干涉型光纖擾動傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計和仿真

1、 干涉型光纖擾動傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計和仿真 在現(xiàn)代傳感系統(tǒng)中，干涉型光纖擾動傳感器以其極高的靈敏度得到了廣泛關(guān)注。其中關(guān)鍵部分是信號調(diào)理電路，它用來檢測和預(yù)處理非常微弱并夾雜著噪聲的傳感信號。一般來說，光電探測器的輸出信號要先經(jīng)過前置放大、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的調(diào)理電路設(shè)計，包括前置放大電路的設(shè)計，帶通濾波器的設(shè)計和運(yùn)放的選擇，并用muitisim 10對設(shè)計的電路進(jìn)行了仿真。1 信號調(diào)理電路設(shè)計光電探測器接收到的光信號一般都非常微弱，而且光電探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中。因此，要先對這樣的微弱傳感信號進(jìn)行預(yù)處

2、理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過前置放大電路、濾波電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。其信號調(diào)理模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，完整的信號調(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1f的電容c9，c10，用來濾除電源帶來的干擾。2 光電探測器及其工作模式選擇21 光電探測器的選擇光電探測器是一種通過光電效應(yīng)探測光信號的器件。選擇光電探測器應(yīng)考慮；光電靈敏度要求足夠高；信噪比高；相應(yīng)峰值波長應(yīng)與發(fā)光器件的發(fā)射波長、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。光電探測器的種類很多。在干涉型

3、光纖傳感器中，光電探測器通常采用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，且增益會引起噪聲，容易帶來電流失真。考慮到該系統(tǒng)所據(jù)測的波長范圍和器件在040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。22 光電探測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，光電二極管可非常精確地線性工作；而在

4、光導(dǎo)模式時，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流（暗電流）。而在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲。在反偏置時，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。該設(shè)計所針對的待檢測傳感信號是十分微弱的信號，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，所以該設(shè)計采用光伏模式。3 前置放大電路31 電路設(shè)計前置放大電路原理如圖4所示。通過pin光電二極管輸入的信號經(jīng)過iv變換將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，而后再將電壓信號經(jīng)中間放大電路進(jìn)行電壓信號放大。電路分析：運(yùn)放u1a及其外圍元件組成了iv變換電路。其中r1是為了消除探測器輸出電流中的

5、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，電路的幅頻特性會發(fā)生改變，相當(dāng)于一個濾波器，所以在選取c2時要同時考慮pin管探測信號的頻譜以免將有用信號過度衰減或者濾掉。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電壓信號進(jìn)一步放大。電路中集成運(yùn)放選擇也十分重要。對其輸入電阻、開環(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；較大的開環(huán)增益和增益帶寬，

6、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。32 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、波特圖示儀對設(shè)計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)過前置放大電路后輸出信號相比輸入信號放大了約2×103倍，且基本無失真。圖6為該電路的幅頻特性曲線?？梢钥闯鲈撉爸梅糯箅娐穼Ω哳l有一定的抑制作用，其主要是放大了低頻微弱信號。在圖中曲線的中間水平線中可以清楚得到電路的增益為65284 db，用鼠標(biāo)拖

7、動讀數(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41 濾波器設(shè)計為使檢測電路具有良好的信噪比，還需要用帶通濾波器對信號進(jìn)一步處理。該設(shè)計在前置放大電路之后加入帶通濾波電路，以除去有用信號頻帶以外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引入的噪聲。由于振動引起的信號頻率較低，經(jīng)過實驗確定其信號的有效頻率在25 khz之間。該設(shè)計對濾波器要求為：中心頻率2 khz，帶寬為500 hz8 khz，帶增益g=2。5 結(jié)語本文針對干涉型光纖傳感器輸入信號的特點設(shè)計了信號調(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)計要求。該信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，對干涉型光纖擾動傳感器實際應(yīng)用具有一定的使用價值。技術(shù)專區(qū) 開辟手機(jī)邊框交互新天地，紐迪瑞科技邊緣觸控壓力傳感器榮獲 新風(fēng)