CN214096093U - 一种基于雪崩二极管的微弱光信号探测与处理电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于雪崩二极管的微弱光信号探测与处理电路，包括电源电路、雪崩二极管偏置电压调理电路、光电转换电路、信号放大电路以及滤波电路；电源电路对外部输入电压进行转换输出至各电路中进行供电，雪崩二极管偏置电压调理电路将电源电压调理得到雪崩二极管正常工作所需的偏置电压，并输出至光电转换电路，光电转换电路将微弱光信号转换为电流信号输出至信号放大电路，信号放大电路将电流信号转换为电压信号并放大，输出至滤波电路，滤波电路对电压信号进行降噪得到滤波后电压信号。本实用新型可提高微弱光信号的探测效率，拓宽光电信号的检测范围，有效降低噪声干扰，提升微弱光电信号检测的信噪比。
Description
技术领域
本实用新型属于微弱光电信号检测技术领域，具体涉及一种基于雪崩二极管的微弱光信号探测与处理电路。
背景技术
微弱光电信号检测技术是利用光子探测器将微弱光信号转换为电信号并进行检测的技术，被广泛应用于环境监测、航空航天、生物医学等高科技领域，关乎国家发展和人民健康。因此，实现微弱光信号的探测与精确测量便显得尤为重要。
目前，微弱光电信号检测技术中使用最多的光子探测器要属光电倍增管和雪崩二极管，其中光电倍增管存在体积大、价格昂贵、抗磁场干扰能力差的缺点，拥有体积小、低成本、探测效率高的雪崩二极管越来越受到人们青睐，但雪崩二极管工作时需要较高的偏置电压和较小的电流，使得雪崩二极管的偏置电压调节十分困难。此外，光电流信号量级低、抗干扰能力差，很容易被噪声干扰所淹没，信噪比极低，实现精确检测十分困难。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于雪崩二极管的微弱光信号探测与处理电路，本实用新型可提高微弱光信号的探测效率，拓宽光电信号的检测范围，有效降低噪声干扰，提升微弱光电信号检测的信噪比，实现微弱光电信号的精确测量。
本实用新型所采用的技术方案是：
1.一种基于雪崩二极管的微弱光信号探测与处理电路，其特征在于：包括电源电路、雪崩二极管偏置电压调理电路、光电转换电路、信号放大电路以及滤波电路；电源电路对外部输入电压进行转换输出至各电路中进行供电，雪崩二极管偏置电压调理电路将电源电压升压得到雪崩二极管正常工作所需的偏置电压，并将其输出至光电转换电路，光电转换电路将微弱光信号转换为电流信号输出至信号放大电路，信号放大电路将电流信号转换为电压信号并放大，输出至滤波电路，滤波电路对电压信号进行降噪得到滤波后电压信号。
2.所述的电源电路包括肖特基二极管D1、瞬态抑制二极管D2、发光二极管D3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电感L1、DC-DC电源模块P2；肖特基二极管D1选用的型号是SS14，用于避供电源反接，瞬态抑制二极管D2选用的型号是RSB16VATR，用于避免电压过大导致电路器件的损坏，DC-DC电源模块P2选用的型号是B1212S-1WR2，用于调制满足电路中运算放大器工作的电压值，第四电阻R4和第五电阻R5的阻值选取0欧姆，用于隔离模拟地与数字地。
3.所述的雪崩二极管偏置电压调理电路包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17、第十八电容C18、第十九电容C19、第二十电容C20、第二十一电容C21、肖特基二极管D4～D10以及开关电源芯片U1；开关电源芯片U1选用的型号是TPS55340，用于对电源电压进行升压，第九电阻R9为滑动变阻器，调节第九电阻R9的阻值，可得到满足雪崩二极管处于雪崩状态的偏置电压，肖特基二极管D4～D10选用的型号是IN4148，结合第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16稳定偏置电压。
4.所述的光电转换电路包括第十一电阻R11、第二十二电容C22、雪崩二极管，第十一电阻R11和第二十二电容C22组成的RC滤波电路可以对雪崩二极管偏置电压调理电路输出的偏置电压进行滤波，提升信号处理的准确性。
5.所述的信号放大电路包括第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第二十三电容C23、第二十四电容C24、运算放大器U2，该电路实现将雪崩二极管光电转换后输出的电流信号放大为电压信号，运算放大器U2选用的型号是OPA657。
6.所述的滤波电路包括第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第二十五电容C25、第二十六电容C26、运算放大器U3，该电路实现对信号放大后输出的电压信号进行滤波降噪处理，运算放大器U3选用的型号是OP07。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型所设计的基于雪崩二极管的微弱光信号探测与处理电路选用小体积、低成本、高探测效率的雪崩二极管探测微弱光信号，利用电源电路、雪崩二极管偏置电压调理电路、光电转换电路、信号放大电路以及滤波电路的协调工作，提高了微弱光信号的探测效率，拓宽光电信号的检测范围，有效降低噪声干扰，提升微弱光电信号检测的信噪比，实现微弱光电信号的精确测量。
附图说明
图1是本实用新型的微弱光信号探测与处理电路结构示意图。
图2是本实用新型的电源电路原理图。
图3是本实用新型的雪崩二极管偏置电压调理电路原理图。
图4是本实用新型的光电转换电路原理图。
图5是本实用新型的信号放大电路原理图。
图6是本实用新型的滤波电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做详细的说明：
如图1所示，一种基于雪崩二极管的微弱光信号探测与处理电路，其特征在于：包括电源电路、雪崩二极管偏置电压调理电路、光电转换电路、信号放大电路以及滤波电路；电源电路对外部输入电压进行转换输出至各电路中进行供电，雪崩二极管偏置电压调理电路将电源电压升压得到雪崩二极管正常工作所需的偏置电压，并将其输出至光电转换电路，光电转换电路将微弱光信号转换为电流信号输出至信号放大电路，信号放大电路将电流信号转换为电压信号并放大，输出至滤波电路，滤波电路对电压信号进行降噪得到滤波后电压信号。
如图2所示，所述的电源电路包括肖特基二极管D1、瞬态抑制二极管D2、发光二极管D3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电感L1、DC-DC电源模块P2。
所述肖特基二极管D1的阳极与电源正极连接，肖特基二极管D1的阴极与瞬态抑制二极管D2的阴极、发光二极管D3的阳极、第一电容C1的一端、第二电阻R2的一端连接，第一电容C1的另一端与第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端连接，第四电阻R4的另一端与模拟地连接，第五电阻R5的另一端与数字地连接，发光二极管D3的阴极与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端与模拟地连接，第二电阻R2的另一端与第三电阻R3的一端、第二电容C2的一端、第一电感L1的一端连接，第三电容C3的两端与DC-DC电源模块的两端连接，第四电容C4的两端与DC-DC电源模块的另外两端连接。
所述肖特基二极管D1选用的型号是SS14，可避供电源反接损坏电路元器件，瞬态抑制二极管D2选用的型号是RSB16VATR，可以承受16V电压，用于避免电压过大导致电路器件损坏，第二电阻R2与第三电阻R3对12V电源电压分压，并利用第一电感L1和第三电容C3组成的LC滤波得到9V电压，DC-DC电源模块P2选用的型号是B1212S-1WR2，将9V电压调制得到-9V电压，第四电阻R4和第五电阻R5的阻值选取0欧姆，用于隔离模拟地与数字地，减小电源噪声对微弱光信号探测的干扰。
如图3所示，所述的雪崩二极管偏置电压调理电路包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17、第十八电容C18、第十九电容C19、第二十电容C20、第二十一电容C21、肖特基二极管D4～D10以及开关电源芯片U1。
第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7并联用于稳定12V电压，开关电源芯片U1选用的型号是TPS55340，有着40V的低侧MOSFET开关，开关频率在100kHz至1.2MHz之间调节，开关电源芯片U1的第九引脚为输出电压引脚，该引脚与第八电阻R8的一端、第九电阻R9的一端连接，第九电阻选用阻值为100K欧姆的滑动变阻器，通过调节第九电阻R9的阻值，可得到满足雪崩二极管处于雪崩状态的偏置电压，第十电阻R10用于防止第九电阻R9调节过度导致的偏置电压过高，损坏雪崩二极管，肖特基二极管D4～D10选用的型号是IN4148，结合第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16稳定偏置电压。
如图4所示，所述的光电转换电路包括第十一电阻R11、第二十二电容C22、雪崩二极管，第十一电阻R11和第二十二电容C22组成的RC滤波电路可以对雪崩二极管偏置电压调理电路输出的偏置电压进行滤波，提升信号处理的准确性，雪崩二极管的型号可选用常用的硅雪崩二极管、锗雪崩光电二极管和铟镓砷雪崩光电二极管。
如图5所示，所述的信号放大电路包括第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第二十三电容C23、第二十四电容C24、运算放大器U2。
所述第十五电阻R15和第二十四电容C24并联后一端接模拟地，其另一端与第十二电阻R12的一端、第十三电阻R13的一端连接，第十三电阻R13的另一端与运算放大器U2的同相输入端连接，第十四电阻R14和第二十三电容C23并联后一端与运算放大器U2的反相输入端连接。
该信号放大电路为单电源电路，运算放大器U2的同相端需要提供二分之一的偏压，才能使得交流波形放大不失真，等阻值的第十二电阻R12和第十五电阻R15实现将12V电源电压分压得到6V偏压，第二十四电容C24可保证了电源噪声不被引入至信号，运算放大器U2选用的型号是OPA657，其输入电压噪声密度为
对微弱电信号放大效果好，该电路实现将雪崩二极管光电转换后输出的电流信号转换为电压信号并放大。
如图6所示，所述的滤波电路包括第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第二十五电容C25、第二十六电容C26、运算放大器U3；所述第十八电阻的一端与第十七电阻R17的一端、第二十五电容C25的一端、第二十六电容C26的一端连接，第二十五电容C25的另一端与第十六电阻R16的一端、运算放大器U3的反相输入端连接，第十七电阻R17的另一端和运算放大器U3的同相端与模拟地连接；运算放大器U3选用的型号是OP07，其输入电压噪声密度为
该电路对信号放大电路输出的电压信号进行滤波降噪处理，得到去噪后的电压信号，提升微弱光电信号检测的信噪比。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于雪崩二极管的微弱光信号探测与处理电路，包括电源电路、雪崩二极管偏置电压调理电路、光电转换电路、信号放大电路以及滤波电路，其特征在于：所述的电源电路包括肖特基二极管D1、瞬态抑制二极管D2、发光二极管D3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电感L1、DC-DC电源模块P2；
所述的雪崩二极管偏置电压调理电路包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17、第十八电容C18、第十九电容C19、第二十电容C20、第二十一电容C21、肖特基二极管D4～D10、开关电源芯片U1；
所述的光电转换电路包括第十一电阻R11、第二十二电容C22、雪崩二极管，第十一电阻R11的一端与第二十二电容C22的一端、雪崩二极管的阴极连接；
所述的信号放大电路包括第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第二十三电容C23、第二十四电容C24、运算放大器U2，第十五电阻R15和第二十四电容C24并联后一端接模拟地，其另一端与第十二电阻R12的一端、第十三电阻R13的一端连接，第十三电阻R13的另一端与运算放大器U2的同相输入端连接，第十四电阻R14和第二十三电容C23并联后一端与运算放大器U2的反相输入端连接；
所述的滤波电路包括第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第二十五电容C25、第二十六电容C26、运算放大器U3，第十八电阻的一端与第十七电阻R17的一端、第二十五电容C25的一端、第二十六电容C26的一端连接，第二十五电容C25的另一端与第十六电阻R16的一端、运算放大器U3的反相输入端连接，第十七电阻R17的另一端和运算放大器U3的同相端与模拟地连接。
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