚分别接入电阻R18和相互并联的电阻R19、电容C17，电阻R18的输出端与地线连接，相互并联的电阻R14、电容C12输出端分别接入运算放大器U4的负向输出端5脚和电阻R16，电阻R16的输出端接入TVS二极管D2阳极，二极管D2阴极与地线连接，电阻R16的输出端输出差分信号对的负信号Vsig-，相互并联的电阻 R19、电容C17输出端接入运算放大器U4的正向输出端4脚和电阻R17，电阻R17的输出端接入TVS二极管D3阳极，二极管D3阴极与地线连接，电阻R17的输出端输出差分信号对的正信号Vsig+，VCCP5VA电压源依次与电容C13、地线连接，电容C13的输入端与运算放大器U4连接， VCCN5VA电压源依次与电容C16、地线连接，电容C16的输入端与运算放大器U4连接。
上述方案中，信号转换电路将Vsig单端电压信号转换为差分对 Vsig-/Vsig+信号经双绞线传输至电路主控单元。转换过程由运算放大器U4及其外围阻容完成单端(非平衡)信号到差分(平衡)信号的转换。
本实施例中，采用±5V双电源供电，通过芯片引脚Pin2接入电容 C15到信号地，以设置输出共模电压Vcm＝0V。正向输入端引脚Pin8通过电阻R15与单端信号Vsig连接，通过并联的R14/C12连接到负向输出端引脚Pin5。而负向输入端引脚Pin1通过R18连接到地，通过并联的R19/C17连接到正向输出端引脚Pin4。为保证信号的平衡必须使得 R15＝R18、R14＝R18，以设置增Gain＝R14/R15。在本实施例中因在前级已经单独加了增益调整电路，使R14＝R15＝R18＝R19，设置增益Gain＝1。
输出信号在双绞线上传输时，为了保证信号完整性，在差分信号输出端设计了小阻值的匹配电阻R16/R17(R16＝R17)，使得电路寄生电容与本放大器隔离作用，并起到与后续差分信号接收端高阻抗电路的阻抗匹配作用。同时在信号输出端设计有浪涌防护电路，即在Vsig-/Vsig+ 输出端分别接入D2/D3TVS管来实现，同时D2/D3与其前级电阻R16/R17一起使用，更提高了浪涌防护效果。
差分接收电路模块是利用差分信号接收放大器完成差分(平衡)信号到单端(非平衡)信号的转换，以满足后续信号处理电路的信号要求，结合图4进行详细说明，差分转单端信号电路40包括差分对中负信号 Vsig-分别接入二极管D8阳极和电阻R30，二极管D8阴极与地线连接，电阻R30的输出端分别接入电容C33和运算放大器U5负极输入端，电容C33输出端与地线连接，差分对中正信号Vsig+分别接入二极管D9阳极和电阻R33，二极管D9阴极与地线连接，电阻R33的输出端分别接入电容C37和运算放大器U5正极输入端，电容C37输出端与地线连接， VCC_+5V电压源依次与电容C34、地线连接，电容C34的输入端与运算放大器U5连接，VCC_-5V电压源依次与电容C35、地线连接，电容C35 的输入端与运算放大器U5连接，运算放大器U5的1脚与地线连接，运算放大器U5的5脚和6脚短接后接入电阻R32，电阻R32输出端输出 Vout电压信号。
上述技术方案中，差分转单端信号转换过程由U5差分信号接收放大器及其外围阻容完成差分对Vsig-/Vsig+信号到Vout单端电压信号的转换功能。
同样的为了保证高速信号高精度高信噪比的接收，差分信号接收放大器的选型非常关键，选用TI公司生产的INA134差分线路接收器，由高性能运算放大器和片上精密电阻组成。非常适合高性能音频应用，并具有优秀的交流性能，包括低失真(1kHz时0.0005％)和高压摆率(14V /μs)，确保良好的动态响应。其还具有很大的电压摆幅和高输出驱动能力允许用于各种要求苛刻的应用。该芯片两输入端信号处理具有完全独立的电路，具有最低的串扰。
图4所示电路中，增益Gain＝1，Vout＝Vsig+-Vsig-，为保证信号完整性和信噪比，本实施例在芯片外围电路中做了一些优化：
1、增加终端匹配电阻；因差分信号沿差分对传输到达接收终端时，终端差分阻抗较大，会造成差分信号的反射，产生噪声，影响信号质量；差分传输用双绞线线缆，标准特征阻抗为100欧姆，故在接收电路中加入100欧姆的终端匹配电阻R31。
2、浪涌防护电路设计：在Vsig-/Vsig+输入端分别接入D8/D9TVS 管来实现，同时D8/D9与其后级电阻R30/R33一起使用，更提高了浪涌防护效果。
3、串行匹配电阻设计：为了减小差分信号的进一步反射，保证传输线上信号的完整性，增加设计了小阻值的匹配电阻R30/R33 (R30＝R33)，为了进一步提高信号信噪比在电阻R30/R33后级增加设计了电容C33/C37，组成RC低通滤波，滤除抑制信号的高频干扰。
信号传输对比测试：
在实际工业现场使用时，其它测量条件不改变情况下，分别测试了光电探测器经上述跨阻放大电路输出的电压信号通过0.3m短距离同轴线缆传输至主控电路单元和光电探测信号经上述跨阻放大电路再经过差分转换电路后的差分信号通过200m长度CAT-5类双绞线传输至主控电路单元，对比了上述两种传输情况下，主控电路单元接收到的源信号、主控电路单元对接收信号同样处理后输出的解调信号1和解调信号2，其中主控单元接收到的信号为下图中CH1通道显示的信号，主控单元处理后输出的解调信号1为下图中CH2通道显示的信号，解调信号2位下图中CH3通道显示的信号。
| CH1信号峰峰值 | 3.65V-2.65V＝1V | 3.59V-2.59V＝1V |
| CH1信号中小信号峰峰值 | 3.425V-3.025V＝0.4V | 3.325-2.925V＝0.4V |
| CH2信号峰峰值 | 1.815V-1.115V＝0.7V | 2.115V-1.415V＝0.7V |
| CH3信号峰峰值 | 1.115V-0.315V＝0.8V | 1.105V-0.305V＝0.8V |
表1测试参数比较
图5a为0.3m同轴线缆传输信号测试图，图5b为200m带屏蔽CAT-5 类双绞线传输信号测试图。从图5a、5b和表1的测试结果可以看出，虽然经过了200m带屏蔽CAT-5类双绞线传输，但是主控单元接收的模拟电压信号失真较小，幅值并无明显降低，电路系统最终处理输出的信号可以很好的被恢复和还原。
此电路的先进性：
1.光电探测电路增加反向偏置电压，保证中高频光电流变化时探测微弱信号的完整性；
2.增益调整电路的设计，增加了此电路的适用范围，几乎可以在任何期望的电压范围内应用此电路系统；
3.差分传输方式的设计，尤其是针对中高频信号的传输是一种突破，在IC选型上及外围电路设计上都充分考虑并保证了信号的完整性及信噪比的提高，解决了在恶劣的工业环境下长距离强抗干扰的传输微弱光电信号的问题。
采用差分传输方式，使用双绞线作为传输线，结构简单、成本低，可以很好的抑制共模干扰，抗干扰性强。光电探测单元和主控电路单元可以彼此独立分开，且电源系统分开供电，大大减小了电源间的串扰，提高了信号传输的可靠性和完整性。
Claims (6)
1.一种微弱光电信号抗干扰长距离传输系统，其特征在于：系统包括U1光电探测器，U1光电探测器(10)采集的光电信号输入至信号预处理单元(20)，信号预处理单元(20)的信号输出端接单端转差分信号电路(30)的输入端；主控单元包括差分转单端信号电路(40)；单端转差分信号电路(30)与差分转单端信号电路(40)之间由双绞线连接传输。
2.根据权利要求1所述的微弱光电信号抗干扰长距离传输系统，其特征在于：信号预处理单元(20)包括偏置电压产生电路(22)、跨阻放大电路(21)及增益调整电路(23)，偏置电压产生电路(22)产生的偏置电压Vb接入U1光电探测器(10)的阳极，U1光电探测器(10)外壳接入地线、阴极分别接入运算放大器U2A的负极和相互并联的C1、R3，运算放大器U2A的正极与地线连接，VCCP5VA电压源依次与电容C3、地线连接，电容C3的输入端与运算放大器U2A连接，VCCN5VA电压源依次与电容C7、地线连接，电容C7的输入端与运算放大器U2A连接，相互并联的C1、R3输出端与运算放大器U2A的输出端1脚连接，跨阻放大电路(21)的输出电压Vo接入增益调整电路(23)。
3.根据权利要求2所述的微弱光电信号抗干扰长距离传输系统，其特征在于：偏置电压电路包括接入负电源电压VCCN5VA的电阻R11，电阻R11的输出端分别接入相互并联的C8、D1和电阻R12，其中D1的阳极端与R11连接，阴极端与地线连接，这样可以在D1阳极端产生-1.2V电压，该-1.2V电压接入电阻R12，电阻R12的输出端接入运算放大器U3的负极，VCCP5VA电压源依次与电容C4、地线连接，电容C4 的输入端与运算放大器U3连接，VCCN5VA电压源依次与电容C9、地线连接，电容C9的输入端与运算放大器U3连接，运算放大器U3正极与其输出端连接，形成电压跟随器电路，运算放大器U3输出端接入电阻R8，电阻R8输出端输出电压Vb作为偏置电压。
4.根据权利要求2或3所述的微弱光电信号抗干扰长距离传输系统，其特征在于：跨阻放大电路(21)的输出电压Vo接入增益调整电路(23)的运算放大器U2B的正极，运算放大器U2B的负极分别接入电阻R2和相互并联的电阻R5、电容C2，电阻R2输出端与地线连接，相互并联的电阻R5、电容C2的输出端与运算放大器U2B的输出端7脚连接，输出电压信号Vsig。
5.根据权利要求4所述的微弱光电信号抗干扰长距离传输系统，其特征在于：单端转差分信号电路(30)包括接入电压Vsig的电阻R15，电阻R15的输出端分别与运算放大器U4的正极和相互并联的电阻R14、电容C12，运算放大器U4的2脚接入电容C15，电容C15输出端与地线连接，运算放大器U4的1脚分别接入电阻R18和相互并联的电阻R19、电容C17，电阻R18的输出端与地线连接，相互并联的电阻R14、电容C12输出端分别接入运算放大器U4的负向输出端5脚和电阻R16，电阻R16的输出端接入TVS二极管D2阳极，二极管D2阴极与地线连接，电阻R16的输出端输出差分信号对的负信号Vsig-，相互并联的电阻R19、电容C17输出端接入运算放大器U4的正向输出端4脚和电阻R17，电阻R17的输出端接入TVS二极管D3阳极，二极管D3阴极与地线连接，电阻R17的输出端输出差分信号对的正信号Vsig+，VCCP5VA电压源依次与电容C13、地线连接，电容C13的输入端与运算放大器U4连接，VCCN5VA电压源依次与电容C16、地线连接，电容C16的输入端与运算放大器U4连接。
6.根据权利要求1所述的微弱光电信号抗干扰长距离传输系统，其特征在于：差分转单端信号电路(40)包括差分对中负信号Vsig-分别接入二极管D8阳极和电阻R30，二极管D8阴极与地线连接，电阻R30的输出端分别接入电容C33和运算放大器U5负极输入端，电容C33输出端与地线连接，差分对中正信号Vsig+分别接入二极管D9阳极和电阻R33，二极管D9阴极与地线连接，电阻R33的输出端分别接入电容C37和运算放大器U5正极输入端，电容C37输出端与地线连接，VCC_+5V电压源依次与电容C34、地线连接，电容C34的输入端与运算放大器U5连接，VCC_-5V电压源依次与电容C35、地线连接，电容C35的输入端与运算放大器U5连接，运算放大器U5的1脚与地线连接，运算放大器U5的5脚和6脚短接后接入电阻R32，电阻R32输出端输出Vout电压信号。
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2019
- 2019-09-25 CN CN201921609918.0U patent/CN210670069U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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