干涉型光纖擾動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)和仿真

在現(xiàn)代傳感系統(tǒng)中，干涉型光纖擾動(dòng)傳感器以其極高的靈敏度得到了廣泛關(guān)注。其中關(guān)鍵部分是信號(hào)調(diào)理電路，它用來(lái)檢測(cè)和預(yù)處理非常微弱并夾雜著噪聲的傳感信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，光電探測(cè)器的輸出信號(hào)要先經(jīng)過(guò)前置放大、濾波等預(yù)處理環(huán)節(jié)，最大限度地抑制噪聲，為信號(hào)的進(jìn)一步處理打下基礎(chǔ)。本文主要討論了微弱傳感信號(hào)的調(diào)理電路設(shè)計(jì)，包括前置放大電路的設(shè)計(jì)，帶通濾波器的設(shè)計(jì)和運(yùn)放的選擇，并用MuItisim 10對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真。

1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
    光電探測(cè)器接收到的光信號(hào)一般都非常微弱，而且光電探測(cè)器輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲之中。因此，要先對(duì)這樣的微弱傳感信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過(guò)前置放大電路、濾波電路來(lái)輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測(cè)信號(hào)。
    其信號(hào)調(diào)理模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，完整的信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

    在圖2中，電源電壓輸入端和地之間接入1μF的電容C9，C10，用來(lái)濾除電源帶來(lái)的干擾。

2 光電探測(cè)器及其工作模式選擇
2．1 光電探測(cè)器的選擇
    光電探測(cè)器是一種通過(guò)光電效應(yīng)探測(cè)光信號(hào)的器件。選擇光電探測(cè)器應(yīng)考慮；光電靈敏度要求足夠高；信噪比高；相應(yīng)峰值波長(zhǎng)應(yīng)與發(fā)光器件的發(fā)射波長(zhǎng)、光纖的低損耗窗口相匹配；響應(yīng)速度快；輸出光電流-照度特性曲線的線性度好。
    光電探測(cè)器的種類(lèi)很多。在干涉型光纖傳感器中，光電探測(cè)器通常采用PIN結(jié)型和雪崩型光電二極管。
    PIN光電二極管響應(yīng)頻率高，響應(yīng)速度快，供電電壓低，工作十分穩(wěn)定。雪崩二極管靈敏度高，響應(yīng)快，但需要上百伏的工作電壓，且增益會(huì)引起噪聲，容易帶來(lái)電流失真?？紤]到該系統(tǒng)所據(jù)測(cè)的波長(zhǎng)范圍和器件在0～40℃范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，決定采用InGaAs PIN photodiode G8371-03型光電二極管。該光電二極管在溫度特性方面也相當(dāng)出色，比其他光電二極管有著更好的特性曲線。
2．2 光電探測(cè)器的工作模式
    光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖3所示為光電二極管兩種模式的偏置電路。

    在光伏模式時(shí)，光電二極管可非常精確地線性工作；而在光導(dǎo)模式時(shí)，光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。在反偏置條件下，即使無(wú)光照，仍有一個(gè)很小的電流(暗電流)。而在零偏置時(shí)則沒(méi)有暗電流，這時(shí)二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲。在反偏置時(shí)，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。該設(shè)計(jì)所針對(duì)的待檢測(cè)傳感信號(hào)是十分微弱的信號(hào)，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，所以該設(shè)計(jì)采用光伏模式。

3 前置放大電路
3．1 電路設(shè)計(jì)
    前置放大電路原理如圖4所示。通過(guò)PIN光電二極管輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)I／V變換將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，而后再將電壓信號(hào)經(jīng)中間放大電路進(jìn)行電壓信號(hào)放大。電路分析：運(yùn)放U1A及其外圍元件組成了I／V變換電路。其中R1是為了消除探測(cè)器輸出電流中的毛刺，R2為防止電路自激并提供直流通道，C1為隔直電容，C3和R4用于直流平衡及交流補(bǔ)償。R3為反饋電阻，C2用于減小噪聲帶寬以保證R3對(duì)電路噪聲的影響最小。由于加入電容C2后，電路的幅頻特性會(huì)發(fā)生改變，相當(dāng)于一個(gè)濾波器，所以在選取C2時(shí)要同時(shí)考慮PIN管探測(cè)信號(hào)的頻譜以免將有用信號(hào)過(guò)度衰減或者濾掉。運(yùn)放U1D及其外圍元件R5，R6，R7組成的反相放大器作為中間放大電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)一步放大。

    電路中集成運(yùn)放選擇也十分重要。對(duì)其輸入電阻、開(kāi)環(huán)增益、轉(zhuǎn)換速率和增益帶寬、噪聲電壓都有較高要求。美國(guó)BB公司出品的高速FET輸入寬帶集成運(yùn)算放大器OPA132具有極高的輸入阻抗；較大的開(kāi)環(huán)增益和增益帶寬，極快的電壓轉(zhuǎn)換速率和極小的等效噪聲帶寬，是非常理想的前置放大用集成電路。本文在電路中選擇OPA132的四運(yùn)放形式OPA4132，它大大減小了電路體積與配置的復(fù)雜程度，降低了噪聲引入。
3．2 電路仿真
    搭建仿真電路，并用仿真軟件Multisim 10中兩通道示波器、波特圖示儀對(duì)設(shè)計(jì)的前置放大器分別仿真，得到如圖5所示仿真結(jié)果。從圖5可以看出，經(jīng)過(guò)前置放大電路后輸出信號(hào)相比輸入信號(hào)放大了約2×103倍，且基本無(wú)失真。

    圖6為該電路的幅頻特性曲線?？梢钥闯鲈撉爸梅糯箅娐穼?duì)高頻有一定的抑制作用，其主要是放大了低頻微弱信號(hào)。在圖中曲線的中間水平線中可以清楚得到電路的增益為65．284 dB，用鼠標(biāo)拖動(dòng)讀數(shù)軸可得上限頻率fH=9.501kHz，下限頻率fL=194.486Hz，頻寬B=fH-fL=9.306 kHz。

4 帶通濾波電路
4．1 濾波器設(shè)計(jì)
    為使檢測(cè)電路具有良好的信噪比，還需要用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理。該設(shè)計(jì)在前置放大電路之后加入帶通濾波電路，以除去有用信號(hào)頻帶以外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引入的噪聲。由于振動(dòng)引起的信號(hào)頻率較低，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)確定其信號(hào)的有效頻率在2～5 kHz之間。該設(shè)計(jì)對(duì)濾波器要求為：中心頻率2 kHz，帶寬為500 Hz～8 kHz，帶增益G=2。
    當(dāng)上截止頻率對(duì)下截止頻率的比超過(guò)2(一個(gè)倍頻程)時(shí)，則可認(rèn)為該帶通濾波器是寬帶型的。寬帶型帶通濾波器可以通過(guò)級(jí)聯(lián)對(duì)應(yīng)的低通和高通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)將一個(gè)2階低通濾波器和2階高通濾波器級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)該帶通濾波器。500 Hz，8 kHz分別為高通、低通濾波器的截止頻率，通帶增益G=2?？紤]到對(duì)傳感信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，要盡量避免濾波器的通帶內(nèi)有波紋。因此，本文選取巴特沃斯型帶通濾波器。
    圖7所示的2階帶通濾波器是一種無(wú)限增益多路反饋巴特沃斯型帶通濾波器。其中，同相輸入端接電阻R5，R7的作用是為了把直流失調(diào)減到最小。

4．2 濾波器仿真
    用Multisim 10中波特圖示儀分別對(duì)2階低通濾波器、2階高通濾波器及級(jí)聯(lián)后的2階帶通濾波器分別仿真，得到仿真結(jié)果如圖8，圖9所示。

    圖8中，低通濾波器的截止頻率為8．577 kHz。高通濾波器的截止頻率為530．208 Hz，圖9中，帶通濾波器的上、下截止頻率為8．577 kHz，530．28 Hz。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文針對(duì)干涉型光纖傳感器輸入信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，并運(yùn)用軟件Multisim 10進(jìn)行了仿真。經(jīng)仿真，各參數(shù)基本上都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能較好，對(duì)干涉型光纖擾動(dòng)傳感器實(shí)際應(yīng)用具有一定的使用價(jià)值。