1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘要 設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于微光夜視儀檢測設(shè)備中低噪聲的光電檢測系統(tǒng)，分析了電路中產(chǎn)生的主要噪聲，并提出了抑制方法。系統(tǒng)采用光敏二極管作為光電檢測器件，并利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了光照度的實(shí)時(shí)顯示與超差報(bào)警以及與上位機(jī)的通信。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；光電檢測電路；光電二極管c ，：；h；0 引言 夜視技術(shù)在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是在軍事方面的需求是夜視技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，為了提升戰(zhàn)爭的突然性以及擴(kuò)大戰(zhàn)爭的時(shí)間范圍和空間范圍，需要部隊(duì)在星光或月光等微弱光照度情況下對(duì)戰(zhàn)場進(jìn)行偵查和監(jiān)控，這就必須依靠夜視技術(shù)，所以，微光夜視儀設(shè)備的可靠性將直接影

2、響到軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力。要確保每一個(gè)裝備的夜視儀都是合格的，就對(duì)檢測設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)提出了很高的要求。為模擬實(shí)際中的夜天光環(huán)境，在微光夜視儀檢測設(shè)備中的光源要求色溫為，光照度的變化不超過±。光應(yīng)力源是否符合要求直接決定了整套系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及判斷結(jié)果的準(zhǔn)確度，所以，為了保證檢測設(shè)備的檢測精度以及檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求對(duì)光源的照度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)光源變化超出規(guī)定范圍時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警，提示進(jìn)行設(shè)備維修或光源的更換。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理系統(tǒng)主要包括：光電檢測電路、光照度顯示模塊、超差報(bào)警模塊、串口通信模塊。具體原理是通過光電檢測電路將采集到的外界自然光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直流電壓信號(hào)，再通過將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)

3、換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償算法獲得精確的實(shí)際采樣值，控制數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)光照度，一旦光照度不符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，則通過報(bào)警燈及蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)，通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。系統(tǒng)原理框圖如圖所示。 圖1 光應(yīng)力源監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖光電檢測電路光電檢測電路是通過將照射于光電探測器上的光通量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的光電流，再經(jīng)過電流放大、電壓轉(zhuǎn)換等后續(xù)電路進(jìn)一步優(yōu)化有用信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)光信號(hào)獲取的一種方法。這種電路已被廣泛用于軍事、農(nóng)業(yè)、民用等諸多領(lǐng)域在光電系統(tǒng)中，光電檢測電路把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，再與后面的檢測和運(yùn)算系統(tǒng)對(duì)接。光電檢測電路在整個(gè)光電系統(tǒng)中是非常重要的，它的性

4、能好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能好壞。光電檢測電路的設(shè)計(jì) 由于本電路中采用的光電探測器的輸出信號(hào)為電流信號(hào)，所以，先要經(jīng)過前置放大電路將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，但由于光電探測器的輸出電流信號(hào)比較微弱，所以，在經(jīng)過前置放大電路后，還需要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)一步放大到便于下一步微處理器處理的范圍。但在測量信號(hào)得到放大的同時(shí)噪聲也被放大，所以，為了測量的精準(zhǔn)性，必須使用濾波電路限制噪聲的頻率范圍，將大部分噪聲濾除掉。檢測電路由前置放大電路、濾波電路和二級(jí)放大電路組成，光電檢測電路結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。 設(shè)計(jì)光電檢測電路有個(gè)規(guī)則：一是降低電路噪聲，提高輸出信噪比；二是為避免出現(xiàn)頻率失真，要保證

5、電路通頻帶的范圍足夠?qū)挘蝗菫楸ＷC輸出信號(hào)功率大，后續(xù)電路的輸入阻抗要與檢測電路匹配。光電檢測器件采用普通 結(jié)硅光電二極管。因?yàn)楣怆姸O管本身具有優(yōu)越的光電線性特性和頻率特性好、較小的暗電流、良好的穩(wěn)定性，光電二極管的工作模式又可以分為兩類：）光導(dǎo)模式，在光電二極管兩端加反向偏置電壓；）光伏模式，在光電二極管兩端不加電壓直接與負(fù)載相連。前一種模式的時(shí)間常數(shù)較小，造成這樣結(jié)果的主要原因是外加反向偏置電壓可以減小結(jié)電容，因此，可以用在脈沖和高頻調(diào)制光的探測上。光導(dǎo)模式的主要缺點(diǎn)就是暗電流的干擾比較大。與此相反，后一種模式中的暗電流影響非常小，所以電路噪聲小，在恒定和低速調(diào)制微弱光的測量上有著更大的

6、優(yōu)勢。結(jié)光電二極管比 結(jié)光電二極管的輸出電流大。結(jié)光電二極管更適合在反向偏壓下工作。前置放大器采用集成運(yùn)算放大器。光電二極管與集成運(yùn)放的連接方法屬于電流放大型，光電二極管和運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端同極性相連，電阻作為反饋電阻。 圖中，由于在光電二極管兩端沒有加反向偏置電壓，所以暗電流非常小，這就減小了輸出噪聲。輸出電壓：式中：I s c光電二極管產(chǎn)生的光電流。 電路噪聲的估計(jì)與降低方法 圖所示電路中，所產(chǎn)生的噪聲主要包括光電二極管的散粒噪聲，光電二極管內(nèi)阻所產(chǎn)生的熱噪聲，反饋電阻產(chǎn)生的熱噪聲以及運(yùn)算放大器所產(chǎn)生的噪聲。設(shè)Ins為光電二極管的散粒電流，為光電二極管的光電流， 為電路的通頻帶。則：設(shè)

7、為光電二極管內(nèi)阻所產(chǎn)生的的熱噪聲電流，為光電二極管的內(nèi)阻，則:設(shè)為反饋電阻產(chǎn)生的熱噪聲電壓，則：設(shè)，分別為放大器的等效輸入噪聲電壓和等效輸入噪聲電流，則光電檢測電路的輸出總電壓為：輸出電壓，所以輸出噪聲電壓為：光電檢測電路的輸出信噪比為： 從上述公式可以看出，電路的信噪比與很多因素有關(guān)。電路的光電流越大，則信噪比越大，所以，應(yīng)該選擇靈敏性高的光電二極管以提高信噪比。通頻帶 越小，則輸出信噪比越大，所以，應(yīng)該在后級(jí)電路使用濾波電路以限制通頻帶，但通頻帶又不能過于狹窄，以免輸出信號(hào)產(chǎn)生頻率失真。集成運(yùn)放的等效輸入噪聲電壓和等效輸入噪聲電流越小，則輸出信噪比越大，所以，應(yīng)該選擇噪聲小的低噪聲高精度集

8、成運(yùn)放，可以有效地減小噪聲提高信噪比。另外電路的工作環(huán)境溫度 越小，輸出信噪比越大。所以，要盡可能使檢測電路在較低的溫度環(huán)境下工作。 在實(shí)際應(yīng)用中，可以在前置放大電路后面連接低通濾波器以過濾高頻噪聲，因?yàn)樵肼曇愿哳l為主，所以，低通濾波器可以有效地提高輸出信噪比二階低通濾波器電路如圖所示。傳遞函數(shù)為其中令，得電壓放大倍數(shù)改進(jìn)型的光電檢測電路為了降低噪聲帶寬，可以采用改進(jìn)型光電檢測電路，如圖所示。 運(yùn)算放大器和構(gòu)成的復(fù)合放大器對(duì)測量信號(hào)的頻帶沒有影響，卻可以降低噪聲的帶寬。圖中的增益響應(yīng)特性取決于由，構(gòu)成的內(nèi)反饋。在通過直流電流時(shí)，由于的電容特性，反饋斷開。這時(shí)電路的增益為·（，分別是，

9、的開環(huán)增益）。通過設(shè)置可以限制電路噪聲的帶寬。此增益曲線共有兩次下降，一次是因?yàn)榉糯笃鞯拈_環(huán)增益極點(diǎn)而導(dǎo)致的，另一次是因?yàn)楹徒M成的積分器響應(yīng)極點(diǎn)。當(dāng)頻率繼續(xù)增大時(shí)，通過設(shè)置，那么復(fù)合放大器總的開環(huán)增益，這樣就可以縮小復(fù)合放大器的頻響范圍。從而使噪聲的頻帶變小，而信號(hào)頻帶基本不受影響。 如果比較大，則容易產(chǎn)生直流誤差，所以電路中加入進(jìn)行補(bǔ)償。的作用是消除的雜散噪聲。是消振電容，它的加入減小了噪聲的帶寬。光照度顯示與超差報(bào)警模塊硬件設(shè)計(jì) 此模塊接收到前置光電檢測電路直流電壓信號(hào)后進(jìn)行 轉(zhuǎn)換，其中的 選用單片機(jī)集成的位，監(jiān)測精度為，可以充分滿足我們的技術(shù)指標(biāo)要求。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，再

10、經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定恢復(fù)實(shí)測光照度數(shù)據(jù)，由單片機(jī)控制數(shù)碼管進(jìn)行顯示，當(dāng)光照度變化超出技術(shù)指標(biāo)要求時(shí)，單片機(jī)控制報(bào)警燈與蜂鳴器報(bào)警。同時(shí)，通過串口將監(jiān)測到的光照度數(shù)據(jù)與報(bào)警信息通過串口發(fā)送到電腦的上位機(jī)上。模塊框圖如圖所示。單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)主要包括以下幾點(diǎn)：（）：單片機(jī)根據(jù)接收到的直流電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；（）：為減小誤差將連續(xù)幾次測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后再作為最終數(shù)據(jù)輸出；（，）：數(shù)碼管顯示子程序，將光照度數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示；（）：報(bào)警子程序，當(dāng)光照度數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)，由單片機(jī)控制報(bào)警燈閃亮，同時(shí)蜂鳴器響起；（）：串口通信初始化子程序；（）：串口發(fā)送數(shù)

11、據(jù)到主機(jī)。 在程序中，接收到的模擬量是光電檢測電路輸出的直流電壓信號(hào)，此信號(hào)因?yàn)楣怆姸O管的線性特性，應(yīng)與監(jiān)測的光照度成正比，通過調(diào)節(jié)光源的輸入電流大小，可以調(diào)節(jié)光照度，使用照度計(jì)記錄不同輸出電壓時(shí)的光照度，利用在實(shí)驗(yàn)中測量得到的數(shù)據(jù)可以得出比例常數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表。通過表可以得出，光照度與輸出直流電壓信號(hào)的比例常數(shù)約為，可以在單片機(jī)中通過編程將監(jiān)測信號(hào)還原成實(shí)際環(huán)境中的光照度。系統(tǒng)測試記錄通過串口可以將監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的光照度信息、報(bào)警信息與設(shè)定報(bào)警上下限，輸入計(jì)算機(jī)，存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行記錄和查詢，記錄結(jié)果如圖所示。通過現(xiàn)場測量與高精度的照度計(jì)的測量結(jié)果進(jìn)行比較，誤差在±以內(nèi)，同時(shí)報(bào)警功能工作正常，系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。結(jié)語文中所述的光電監(jiān)測與顯示報(bào)警系統(tǒng)具有精度高、成本低、適用性廣的特點(diǎn)。通過改進(jìn)電路降低了噪聲的影響，經(jīng)實(shí)際測試，滿足了信號(hào)測量的要求，只要改變單片機(jī)內(nèi)的程序便可執(zhí)行更多其它控制功能，有很大的發(fā)展前景。本方法既適用于檢測微弱信號(hào)，也適用于一般光信號(hào)的檢測。參考文獻(xiàn)：胡丹，張崗，撒繼銘一種實(shí)用的光電檢測電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)儀器技術(shù)與傳感器，（）：王立剛，張殿元低噪聲光電檢測電路的研究與設(shè)計(jì)電測與儀表，（）：劉彬，張秋蟬光電檢測前置放大電路的設(shè)計(jì)燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，（）：陳楚，張雅虹，黃春暉高速差分光電檢測電路的設(shè)計(jì)照明工程