光電傳感與檢測第三章

1、光信號的調(diào)制方法光信號的調(diào)制方法 （1）電光調(diào)制器）電光調(diào)制器(電光強度調(diào)制電光強度調(diào)制) 某些晶體在外加電場的作用下，其折射率隨外加電場的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)，利用這一效應(yīng)可以對透過介質(zhì)的光束進行幅度,相位或頻率的調(diào)制，構(gòu)成電光調(diào)制器。縱向電光效應(yīng)（外加電場方向與光傳輸方向一致） 縱向電光強度調(diào)制VIiP1入射光起偏器xzyLxy/4玻片檢偏器P2調(diào)制光Io進入晶體后入射光被分解為沿x和y方向的兩個分量，其振幅和相位都相同，分別為tAEtAEcycxcos)0(cos)0( 電光調(diào)制特性曲線透射光強時間電壓VV/2調(diào)制電壓050100sin ( )2V2VBm橫向電光效應(yīng)（外加電

2、場方向與光傳輸方向垂直） 橫向電光強度調(diào)制ZdEAPlXYXY（2）聲光調(diào)制器）聲光調(diào)制器（3） 磁光調(diào)制原理磁光調(diào)制原理 磁光調(diào)制示意圖入射光調(diào)制信號起偏器zHdcYIG棒z450檢偏器磁光調(diào)制主要是應(yīng)用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn) 光電信號的檢測方法光電信號的檢測方法 直接檢測和外差檢測 直接檢測系統(tǒng)的構(gòu)成框圖光學接收天線信號光背景光光電探測器前置放大器光電信號處理器調(diào)制盤tAtEcos)(2)(22AtEP2)(22AhetEPIP光電檢測的平方律特性 假定入射信號的光電場為A是信號光光場振幅，是信號光的頻率，平均光功率P為光探測器輸出

3、光電流為 光學接收天線光電探測器前置放大器信號光背景光本振光光電信號處理器外差檢測系統(tǒng)的構(gòu)成框圖)cos()(SSSStAtE)cos()(LLLLtAtE設(shè)待測光束和本振光束具有相同的極化，并相互垂直地照射到檢測器的均勻光敏面，其電場分別為檢測器光敏單元上中輻射場為)cos()cos()()(LLLSSSLStAtAtEtEE2/2/ )(1FSL2/1F第一、二項的平均值，即余弦函數(shù)平方的平均值等于1/2；第三項和頻項（余弦函數(shù)）的平均值為零；而第四項差頻項，相對光頻來說要緩慢得多，當差頻低于光探測器的截止頻率時，光探測器就有頻率的光電流輸出。 光電檢測器的輸出光電流為 )()cos()(

4、)cos()(cos)(cos)()()(222222SLSLLSLSLSLSLLLSSSLSptAAtAAtAtAtEtEtEi光電檢測信號的偏置放大 探測器與偏置電路的等效(a)恒壓源 (b)恒流源UiUiRsRs（1）前置放大器的設(shè)計步驟）前置放大器的設(shè)計步驟1）測量或計算光電探測器及偏置電路的源電阻RS。2）從噪聲匹配原則出發(fā)，選擇前置放大器第一級的管型。選擇原則如下：如果源電阻小于100，可采用變壓器耦合；在101M之間，可選用半導體晶體管；在1K1M之間，選用運算放大器（OPAMP）；在1M1G之間，選用結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）；超過1G以上，可選用MOS場效應(yīng)管（MOS-FET）

5、。3）在管型選定后，第一、第二級采用噪聲盡可能低的器件，按照最佳源電阻的原則來確定管子的工作點，并進行工作頻率、帶寬等參量的計算及選擇。（2）放大器頻率及帶寬的確定）放大器頻率及帶寬的確定 探測器噪聲的頻率特性a)典型探測器的噪聲譜 b)晶體管噪聲系數(shù)的頻率特性Nf/Hz0 10 10 10 1023450 f1 f2 fF光電信號的數(shù)字化光電信號的數(shù)字化 D1D1D1VSAB圖5-1-1 機件在導軌上的運動被測鋼板邊緣成像物鏡光電器件圖5-1-2 鋼板邊緣位置光電檢測系統(tǒng)光電信號與計算機接口技術(shù)光電信號與計算機接口技術(shù) 單元光電信號的處理與數(shù)據(jù)采集:由一個或幾個光電轉(zhuǎn)換器件構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換電路

6、所產(chǎn)生的獨立信號稱為單元光電信號。單元光電信號的數(shù)字化處理，可以直接進行二值化處理，也可以通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬單元光電信號數(shù)字化。 固定閾值法二值化處理電路RfUoR1UiU+U-RwUth+-（1）固定閾值法二值化處理）固定閾值法二值化處理 （2）浮動閾值法二值化處理）浮動閾值法二值化處理 UoR1UiRwUth+-RfRLUbbA2. 單元光電信號的A/D數(shù)據(jù)采集 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器；雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器；V/F式A/D轉(zhuǎn)換器；并行式A/D轉(zhuǎn)換器 UA+DACUREFUx輸出寄存器控制邏輯逐次逼近寄存器時鐘BUSY串行輸出時鐘START并行數(shù)字輸出模擬輸入逐次比較式ADC的內(nèi)部框圖圖

7、3-54 雙積分式ADC轉(zhuǎn)換原理圖K1K4K3K2Ux+UREF-UREF+_+K5T1Txt1t2t3積分器比較器UoCR控制邏輯啟動轉(zhuǎn)換時鐘計數(shù)器STATUS數(shù)字輸出XTXtURCTdtURCU110)(0120101)(03dtURCURCTUTxREFXtREFXURCTxURCT1xREFxUUTT1REFnaxxXUNNU光電信號的光電信號的A/D數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 單元光電信號的A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理方框圖A/D轉(zhuǎn)換器單元光電信號同步控制器SRAM儲存器地址計數(shù)器接口電路計算機總線接口地址譯碼器AB光電單元信號與計算機接口技術(shù)光電單元信號與計算機接口技術(shù) A/D轉(zhuǎn)換器與計算機的連接

8、 ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)八位八位A/D轉(zhuǎn)換芯片與轉(zhuǎn)換芯片與CPU的接口的接口 通道選擇表CBA被選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7八位八位A/D轉(zhuǎn)換芯片與轉(zhuǎn)換芯片與CPU的接口的接口 D/A芯片的簡化功能示意圖ORG1000HSTART: MOVAL,98H；8225A初始化，方式初始化，方式0，A口輸入，口輸入，B口輸出口輸出 MOVDX,0FFH ；8255A控制字端口地址控制字端口地址 OUTDX,AL；送送8255A方式字方式字 MOVAL,0BH；選選IN3輸入端和地址鎖存信號輸入端和地址鎖存信號 MOVDL

9、,0FDH ；8255A的的B口地址口地址 OUTDX,AL；送送IN3通道地址通道地址 MOVAL,1BH；PB4=1送送START OUTDX,AL；啟動啟動A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 MOVAL,0BH； OUTDX,AL；PB4=0送送START MOVDL,0FEH ；8255A的的C口地址口地址TEST: INAL,DX；讀讀C口狀態(tài)口狀態(tài) ANDAL,10H；檢測檢測EOC狀態(tài)狀態(tài) JZ TEST；如果未轉(zhuǎn)換完，在測試；轉(zhuǎn)換完則繼續(xù)如果未轉(zhuǎn)換完，在測試；轉(zhuǎn)換完則繼續(xù) MOVDL,0FCH ；8255A的的A口地址口地址 IN AL,DX；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 HLT 電路進行A/D轉(zhuǎn)換的編程

10、前，需先確定輸入的輸入方式，以便選擇8255A的工作方式。在本例中，假定以查詢方式讀取A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，則8255A可設(shè)定A口為輸入，B口為輸出，均為方式0，PC4為輸入 光電單元信號與單片機接口光電單元信號與單片機接口 （1）簡單開關(guān)量輸出接口）簡單開關(guān)量輸出接口（2）光電耦合器）光電耦合器P1.0為為 “0”， 4N25的輸入電流為的輸入電流為1015mA，輸出端可以流過，輸出端可以流過3mA的電流，三極管的電流，三極管ce導通，導通，7404輸出高電平輸出高電平“1”。 P1.0為為“1”， 4N25的輸入電流為的輸入電流為0，三極管，三極管ce截止，截止，7404輸出低輸出低電平電平

11、“0”。限流電阻限流電阻R的計算：當?shù)挠嬎悖寒擯1.0 “0”，4N25輸入電流輸入電流1015mA，二極，二極管壓降為管壓降為1.21.5V，故，故 濾波器的用途 濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。濾波過程如圖一些較高頻率成分的干擾。濾波過程如圖13.02所示。所示。 濾波過程濾波過程濾波器可分為有源濾波器和無源濾波器。濾波器可分為有源濾波器和無源濾波器。 無源濾波器是僅由無源元件無源濾波器是僅由無源元件(R、L和和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感

12、元件的電抗隨頻率的變化而變化組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點是：的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點是：電路電路比較簡單，不需要直流電源供電，比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負載效應(yīng)比較明顯，可靠性高；缺點是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負載效應(yīng)比較明顯， 有源濾波器是由無源元件有源濾波器是由無源元件(一般用一般用R和和C)和有源器件和有源器件(如集成運算放大器）組如集成運算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以成。這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還

13、可以放大，負載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法放大，負載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由由于不使用電感元件）；缺點是：通帶范圍受有源器件于不使用電感元件）；缺點是：通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）如集成運算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如 無源濾波器高，在高壓、高無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。頻、大功率的場合不適用。 (a)低通濾波電路 (b)高

14、通濾波電路(c)帶通濾波電路 (d)帶阻濾波電路有源濾波器的頻響有源濾波器的頻響一階低通有源濾波器一階低通有源濾波器 一階低通濾波器的電路如圖所示，其幅一階低通濾波器的電路如圖所示，其幅頻特性見圖，圖中虛線為理想的情況，實線頻特性見圖，圖中虛線為理想的情況，實線為實際的情況。特點是電路簡單，阻帶衰減為實際的情況。特點是電路簡單，阻帶衰減太慢，選擇性較差。太慢，選擇性較差。圖一階LPF 圖一階LPF的幅頻特性曲線 當當 f = 0時，各電容器可視為開路，通帶內(nèi)的電時，各電容器可視為開路，通帶內(nèi)的電壓增益為：壓增益為： 一階低通濾波器的傳遞函數(shù)如下一階低通濾波器的傳遞函數(shù)如下 ， 其中其中 12p

15、1RRAv )(10pIOsAsVsVsAvRC10該傳遞函數(shù)式的樣子與一節(jié)該傳遞函數(shù)式的樣子與一節(jié)RC低通環(huán)節(jié)的頻響表低通環(huán)節(jié)的頻響表達式差不多，只是后者缺少通帶增益達式差不多，只是后者缺少通帶增益Avp這一項。這一項。低通濾波器低通濾波器(LPS：low pass filter)是允許低是允許低頻訊號通過，而不允許高頻訊號通過的濾波器。頻訊號通過，而不允許高頻訊號通過的濾波器。圖所示是圖所示是RC低通濾波電路，其電壓回路公式低通濾波電路，其電壓回路公式 增益為增益為 截止頻率截止頻率 簡單二階低通有源濾波器 為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善

16、濾波效果，再加一節(jié)降，以改善濾波效果，再加一節(jié)RC低通濾波環(huán)低通濾波環(huán)節(jié)，稱為二階有源濾波電路。它比一階低通濾節(jié)，稱為二階有源濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。二階波器的濾波效果更好。二階LPF的電路圖如圖的電路圖如圖所示，幅頻特性曲線如圖所示。所示，幅頻特性曲線如圖所示。（1 1）通帶增益）通帶增益 當當 f = 0, 或頻率很低時，各電容器可視為開或頻率很低時，各電容器可視為開路，通帶內(nèi)的增益為路，通帶內(nèi)的增益為RRAvfp1 圖 二階LPF 圖二階LPF的幅頻特性曲線 （2 2）二階低通有源濾波器傳遞函數(shù)）二階低通有源濾波器傳遞函數(shù) RsCsVsVsVAsVv2N)()(po1

17、1)()()()( )()1(1)1(1i2121NsVsCRsCRsCRsCsV 通常有通常有C1=C2=C，聯(lián)立求解以上三式，可得，聯(lián)立求解以上三式，可得濾波器的傳遞函數(shù)濾波器的傳遞函數(shù) 2pIO31sCRsCRAsVsVsAvv (3)(3)通帶截止頻率通帶截止頻率 將將s換成換成 j，令，令 ,可得020pj3)(1ffffAAvv2j3)(10p20pffff解得截止頻率解得截止頻率RCfff237. 037. 0275300p當當 時，上式分母的模時，上式分母的模pff 與理想的二階波特圖相比，在超過與理想的二階波特圖相比，在超過 以后，以后，幅頻特性以幅頻特性以- -40 dB/

18、dec的速率下降，比一階的下的速率下降，比一階的下降快。但在通帶截止頻率降快。但在通帶截止頻率 之間幅頻特性之間幅頻特性下降的還不夠快。下降的還不夠快。0f0pff RCf/1200一階有源高通濾波器光電A/D轉(zhuǎn)換與單片機的接口 （1）八路模擬通道選擇）八路模擬通道選擇啟動啟動A/D轉(zhuǎn)換只需要一條轉(zhuǎn)換只需要一條MOVX指令。在此之前，要將指令。在此之前，要將P2.0清零并將最低三位與清零并將最低三位與所選擇的通道好像對應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針所選擇的通道好像對應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。例如要選擇中。例如要選擇IN0通道時，通道時，可采用如下兩條指令，即可啟動可采用如下兩條指令，即可啟動A

19、/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。MOV DPTR , #FE00H ；送入；送入0809的口地址的口地址MOVX DPTR , A ；啟動；啟動A/D轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換（IN0）（2） 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 1）定時傳送方式）定時傳送方式 對于一種對于一種A/D轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標是已知且固定的。例如標是已知且固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為轉(zhuǎn)換時間為128s，相當于，相當于6MHz的的MCS-51單片機共單片機共64個機器周期?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，個機器周期?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換就已經(jīng)完成，

20、接著就可換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換就已經(jīng)完成，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。進行數(shù)據(jù)傳送。 2）查詢方式）查詢方式 A/D轉(zhuǎn)換芯片是表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如轉(zhuǎn)換芯片是表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的的EOC端。因此可以用查詢方式，測試端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可知的狀態(tài)，即可知道轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送。道轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送。 3）中斷方式）中斷方式 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。所用的指令為所用的指令為MOVX 讀

21、指令，首先送出口地址并以信號有效時，讀指令，首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線， MOV DPTR , #FE00H MOVX A , DPTR MOVDPTR， #FE00H ；送入；送入0809的口地址的口地址 MOVA ，#07H ；D2D1D0=111選擇選擇IN7通道通道 MOVX DPTR， A ；啟動；啟動A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換器與單片機接口技術(shù) DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)向向DAC0832傳送的傳送的8位數(shù)據(jù)量位數(shù)據(jù)量40H(01000000B), 則輸出電壓則輸出電壓UOUT=(64/256)*5V=1.2

22、5V，其輸出過程可用一條指令（，其輸出過程可用一條指令（MOV P1 , #40H）完成。）完成。 單片機和DAC0832直通方式輸出連接 完成一次完成一次DA轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。 MOV DPTR ， #ADDRES ；指向；指向DAC0830 MOV A, #DATA ； MOVX DPTR，A ； 數(shù)字量從數(shù)字量從P0口送到口送到P27所指向的所指向的地址，地址，WR有效時完成一次有效時完成一次DA輸入與轉(zhuǎn)換。輸入與轉(zhuǎn)換。 單緩沖器方式接口單緩沖器方式接口 雙緩沖器方式雙緩沖器方式 完成兩路完成兩路DA同步轉(zhuǎn)換輸出。同步轉(zhuǎn)換輸出。MOV DPTR，0DFFFH ;指向指向DAC0830（1）MO

23、V A， data1 ;datal送入送入DAC0830（1）中鎖存）中鎖存MOVX DPTR, AMOV DPTR, #0BFFFH ;指向指向DAC0830(2)MOV A， #data2 ;data2送入送入DAC0830（2）中鎖存）中鎖存MOVX DPTR, AMOV DPTR, #7FFFH ; 給給0830（1）、）、0830（2）提供）提供WR信號，同時信號，同時完成完成D/A轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)換輸出MOVX DPTR， A 光電檢測電路舉例光電檢測電路舉例 PIN組成基本放大電路EoR1IpPINA+_PIN管相當于一個電流源管相當于一個電流源 當它的負載阻抗為零時，它的輸出特性最好。當它的負載阻抗為零時，它的輸出特性最好。而理想的運放壓差為零的特性，這正是選用運放檢測而理想的運放壓差為零的特性，這正是選用運放檢測PIN管電流的原因。管電流的原