RU2703823C1 - Apparatus for amplification and preliminary processing of pulses from an infrared photodiode - Google Patents
Apparatus for amplification and preliminary processing of pulses from an infrared photodiode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2703823C1 RU2703823C1 RU2018145906A RU2018145906A RU2703823C1 RU 2703823 C1 RU2703823 C1 RU 2703823C1 RU 2018145906 A RU2018145906 A RU 2018145906A RU 2018145906 A RU2018145906 A RU 2018145906A RU 2703823 C1 RU2703823 C1 RU 2703823C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resistor
- output
- photodiode
- input
- pulses
- Prior art date
Links
- 230000003321 amplification Effects 0.000 title abstract description 9
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 title abstract description 9
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 15
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 10
- 230000001629 suppression Effects 0.000 abstract description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F41—WEAPONS
- F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
- F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
- F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
- F41G7/22—Homing guidance systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
- H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
- H03K3/023—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of differential amplifiers or comparators, with internal or external positive feedback
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K5/00—Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
- H03K5/01—Shaping pulses
- H03K5/02—Shaping pulses by amplifying
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области оптического приборостроения.The present invention relates to the field of optical instrumentation.
Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с инфракрасного (ИК) фотодиода предназначено для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиодов, расположенных в фокальной плоскости объектива оптической головки самонаведения (ОГС). При этом сигналы с каждого ИК фотодиода усиливается и предварительно обрабатывается отдельными каскадами усиления, а затем объединяются с помощью коммутатора для дальнейшей совместной обработки.A device for amplifying and pre-processing pulses from an infrared (IR) photodiode is intended for amplifying and pre-processing pulses from IR photodiodes located in the focal plane of the objective lens of an optical homing head. In this case, the signals from each IR photodiode are amplified and pre-processed by separate amplification stages, and then combined using a switch for further joint processing.
Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода может быть использовано в оптико-электронном координаторе - патент РФ на изобретение №2160453 «Оптико-электронный координатор», опубл. 10.12.2000. Из условий применения в составе ОГС устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода:A device for amplifying and pre-processing pulses with an infrared photodiode can be used in an optoelectronic coordinator - RF patent for the invention No. 2160453 "Optoelectronic coordinator", publ. 12/10/2000. From the conditions of use as part of the OGS device for amplification and preprocessing of pulses with an IR photodiode:
- должно иметь предельно большое усиление, ограниченное величиной шума ИК фотодиода;- Must have extremely large gain, limited by the noise of the IR photodiode;
- не должно ухудшать соотношение сигнал-шум с ИК фотодиода (при нахождении ОГС в дальней зоне относительно цели) и не перегружаться по постоянной составляющей фоном;- should not worsen the signal-to-noise ratio with the IR photodiode (when the OGS is in the far zone relative to the target) and should not be overloaded with the DC component in the background;
- должно иметь широкий динамический диапазон по входным сигналам с ИК фотодиода;- must have a wide dynamic range for the input signals from the IR photodiode;
- должно позволять, при дальнейшей обработке, раздельно измерять время прихода каждого импульса, его длительность и определять сравнительную величину импульса по сравнению с другими импульсами от источников в поле обзора ОГС;- should allow, during further processing, to separately measure the arrival time of each pulse, its duration and determine the comparative value of the pulse compared to other pulses from sources in the OGS field of view;
- должно позволять, при дальнейшей обработке, оценивать характеристики импульсов, от источников одновременно находящихся в поле обзора ОГС, вызывающих сигнал различающийся на выходе ИК фотодиода свыше 1000 раз между собой (при нахождении в поле обзора ОГС ложных тепловых целей (ЛТЦ));- should allow, during further processing, to evaluate the characteristics of pulses from sources simultaneously located in the OGS field of view, causing a signal that differs at the output of the IR photodiode more than 1000 times from each other (when false thermal targets (LTC) are in the OGS field of view);
- должно позволять для больших сигналов, при дальнейшей обработке, оценивать характеристики сигнала, включая величину постоянной составляющей (при нахождении ОГС в ближней зоне относительно цели).- should allow for large signals, with further processing, to evaluate the characteristics of the signal, including the value of the DC component (when the OGS is in the near zone relative to the target).
Изготовители ИК фотодиодов и оборудования для работы с ними рекомендуют для достижения максимальной обнаружительной способности использовать для усиления сигнала с ИК фотодиодов InSb трансимпедансные усилители (ТИУ), которые преобразует входной ток в напряжение (www.teledynejudson.com/files/indiumant_03_37A.pdf), а для исключения насыщения усилителя постоянной составляющей при требуемом большом усилении использовать, на втором этапе, усиление по переменному току. ТИУ образован операционным усилителем (ОУ), охваченным отрицательной обратной связью через резистор, включенный между выходом ОУ и его инвертирующем входом. Для расширения динамического диапазона используют нелинейные устройства, включаемые в обратную связь ТИУ, как например, в патенте США №4218613 «Amplifier for electric signals» («Усилитель электрических сигналов»), опубл. 19.08.1980 г.To achieve maximum detection ability, manufacturers of IR photodiodes and equipment for working with them recommend using transimpedance amplifiers (TIU) to amplify the signal from InSb IR photodiodes, which converts the input current to voltage (www.teledynejudson.com/files/indiumant_03_37A.pdf), and to exclude saturation of the amplifier with a DC component at the required large gain, use, in the second stage, AC amplification. TIU is formed by an operational amplifier (OA), covered by negative feedback through a resistor connected between the OA output and its inverting input. To expand the dynamic range, nonlinear devices are used that are included in the TIU feedback, such as, for example, in US Pat. No. 4,218,613 "Amplifier for electric signals", publ. 08/19/1980
Известно устройство - патент США №4555623 «Pre-amplifier in focal detector array» («Предусилитель в фокусном блоке детектора»), опубл. 26.11.1985 г., предназначенное для предварительной обработки сигналов с матрицы фотодиодов, размещаемых в фокальной плоскости оптической системы. Оно содержит ТИУ, полосовой фильтр, второй усилитель, коммутатор на выходе второго усилителя и электрическую схему управления. ТИУ выполнен для расширения динамического диапазона с изменяемым коэффициентом передачи. Его недостатком является невозможность оценивать характеристики импульсов от источников одновременно находящихся в поле обзора ОГС, вызывающих сигнал, различающийся на выходе ИК фотодиода свыше 1000 раз между собой.A device is known - US patent No. 4555623 "Pre-amplifier in focal detector array" ("Preamplifier in the focal block of the detector"), publ. 11/26/1985, intended for pre-processing of signals from a matrix of photodiodes placed in the focal plane of the optical system. It contains a TIU, a bandpass filter, a second amplifier, a switch at the output of the second amplifier, and a control circuit. TIU is made to expand the dynamic range with a variable transmission coefficient. Its disadvantage is the inability to assess the characteristics of pulses from sources simultaneously located in the OGS field of view, causing a signal that differs at the output of the IR photodiode more than 1000 times from each other.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для съема и обработки сигналов с фотодиода - патент РФ на полезную модель №40554 «Устройство для съема и обработки сигналов с фотодиодов», опубл. 10.09.2004 г.The closest in technical essence to the present invention is a device for picking up and processing signals from a photodiode - RF patent for utility model No. 40554 "Device for picking up and processing signals from photodiodes", publ. September 10, 2004
Устройство для съема и обработки сигналов с фотодиода, предназначено для предварительной обработки сигналов с фотодиодов. Оно содержит последовательно соединенные блоки в цепи каждого фотодиода: ТИУ, фильтр высоких частот, подавляющий сигнал от постоянной засветки фоном, дискретно-временные интеграторы на ОУ с включенным в цепь обратной связи ограничителем. Выходы ТИУ и выходы дискретно-временных интеграторов на ОУ подключены к входам коммутатора, который связан с электрической схемой управления. С выхода коммутатора сигналы фотодиодов, предварительно усиленные и отфильтрованные, поступает для дальнейшей обработки. Устройство позволяет оценивать характеристики больших сигналов, включая величину постоянной составляющей, используя выход ТИУ. За счет введения ограничителей в дискретно-временных интеграторов несколько расширен диапазон одновременно наблюдаемых сигналов. Недостатком устройства является то, что оно не позволяет обеспечить оценки характеристик импульсов от источников одновременно находящихся в поле обзора ОГС, вызывающих сигнал, различающийся на выходе ИК фотодиодов свыше 1000 раз между собой.A device for picking up and processing signals from a photodiode, is intended for preliminary processing of signals from photodiodes. It contains series-connected blocks in the circuit of each photodiode: TIU, a high-pass filter, a suppression signal from constant background illumination, discrete-time integrators on the op-amp with a limiter included in the feedback circuit. The outputs of the TIU and the outputs of the discrete-time integrators on the op-amp are connected to the inputs of the switch, which is connected to the electrical control circuit. From the switch output, the photodiode signals, previously amplified and filtered, are supplied for further processing. The device allows you to evaluate the characteristics of large signals, including the value of the DC component, using the output of the TIU. Due to the introduction of limiters in discrete-time integrators, the range of simultaneously observed signals is somewhat expanded. The disadvantage of this device is that it does not allow evaluating the characteristics of pulses from sources simultaneously located in the OGS field of view, causing a signal that differs at the output of IR photodiodes more than 1000 times from each other.
Таким образом, основной задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно, возможность проводить обработку сигналов с ИК фотодиодов, в широком динамическом диапазоне входных сигналов снижая при этом область подавления большими сигналами малых сигналов в поле обзора ОГС.Thus, the main objective of the invention is to expand the functionality of the device, namely, the ability to process signals from IR photodiodes, in a wide dynamic range of input signals, while reducing the area of suppression of large signals by small signals in the OGS field of view.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода, которое, как и наиболее близкое, выбранное в качестве прототипа содержит ИК фотодиод, подключенный к блоку обработки сигнала. Блок обработки сигнала включает первый операционный усилитель (далее - первый ОУ) с резистором отрицательной обратной связи, включенным между выходом первого ОУ и его инверсным входом, второй операционный усилитель (далее - второй ОУ) с вторым резистором отрицательной обратной связи и конденсатором, включенными между выходом второго ОУ и его инверсным входом и подключенными к выходу первого ОУ через фильтр верхних частот (ФВЧ), который состоит из последовательно соединенных конденсатора и резистора ФВЧ. Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода содержит также коммутатор, входы которого соединены с выходами первого и второго ОУ. Вход управления коммутатора подключен к электрической схеме управления.To solve this problem, a device for amplifying and pre-processing pulses from an IR photodiode is proposed, which, like the closest one selected as a prototype, contains an IR photodiode connected to a signal processing unit. The signal processing unit includes a first operational amplifier (hereinafter - the first op-amp) with a negative feedback resistor connected between the output of the first op-amp and its inverse input, a second operational amplifier (hereinafter - the second op-amp) with a second negative feedback resistor and a capacitor connected between the output the second op-amp and its inverse input and connected to the output of the first op-amp through a high-pass filter (HPF), which consists of a series-connected capacitor and an HPF resistor. A device for amplifying and pre-processing pulses with an infrared photodiode also contains a switch, the inputs of which are connected to the outputs of the first and second op-amps. The control input of the switch is connected to a control circuit.
В отличие от прототипа, ИК фотодиод подключен к входу первого ОУ через дополнительный первый резистор, величиной Rs, выбранной из условияUnlike the prototype, an IR photodiode is connected to the input of the first op-amp through an additional first resistor, the value of R s selected from the condition
Rs>Roc V0/Voгp, гдеR s > R oc V 0 / V ogp , where
Roc - величина резистора отрицательной обратной связи первого ОУ;R oc is the value of the negative feedback resistor of the first op-amp;
V0 - напряжение холостого хода ИК фотодиода;V 0 - open circuit voltage of the IR photodiode;
Voгр - максимальное неограниченное напряжение на выходе первого ОУ.V ogr - maximum unlimited voltage at the output of the first op-amp.
Кроме того, ФВЧ дополнен третьим резистором, размещенным между конденсатором и резистором ФВЧ, причем общая точка их соединения связана через дополнительно введенную нелинейную цепь с выходом второго ОУ.In addition, the HPF is supplemented by a third resistor located between the capacitor and the HPF resistor, and the common point of their connection is connected through an additional nonlinear circuit to the output of the second op-amp.
Нелинейная цепь выполнена в виде транзистора, эмиттер которого подключен к общей точке соединения третьего резистора и резистора ФВЧ, а база связана с выходом второго ОУ через четвертый резистор.The non-linear circuit is made in the form of a transistor, the emitter of which is connected to a common connection point of the third resistor and the HPF resistor, and the base is connected to the output of the second op-amp through the fourth resistor.
Нелинейная цепь может быть выполнена на компараторе и аналоговом ключе, при этом вход компаратора подключен к выходу второго ОУ, а выход компаратора соединен с управляющим входом аналогового ключа, при этом аналоговый ключ включен через пятый резистор между общей точкой соединения третьего резистора и резистора ФВЧ и общим сигнальным входом второго ОУ.A non-linear circuit can be performed on the comparator and the analog key, while the comparator input is connected to the output of the second op-amp, and the comparator output is connected to the control input of the analog key, while the analog key is connected through the fifth resistor between the common connection point of the third resistor and the HPF resistor and the common the signal input of the second op-amp.
Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода может содержать n ИК фотодиодов, подключенных к n блокам обработки сигналов, n выходы которых подключены к коммутатору.A device for amplifying and pre-processing pulses with an IR photodiode may contain n IR photodiodes connected to n signal processing units, n outputs of which are connected to the switch.
Для малых сигналов, для улучшения отношения сигнал-шум, как известно, применяют согласованные фильтры и после них производят оценку параметров импульсов. Для больших сигналов применение согласованных фильтров не обязательно. В предлагаемом изобретении цель достигается изменением нелинейной обработки формы импульса в зависимости от величины сигнала, что может учитываться при вторичной обработке сигналов.For small signals, in order to improve the signal-to-noise ratio, as is known, matched filters are used and, after them, pulse parameters are estimated. For large signals, matching filters are not necessary. In the present invention, the goal is achieved by changing the nonlinear processing of the pulse shape depending on the magnitude of the signal, which can be taken into account during secondary signal processing.
При малом уровне сигнала нелинейная цепь не влияет на сигнал т.к. обладает пороговым свойством, поэтому возможно применение способов обработки сигналов с использованием линейных цепей. ФВЧ удаляет постоянную составляющую и уменьшает низкие частоты из входного сигнала, позволяя получить высокое усиление, но, при больших сигналах, увеличивает область подавления малых сигналов в поле обзора ОГС большими сигналами. Источники (самолеты, вертолеты) сигнала для ОГС в атмосферном окне 3..5 мк имеют положительный контраст над фоном, как и ЛТЦ, т.е. полезные импульсы на входе ФВЧ имеют определенную полярность. ФВЧ обладает дифференцирующими свойствами. На его выходе после импульса той же полярности, что и входной, наблюдается импульс другой полярности, называемый его «хвостом». Малые сигналы в этом «хвосте» подавляются. Нелинейная цепь предназначена для подавления «хвостов», если его амплитуда на выходе второго ОУ превышает пороговый уровень нелинейной цепи за счет ограничения величины амплитуды «хвоста» и уменьшения постоянной времени ФВЧ, когда действует «хвост». При среднем уровне сигнала, когда сигнал на выходе первого ОУ значительно превышает шумовой, он используется при дальнейшей обработке. Может применяться обработка сигнала как линейными, так и нелинейными цепями. При большом уровне сигнала ИК фотодиод, за счет первого резистора, через который подключен к входу первого ОУ выдает сигнал пропорциональный логарифму входного сигнала. Этим обеспечивается большой динамический диапазон для входных импульсов и при дальнейшей обработке, позволяет оценивать характеристики импульсов, от источников одновременно находящихся в поле обзора ОГС, различающийся по мощности свыше 1000 раз между собой. В этом случае, например, при сравнении уровня сигналов от разных источников между собой можно, вместо отношения сигналов между собой, использовать разность сигналов.With a low signal level, a nonlinear circuit does not affect the signal since possesses a threshold property, therefore, it is possible to use signal processing methods using linear circuits. The high-pass filter removes the DC component and reduces the low frequencies from the input signal, allowing high gain, but, with large signals, it increases the suppression region of small signals in the OGS field of view with large signals. The sources (airplanes, helicopters) of the signal for the OGS in the atmospheric window of 3..5 microns have a positive contrast over the background, like the LTC, i.e. useful pulses at the input of the HPF have a certain polarity. HPF has differentiating properties. At its output, after an impulse of the same polarity as the input, an impulse of a different polarity, called its “tail,” is observed. Small signals in this tail are suppressed. A non-linear circuit is designed to suppress “tails” if its amplitude at the output of the second op-amp exceeds the threshold level of the non-linear circuit by limiting the amplitude of the “tail” and decreasing the time constant of the high-pass filter when the “tail” acts. At an average signal level, when the signal at the output of the first op-amp significantly exceeds the noise one, it is used in further processing. Signal processing can be used with both linear and non-linear circuits. With a large signal level, the IR photodiode, due to the first resistor through which it is connected to the input of the first op-amp, gives a signal proportional to the logarithm of the input signal. This provides a large dynamic range for input pulses and, upon further processing, allows one to evaluate the characteristics of pulses from sources simultaneously located in the OGS field of view, which differs in power over 1000 times from each other. In this case, for example, when comparing the level of signals from different sources with each other, instead of the ratio of the signals to each other, you can use the difference of the signals.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами и осциллограммами, представленными на фигурах 1, 2, 3, 4.The invention is illustrated by drawings and waveforms shown in figures 1, 2, 3, 4.
На Фиг. 1 показана упрощенная схема устройства для усиления и предварительной обработки импульсов с двух ИК фотодиодов с нелинейной цепью, выполненной на транзисторе.In FIG. 1 shows a simplified diagram of a device for amplifying and preprocessing pulses from two IR photodiodes with a nonlinear circuit made on a transistor.
На Фиг. 2 показано возможное выполнение нелинейной цепи с использованием компаратора и аналогового ключа.In FIG. Figure 2 shows the possible implementation of a nonlinear circuit using a comparator and an analog key.
На Фиг. 3 приведены осциллограммы сигналов на выходах первого и второго ОУ для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода.In FIG. Figure 3 shows the waveforms of the signals at the outputs of the first and second op-amps for amplification and preprocessing of pulses from an IR photodiode.
Импульсы сигнала с ИК фотодиода имеют форму вида y=k(Cos(x))2. Приводится импульс малой величины следующий за импульсом с меняющейся амплитудой в диапазоне 1..105 раз большей амплитуды импульса малой величины. Амплитуда большого импульса увеличивается шагами с коэффициентом умножения десять. Использованы модель ИК фотодиода InSb при температуре -196°С (температура жидкого азота) и модель ОУ AD822.The pulses of the signal from the IR photodiode are of the form y = k (Cos (x)) 2 . A small pulse is given following a pulse with a changing amplitude in the
На Фиг. 4, для сравнения, показаны осциллограммы сигналов на выходах первого и второго ОУ при отключенной нелинейной цепи и непосредственном подключении инфракрасного фотодиода InSb к входу первого ОУ. Приводится импульс малой величины следующий за импульсом с меняющейся амплитудой в диапазоне 1..105 раз большей амплитуды импульса малой величины.In FIG. 4, for comparison, the waveforms of the signals at the outputs of the first and second op-amps are shown with the non-linear circuit switched off and the infrared InSb photodiode connected directly to the input of the first op-amp. A small pulse is given following a pulse with a changing amplitude in the
Предлагаемое устройство (Фиг. 1) содержит ИК фотодиод 1, подключенный к блоку обработки сигнала 2, коммутатор 3, вход управления которого подключен к электрической схеме управления 4. Блок обработки сигнала 2 содержит первый операционный усилитель 5 (далее - первый ОУ) с резистором отрицательной обратной связи 6, включенным между выходом первого ОУ 5 и его инверсным входом, при этом ИК фотодиод 1 подключен к входу первого ОУ 5 через первый резистор 7. Второй операционный усилитель 8 (далее - второй ОУ), подключен к выходу первого ОУ 5 через фильтр верхних частот 9 (ФВЧ), состоящий из последовательно соединенных конденсатора 10 и резистора ФВЧ 11. Выходы первого ОУ 5 и второго ОУ 8 соединены с входом коммутатора 3.The proposed device (Fig. 1) contains an
Второй ОУ 8 обеспечивает усиление импульсов и выполняет функцию фильтра низких частот. Усиление и полосу пропускания фильтра низких частот задают второй резистор 12 и конденсатор 13, включенные между выходом и входом второго ОУ 8. Между конденсатором 10 и резистором ФВЧ 11 включен третий резистор 14. Общая точка 15 соединения резистора ФВЧ 11 и третьего резистора 14 через нелинейную цепь 16 соединена с выходом второго ОУ 8. Нелинейная цепь 16 имеет выводы 17 и 18. Вывод 17 подключен к общей точке 15 соединения резистора ФВЧ 11 и третьего резистора 14. Вывод 18 соединен с выходом второго ОУ 8. Блок обработки сигнала 2 ИК фотодиода 1 через выводы 19 и 20 соединен с коммутатором 3. Нелинейная цепь 16 выполнена на транзисторе 21, эмиттер которого соединен с общей точкой 15 соединения резистора ФВЧ и третьего резистора 14, а база через четвертый резистор 22 связана с выходом второго ОУ 8.The second op-amp 8 provides pulse amplification and performs the function of a low-pass filter. The gain and passband of the low-pass filter are set by a
Другое возможное выполнение нелинейной цепи 16 приведено на фиг. 2. В нелинейной цепи 16 использован компаратор 23 и аналоговый ключ 24. Последовательно с аналоговым ключом 24 включен пятый резистор 25.Another possible embodiment of
Второй ИК фотодиод 26 подключен к блоку обработки сигнала 27, выполненному аналогично блоку обработки сигнала 2 ИК фотодиода 1 и через выводы 28 и 29 соединен с коммутатором 3.The
Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода работает в зависимости от текущей величины импульса следующим образом.A device for amplifying and pre-processing pulses with an IR photodiode operates depending on the current pulse value as follows.
Для обеспечения измерения больших сигналов, которые создают ЛТЦ, ИК фотодиод 1 подключен к входу первого ОУ 5 через первый резистор 7 величиной Rs, выбранный из условияTo ensure the measurement of large signals that create LTC,
RS>ROCV0/VОГР, гдеR S > R OC V 0 / V OGR , where
RОС - величина резистора отрицательной обратной связи 6 в цепи отрицательной обратной связи первого ОУ 5,R OS - the value of the
V0 - напряжение холостого хода ИК фотодиода 1 (для ИК фотодиода InSb напряжение холостого хода составляет ~90 мв)V 0 is the open circuit voltage of the IR photodiode 1 (for the InSb IR photodiode, the open circuit voltage is ~ 90 mV)
VОГР - максимальное неограниченное напряжение на выходе первого ОУ 5.V OGR - maximum unlimited voltage at the output of the first op-amp 5.
Такое условие для RS переводит, при больших освещенностях, ИК фотодиод 1 в режим работы, когда напряжение на выходе пропорционально логарифму величины светопотока, падающего на него и увеличивает величину входных сигналов, вызывающих насыщение (переход в режим ограничения) первого ОУ 5. При меньших уровнях входного сигнала, сигнал ИК фотодиода 1 преобразуется в напряжение на выходе первого ОУ 5, фильтруется и усиливается фильтром верхних частот 9 и фильтром низких частот на втором ОУ 8 с использованием резистора 12 и конденсатора 13. Сигналы с выходов первого ОУ 5 и второго ОУ 8, через коммутатор 3 поступают в электрическую схему управления 4, содержащую микроконтроллер и АЦП. Микроконтроллер выбирает последовательно, какой канал подключается на вход АЦП, управляет запуском АЦП на преобразование и считывает преобразованное значение в память микроконтроллера для вторичной обработки. В памяти микроконтроллера одновременно находятся величины преобразованных АЦП импульсных сигналов с выходов 19 и 20, которые используются для вторичной обработки способами, различающимися в зависимости от величины импульсного сигнала. Например, возможно такое разделение:This condition for R S translates, at high illumination, the
- импульсный сигнал меньше порогового уровня нелинейной цепи 16;- the pulse signal is less than the threshold level of the
- импульсный сигнал меньше уровня ограничения второго ОУ8;- the pulse signal is less than the level of restriction of the second OS8;
- импульсный сигнал меньше уровня перехода ИК фотодиода 1 в режим работы, когда напряжение на его выходе пропорционально логарифму величины светопотока, падающего на него;- the pulse signal is less than the level of transition of the
- импульсный сигнал больше уровня перехода ИК фотодиода 1 в режим работы, когда напряжение на его выходе пропорционально логарифму величины светопотока, падающего на него.- the pulse signal is greater than the level of transition of the
На фиг. 3 на осциллограммах 35, 36 приведен вид сигналов на выходе первого ОУ 5 в разных масштабах, а на осциллограммах 37, 38, также в разных масштабах приведен вид сигналов на выходе второго ОУ 8. На осциллограммах показаны два импульса. Амплитуда первого импульса увеличивается с каждой новой разверткой в 10 раз. Приведены 6 разверток, наложенные друг на друга. Поэтому амплитуда первого импульса последовательно увеличивается от равной второму импульсу до большей второму импульсу в ~105 раз. На осциллограмме 37 первый импульс занимает временной интервал 0…1,9 мс (при возрастании амплитуды). А второй импульс начинается после 2 мс. Осциллограмма 39 соответствует первому импульсу с малой амплитудой, а осциллограмма 40 соответствует второму импульсу. Осциллограмма 41 соответствует импульсу в ~1000 раз большему импульса на осциллограмме 40, а осциллограмма 42 соответствует импульсу в ~105 раз большего импульсу на осциллограмме 40. На осциллограмме 35 осциллограмме 41 соответствует осциллограмма 43 от импульса в 1000 раз большего импульсу, показанному на осциллограмме 39. Осциллограмме 44 на осциллограмме 35 соответствует осциллограмма 42 на осциллограммах 36. Осциллограммы 44 и 45 образованы входными импульсами, различающимися в 10 раз. По амплитуде импульсы на выходе первого ОУ 5 отличаются, как следует из осциллограмм, на 81 мВ. На выходе 16-ти разрядного АЦП (например, AD7699) с диапазоном 5 В эти импульсы будут различаться по кодам более чем на 1000 бит.Импульсам малой амплитуды (осциллограммы 39, 40 на осциллограмме 36) после усиления вторым ОУ 8 соответствуют на осциллограмме 37 осциллограммы 46 и 47. По результатам моделирования «хвост» первого импульса (осциллограмма 48) в 105 раз больше второго импульса (осциллограмма 47) уменьшает разность между положительным и отрицательным значениями этого импульса меньше чем на 10%. Из осциллограммы 38 следует, что нелинейная цепь 16 ограничивает амплитуду «хвоста» (осциллограмма 49) на уровне около 0,5 В и уменьшает протяженность «хвоста».In FIG. 3, the waveforms at the output of the first op-amp 5 are shown at different scales on the
Рассмотрим влияние первого импульса на возможность измерения следующего за ним импульса малой величины при отключении нелинейной цепи 16 и непосредственном подключении ИК фотодиода 1 к выходу первого ОУ 5 с использованием осциллограмм Фиг. 4.Let us consider the influence of the first pulse on the possibility of measuring the next small pulse next to it when the
На осциллограммах 50, 51 показаны сигналы на выходе первого ОУ 5, на осциллограммах 52, 53 приведены осциллограммы на выходе второго ОУ 8. На осциллограммах показаны два импульса. Амплитуда первого импульса увеличивается с каждой новой разверткой в 10 раз. Приведено 6 разверток, наложенных друг на друга. Поэтому амплитуда первого импульса последовательно увеличивается от равной второму импульсу до большей второму импульсу в 105 раз. На осциллограмме 51 первый импульс занимает временной интервал 0…0,9 мс (при возрастании амплитуды), а второй импульс начинается после 2 мс. Второй импульс осциллограммы 54 имеет амплитуду 4,3 мВ и такую же амплитуду имеет минимальный первый импульс осциллограммы 55. Импульс осциллограммы 56 имеет амплитуду в 1000 раз большую амплитуды первого импульса осциллограммы 55. На осциллограмме 50 этому импульсу соответствует осциллограмма 57. Осциллограмму 58 создает первый импульс в 105 раз больший второму импульсу осциллограммы 54. На осциллограммах 50 этому импульсу соответствует осциллограмма 59. Осциллограмму 60 создает импульс имеющий амплитуду в 10 раз меньшую, чем импульс образующий осциллограмму 59. Как следует из осциллограмм 50 импульсы создавшие осциллограммы 59 и 60 не различаются по амплитуде на выходе первого ОУ 5, в то время, как на Фиг. 3 импульсы с такими амплитудами различаются по амплитуде.The
На осциллограммах 52, полученных с выхода второго ОУ 8, импульсу с осциллограммой 55 соответствует осциллограмма 61 с «хвостом» осциллограмма 62, а импульсу с осциллограммой 54 соответствует осциллограмма 63 с «хвостом» осциллограмма 64. При малой амплитуде первый импульс не влияет на осциллограмму второго. Первый импульс в 1000 раз больше второго создает на осциллограммах 52 «хвост», которому соответствует осциллограмма 65. Этот «хвост» не позволяет обнаружить малый импульс (осциллограмма 54) на выходе второго ОУ 8. На осциллограммах 53 «хвостам» импульсов в 10, 100. 1000, 10000, 100000 раз больших импульсу с осциллограммы 54 соответствуют осциллограммы 66, 67, 68, 69, 70.On the
Из Фиг. 3 и Фиг. 4 следует, что без использования предлагаемого технического решения импульс больший в 1000 раз следующего за ним импульса подавляет своим «хвостом» импульс от второго импульса на выходе второго ОУ 8, в то время, как при использовании предлагаемого решения амплитуда этого импульса меняется меньше, чем на 10%. Кроме этого, можно оценивать амплитуды импульсов в широком динамическом диапазоне (больше 106 раз).From FIG. 3 and FIG. 4 it follows that without using the proposed technical solution, a pulse greater than 1000 times the pulse following it suppresses with its “tail” the pulse from the second pulse at the output of the second op-amp 8, while when using the proposed solution the amplitude of this pulse changes less than 10%. In addition, it is possible to estimate the pulse amplitudes in a wide dynamic range (more than 10 6 times).
Итак, предлагаемое изобретение решает поставленную задачу - расширение функциональных возможностей применения, а именно, возможность проводить обработку сигналов с ИК фотодиодов в широком динамическом диапазоне входных сигналов снижая при этом область подавления большими сигналами малых сигналов в поле обзора ОГС.So, the present invention solves the problem - the expansion of the functionality of the application, namely, the ability to process signals from IR photodiodes in a wide dynamic range of input signals while reducing the area of suppression of large signals of small signals in the OGS field of view.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018145906A RU2703823C1 (en) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Apparatus for amplification and preliminary processing of pulses from an infrared photodiode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018145906A RU2703823C1 (en) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Apparatus for amplification and preliminary processing of pulses from an infrared photodiode |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2703823C1 true RU2703823C1 (en) | 2019-10-22 |
Family
ID=68318174
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018145906A RU2703823C1 (en) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Apparatus for amplification and preliminary processing of pulses from an infrared photodiode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2703823C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2731528C1 (en) * | 2020-02-19 | 2020-09-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Apparatus for receiving, amplifying and preliminary processing signals of optical data channels in the infrared range |
| RU2757375C1 (en) * | 2021-02-25 | 2021-10-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ) (RU) | Device for receiving, amplifying, preprocessing signals of optical data transmission channels in the infrared range |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4555623A (en) * | 1983-12-05 | 1985-11-26 | Irvine Sensors Corporation | Pre-amplifier in focal plane detector array |
| RU9352U1 (en) * | 1998-04-21 | 1999-02-16 | Открытое акционерное общество "ЛОМО" | DEVICE FOR REMOVING AND PROCESSING SIGNALS FROM PHOTODIODES |
| RU40554U1 (en) * | 2004-04-12 | 2004-09-10 | Открытое акционерное общество "ЛОМО" | DEVICE FOR REMOVING AND PROCESSING SIGNALS FROM PHOTODIODS |
| US20070267665A1 (en) * | 2003-09-19 | 2007-11-22 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Optical Sensor Device and Electronic Apparatus |
| WO2014173923A1 (en) * | 2013-04-26 | 2014-10-30 | Xenics Nv | Method for detecting a photocurrent |
| RU2670690C9 (en) * | 2015-09-03 | 2018-11-28 | Джонсон Энд Джонсон Вижн Кэа, Инк. | Anti-aliasing photodetector system |
-
2018
- 2018-12-21 RU RU2018145906A patent/RU2703823C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4555623A (en) * | 1983-12-05 | 1985-11-26 | Irvine Sensors Corporation | Pre-amplifier in focal plane detector array |
| RU9352U1 (en) * | 1998-04-21 | 1999-02-16 | Открытое акционерное общество "ЛОМО" | DEVICE FOR REMOVING AND PROCESSING SIGNALS FROM PHOTODIODES |
| US20070267665A1 (en) * | 2003-09-19 | 2007-11-22 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Optical Sensor Device and Electronic Apparatus |
| RU40554U1 (en) * | 2004-04-12 | 2004-09-10 | Открытое акционерное общество "ЛОМО" | DEVICE FOR REMOVING AND PROCESSING SIGNALS FROM PHOTODIODS |
| WO2014173923A1 (en) * | 2013-04-26 | 2014-10-30 | Xenics Nv | Method for detecting a photocurrent |
| RU2670690C9 (en) * | 2015-09-03 | 2018-11-28 | Джонсон Энд Джонсон Вижн Кэа, Инк. | Anti-aliasing photodetector system |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2731528C1 (en) * | 2020-02-19 | 2020-09-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Apparatus for receiving, amplifying and preliminary processing signals of optical data channels in the infrared range |
| RU2757375C1 (en) * | 2021-02-25 | 2021-10-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ) (RU) | Device for receiving, amplifying, preprocessing signals of optical data transmission channels in the infrared range |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2703823C1 (en) | Apparatus for amplification and preliminary processing of pulses from an infrared photodiode | |
| CN104748844A (en) | Signal processing system for four-quadrant photoelectric detector | |
| CN108871308A (en) | A kind of optical fibre gyro pre-amplification circuit based on switched-capacitor integrator | |
| US20120105033A1 (en) | Light amount detecting apparatus, and light amount information processing apparatus | |
| Pehkonen et al. | Receiver channel with resonance-based timing detection for a laser range finder | |
| CN106850055B (en) | A kind of wideband low noise analog front circuit for optical fiber hit detection system | |
| CN104359455A (en) | Photodiode circuit based on background noise elimination and laser ranging system | |
| SE449545B (en) | PROCEDURAL EQUIPMENT TO EXPAND THE DYNAMIC AREA IN AN INTRODUCTION STEP | |
| EP1841101A3 (en) | Optical transmission system | |
| CN108534893B (en) | Photoelectric detection circuit for optical heterodyne detection | |
| US9714969B2 (en) | Systems and methods for spectroscopic measurement of a characteristic of biological tissue | |
| RU2731528C1 (en) | Apparatus for receiving, amplifying and preliminary processing signals of optical data channels in the infrared range | |
| CN113465637A (en) | Photoelectric receiving and detecting circuit | |
| CN112737517A (en) | Alternating current small signal differential amplification filter circuit suitable for measuring internal resistance of battery | |
| CN215639499U (en) | Photoelectric receiving and detecting circuit | |
| US20190063992A1 (en) | Optical parameter measurement device and optical parameter measurement method | |
| JP2558691B2 (en) | AC light component amplifier | |
| JP2016111449A (en) | Signal processing device and radiation measurement device | |
| RU161896U1 (en) | PULSE OPTICAL SIGNAL AMPLIFIER | |
| CN217403391U (en) | Weak signal processing circuit | |
| JP4370577B2 (en) | Signal extraction method and signal extraction circuit | |
| CN216904871U (en) | Photoelectric conversion and signal conditioning system | |
| US8816267B2 (en) | DC bias evaluation in an AC coupled circuit via transient gain response | |
| RU2721155C1 (en) | Low-pass filter of third order with minimum number of capacitors per order | |
| Assaad et al. | Design and characterization of multi-color sensor circuit |