第六章 光電探測(cè)器

1、第第6章章 光電信號(hào)的變換光電信號(hào)的變換 及檢測(cè)技術(shù)及檢測(cè)技術(shù)2本章的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲6.2 前置放大器前置放大器6.3 常用電路介紹常用電路介紹6.4 光電技術(shù)中的調(diào)制技術(shù)光電技術(shù)中的調(diào)制技術(shù)3光電檢測(cè)系統(tǒng)組成光電檢測(cè)系統(tǒng)組成光電檢測(cè)系統(tǒng)組成第第6章章 光電信號(hào)的光電信號(hào)的變換及檢測(cè)技術(shù)變換及檢測(cè)技術(shù)4探測(cè)器接測(cè)量處理后信號(hào)處理的重要性！信號(hào)處理的重要性！理想白光干涉信號(hào)56.1光電檢測(cè)電路的噪聲光電檢測(cè)電路的噪聲6.1.1 6.1.1 噪聲的分類(lèi)及性質(zhì)噪聲的分類(lèi)及性質(zhì)6.1.2 6.1.2 主要的噪聲類(lèi)型主要的噪聲類(lèi)型6.1.3 6

2、.1.3 噪聲等效參量噪聲等效參量6.1.4 6.1.4 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲本節(jié)包括以下幾部分內(nèi)容：6為什么要研究噪聲？為什么要研究噪聲？任何虛假的和不需要的信號(hào)稱(chēng)為噪聲。任何虛假的和不需要的信號(hào)稱(chēng)為噪聲。噪聲總是伴隨著測(cè)量信號(hào)存在噪聲總是伴隨著測(cè)量信號(hào)存在測(cè)量過(guò)程是一個(gè)去除噪聲、復(fù)原真實(shí)信號(hào)的測(cè)量過(guò)程是一個(gè)去除噪聲、復(fù)原真實(shí)信號(hào)的過(guò)程過(guò)程76.1.1 噪聲的分類(lèi)及性質(zhì)噪聲的分類(lèi)及性質(zhì)外部干擾噪聲:人為造成的和自然造成的干擾。內(nèi)部噪聲:人為噪聲和固有噪聲兩類(lèi)。 噪聲強(qiáng)度可采用噪聲電壓或噪聲電流的均方值 、 表示，有時(shí)簡(jiǎn)化為 、 。而噪聲電壓或噪聲電流的均方根值則可用 和 表示。2

3、nE2nI2nE2nInEnI 固有噪聲是隨機(jī)過(guò)程，噪聲電壓的瞬時(shí)值可取不同值E1， E2， Ei，而對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的概率P(E1)，P(E2)，P(Ei)，其分布規(guī)律符合高斯分布。n次采樣的算術(shù)平均值E為nEEEEEni/ 21(6-1)8均方值為概率分布函數(shù)P(E)為(6-2)nEEEEEEn/ )()()(222212222)(exp21)(EEEP(6-3)96.1.2 主要的噪聲類(lèi)型主要的噪聲類(lèi)型1. 1. 電阻熱噪聲（電阻熱噪聲（Thermal noise） 當(dāng)電阻處于環(huán)境溫度高于絕對(duì)零度的條件下，自由電子的熱運(yùn)動(dòng)形成起伏變化的噪聲電流。大小與極性隨機(jī)變化，且長(zhǎng)時(shí)間的平均值等于零。常用噪

4、聲電流的均方值 表示 2nTIRfkTInT422/1)4(RfkTInT式中 R所討論元件的電阻值； k玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380650510-23 J/K ； T 電阻所處環(huán)境的絕對(duì)溫度； f所用測(cè)量系統(tǒng)的頻帶寬度。(6-4)(6-5)10圖6-1 電阻熱噪聲圖6-2 電阻熱噪聲的等效電路112. 2. 散彈噪聲（散彈噪聲（Shot noise） 又稱(chēng)散粒噪聲。元器件中有直流電流通過(guò)時(shí)，直流電流值只表征其平均值，而微觀的隨機(jī)起伏形成散彈噪聲，并疊加在直流電平上。散彈噪聲的電流均方值為fqIIDCnsh 22式中：q為電子電荷；IDC為流過(guò)電流的直流分量。散彈噪聲與電路頻率無(wú)關(guān)，因此它也是

5、一種白噪聲。(6-8)(6-9)圖6-3 散彈噪聲的順勢(shì)變化12 又稱(chēng)閃爍噪聲，它也是元器件中的一種基本噪聲，通常是由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的。在探測(cè)器、電阻、晶體管及電子管中均有這類(lèi)噪聲。3. 3. 噪聲（噪聲（Flicker noise）f1噪聲有以下經(jīng)驗(yàn)公式： f1ffIkIn12式中：k1與元件有關(guān)的參數(shù)； 與流過(guò)元器件電流有關(guān)的常數(shù)，通常取2 與元器件材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，約在0.81.3之間，常取1。噪聲的電流均方值與電路頻率f成反比，所以稱(chēng)之為 噪聲，它不為白噪聲，噪聲功率譜集中在低頻，有時(shí)又稱(chēng)其為低頻噪聲。(6-10)f1f113 光電導(dǎo)探測(cè)器因光(或熱)激發(fā)產(chǎn)生

6、載流子和載流子復(fù)合(或壽命)這兩個(gè)隨機(jī)性過(guò)程，引起電流的隨機(jī)起伏形成產(chǎn)生復(fù)合噪聲。該噪聲的電流均方值為 4. . 產(chǎn)生產(chǎn)生復(fù)合噪聲復(fù)合噪聲(gr噪聲，噪聲，Generation-Recombination noise ) 22224( /)14cnqIfIf 式中I流過(guò)光電導(dǎo)器件的平均電流； 載流子的平均壽命； e載流子在光電導(dǎo)器件兩電極間的平均漂移時(shí)間； F測(cè)量電路的帶寬。 產(chǎn)生復(fù)合噪聲與頻率f有關(guān)，屬于非白噪聲。但在相對(duì)低頻的條件下，即 時(shí)，公式可簡(jiǎn)化為 14222ffqIIcn)/(42 該式與散彈噪聲表達(dá)式相類(lèi)似，可認(rèn)為是近似的白噪聲。(6-12)(6-13)14 這是熱敏器件因其溫度

7、起伏所引起的噪聲，該噪聲用溫度起伏的均方值表示 式中 k一波爾茲曼常數(shù)； T熱敏器件的絕對(duì)溫度； GQ器件的熱導(dǎo)。5. . 溫度噪聲溫度噪聲)1 (42222wGfkTTQn(6-14)6. 背景輻射的光子噪聲背景輻射的光子噪聲 探測(cè)器在接收目標(biāo)輻射的同時(shí)，也接收到目標(biāo)以外其它物體的輻射，這些輻射也是一種不連續(xù)的起伏過(guò)程。這種因背景輻射起伏引起探測(cè)器產(chǎn)生的噪聲叫做背景輻射的光子噪聲。 156.1.3 噪聲等效參量噪聲等效參量1. 1. 等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬電網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲帶寬是噪聲量的一種等效表示形式，可定義為 帶通型網(wǎng)絡(luò)中等效帶寬的物理意義 0)()(1dffDfAAfPPAP(f) :

8、放大器或網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)功率增益AP為放大器或網(wǎng)絡(luò)功率增益的最大值；D(f)為等效于網(wǎng)絡(luò)輸入端的歸一化噪聲功率譜。(6-15)16系統(tǒng)的等效噪聲帶寬還可以用調(diào)制傳遞函數(shù)He(f)來(lái)表示 02)()(dffHfDfe對(duì)于白噪聲來(lái)說(shuō)D(f)1，所以有 02)(dffHfe對(duì)于一個(gè)電壓放大電路有 VVeAfAfH/ )()(式中，AV(f)電路電壓放大倍數(shù)的頻率響應(yīng)；AV:中心頻率或零頻時(shí)的電壓放大倍數(shù)。于是有 02202)(1/ )(dffAAdfAfAfVVVV(6-18)(6-19)17 設(shè)有一低通型電壓放大器如圖，它由電壓放大倍數(shù)AV=50的放大器與RC低通濾波器組成，其放大倍數(shù)的頻率響應(yīng)為該復(fù)數(shù)

9、的模AV(f)為圖6-5 低頻放大器( )/(1)VVAfAj CR2( )1()VVAAfCR所以 222002200112500( )25001 ()1()1 ()21 ()1222VVHfAfdfAwCRdfd wCRwCRCRwCRfCR 式中，fH= 為低通放大器的三分貝頻率。 (6-20)CR2118 各種噪聲可能不屬于同一起因與類(lèi)型，但是為了計(jì)算和分析的方便，可以用一個(gè)電阻的熱噪聲來(lái)等效，稱(chēng)為等效噪聲電阻。 圖示的典型放大器，其噪聲可由三部分組成，即輸入電阻Ri的熱噪聲；放大器噪聲和負(fù)載電阻RL的噪聲。 2. 2. 等效噪聲電阻等效噪聲電阻 圖6-6 放大器等效噪聲電阻192.

10、2. 等效噪聲電阻等效噪聲電阻 用電阻的熱噪聲 來(lái)等效放大器的噪聲，負(fù)載電阻RL的熱噪聲為 fkTRELnL 420fARkTEVnL)/(4212021/VAR2/VLeqieqARRRReqR圖6-6 放大器等效噪聲電阻(6-21)對(duì)應(yīng)總輸入噪聲為 fARRRkTfkTREVLeqieqni)/(4422對(duì)應(yīng)等效電阻為 。等效到輸入端總等效電阻:20 這是一種將各噪聲等效為放大器輸入源電阻因等效升溫而附加熱噪聲的方法。Ri為源電阻，用Ri的熱噪聲表示輸入源的噪聲 3. 3. 等效噪聲溫度等效噪聲溫度 fRkTEsnT024式中,T0為參考溫度(工作室溫)。 圖6-7 放大器等效噪聲溫度21

11、 假設(shè)放大器的噪聲也等效到電阻RS上，相當(dāng)于附加一個(gè)溫差Teq在RS產(chǎn)生的熱噪聲,把Teq叫作等效噪聲溫度。于是等效在輸入端的總噪聲為 fRTTkfRkTfRkTEseqseqsni)(444002(6-23)圖6-7 放大器等效噪聲溫度226.1.4 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲Rs是信號(hào)源內(nèi)阻；Es是信號(hào)源電動(dòng)勢(shì)；RL是輸出負(fù)載；Pi ，P0分別是輸入、輸出的信號(hào)功率；Ni是加到輸入端的噪聲功率；No是輸出端的總噪聲功率；于是噪聲系數(shù)可定義為 1. 1. 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)( (F , noise factor) ) 輸入信噪比與輸出信噪比的比值00/NPNPFii圖6-8 線性四端網(wǎng)絡(luò)

12、下面對(duì)其有關(guān)特性進(jìn)行討論： (1)對(duì)于理想無(wú)噪聲的網(wǎng)絡(luò)有P0N0PiNi，即F1。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)存在噪聲時(shí)，P0N0PiNi，即F1。(6-26)23(2)噪聲系數(shù)常用其分貝數(shù)FdB來(lái)表示 ooiidBNPNPFF/lg10lg10 (3)將網(wǎng)絡(luò)功率增益AP引入上式，并設(shè)Ni經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后輸出噪聲為Nio=APNi，則有 iooiPoiooiNNNANNPNPF所以，噪聲系數(shù)又可定義為有噪聲網(wǎng)絡(luò)與無(wú)噪聲網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率之比。 (6-28)(6-29)如設(shè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲功率在輸出端為Nn，則niooNNNionNNF1(6-27)24如何選擇信號(hào)源電阻使半導(dǎo)體三極管的噪聲系數(shù)最??？ 半導(dǎo)體三極管的噪聲主要

13、包括散彈噪聲、分配噪聲、熱噪聲和1/f(閃爍)噪聲。圖6-9 三極管噪聲等效電路 2. . 半導(dǎo)體三極管的噪聲系數(shù)半導(dǎo)體三極管的噪聲系數(shù)恒壓等效噪聲源輸入信號(hào)源電阻恒流等效噪聲源基區(qū)電阻輸入信號(hào)源電壓分配噪聲只存在于三極管中，是由于基區(qū)載流子分配噪聲只存在于三極管中，是由于基區(qū)載流子的復(fù)合率有起伏，使得集電極電流和基極電流的的復(fù)合率有起伏，使得集電極電流和基極電流的分配有起伏，從而使集電極電流產(chǎn)生起伏。分配有起伏，從而使集電極電流產(chǎn)生起伏。恒壓等效噪聲源：基區(qū)電阻熱噪聲和分配噪聲恒壓等效噪聲源：基區(qū)電阻熱噪聲和分配噪聲恒流等效噪聲源：發(fā)射結(jié)的散彈噪聲和分配噪聲恒流等效噪聲源：發(fā)射結(jié)的散彈噪聲和

14、分配噪聲25圖6-9 三極管噪聲等效電路 2. . 半導(dǎo)體三極管的噪聲系數(shù)半導(dǎo)體三極管的噪聲系數(shù)在所考慮的頻帶范圍內(nèi)，如果噪聲頻譜是均勻的，三極管噪聲系數(shù)為：2222)(1nsbbsnnErRIEF式中， 是Rs熱噪聲的均方值。 fRkTEsnns 42恒壓等效噪聲源輸入信號(hào)源電阻恒流等效噪聲源基區(qū)電阻輸入信號(hào)源電壓26圖6-9 三極管噪聲等效電路 (6-32)2. . 半導(dǎo)體三極管的噪聲系數(shù)半導(dǎo)體三極管的噪聲系數(shù)2222)(1nsbbsnnErRIEF如果忽略電阻 則 ，需要討論在什么條件下噪聲系數(shù)最小，即求dFdRs0的條件。經(jīng)微分計(jì)算并整理則有bbrnncoptsIERR/2222)(1

15、nssnnERIEF要使噪聲系數(shù)最小，應(yīng)選用輸入信號(hào)源電阻等于三要使噪聲系數(shù)最小，應(yīng)選用輸入信號(hào)源電阻等于三極管等效輸入噪聲電壓與噪聲電流的均方根之比！極管等效輸入噪聲電壓與噪聲電流的均方根之比！27要使噪聲系數(shù)最小，應(yīng)選用輸入信號(hào)源電阻等于三要使噪聲系數(shù)最小，應(yīng)選用輸入信號(hào)源電阻等于三極管等效輸入噪聲電壓與噪聲電流的均方根之比！極管等效輸入噪聲電壓與噪聲電流的均方根之比！2. . 半導(dǎo)體三極管的噪聲系數(shù)半導(dǎo)體三極管的噪聲系數(shù)OP27運(yùn)算放大器的性能參數(shù)表286.2 前置放大器前置放大器 1.1. 選定探測(cè)器和相應(yīng)的偏置電路以后就可知所獲信號(hào)和噪聲的大小。選定探測(cè)器和相應(yīng)的偏置電路以后就可知所

16、獲信號(hào)和噪聲的大小。2.2. 用恒壓信號(hào)源或恒流信號(hào)源來(lái)等效探測(cè)器和偏置電路的輸出信號(hào)。用恒壓信號(hào)源或恒流信號(hào)源來(lái)等效探測(cè)器和偏置電路的輸出信號(hào)。3.3. 同時(shí)用源電阻的熱噪聲來(lái)等效探測(cè)器和偏置電路的總噪聲同時(shí)用源電阻的熱噪聲來(lái)等效探測(cè)器和偏置電路的總噪聲 4.4. 用最小噪聲系數(shù)原則設(shè)計(jì)前置放大器。用最小噪聲系數(shù)原則設(shè)計(jì)前置放大器。fRkTEsnns 42圖6-16 探測(cè)器與偏置電路的等效 296.2 前置放大器前置放大器 1.輸出信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，前置放大器及后續(xù)放大器的設(shè)計(jì)主要考慮：增益、帶寬、阻抗匹配和穩(wěn)定性。2.輸出信號(hào)弱時(shí)，應(yīng)主要考慮抑制噪聲。圖6-16 探測(cè)器與偏置電路的等效 301.

17、 1. 前置放大器設(shè)計(jì)的大致步驟前置放大器設(shè)計(jì)的大致步驟 （2）從）從噪聲匹配噪聲匹配原則出發(fā)，原則出發(fā)，選擇前置放大器第一級(jí)的管型，選擇前置放大器第一級(jí)的管型， （3 3）在管型選定后，第一，二級(jí)應(yīng)采用噪聲盡可能低的器件，）在管型選定后，第一，二級(jí)應(yīng)采用噪聲盡可能低的器件，按照最佳源電阻的原則來(lái)確定管子的工作點(diǎn)，并進(jìn)行工作頻率，按照最佳源電阻的原則來(lái)確定管子的工作點(diǎn)，并進(jìn)行工作頻率，帶寬等參量的計(jì)算及選擇。帶寬等參量的計(jì)算及選擇。 （1 1）測(cè)試或計(jì)算光電探測(cè)器及偏置電路的源電阻）測(cè)試或計(jì)算光電探測(cè)器及偏置電路的源電阻Rs；圖6-17 選用第一級(jí)放大器件的準(zhǔn)則 31 （1）根據(jù)所采用的光電探

18、測(cè)器的噪聲譜和選定放大器的典型噪聲譜，確定工作(調(diào)制)頻率。2. 2. 放大器設(shè)計(jì)中頻率及帶寬的確定放大器設(shè)計(jì)中頻率及帶寬的確定 典型探測(cè)器的噪聲譜 （2）光電檢測(cè)系統(tǒng)中按照白噪聲的特點(diǎn)，工作頻率選定后，應(yīng)盡可能減小電路的頻帶寬度。32 （3）當(dāng)信號(hào)頻率在一定范圍內(nèi)變化，不能選用固定頻率的窄帶濾波方式工作時(shí)，除確定必要的窄帶外，可采用設(shè)計(jì)選通積分器的方法來(lái)抑制噪聲。圖6-19 帶寬對(duì)矩形脈沖波形和復(fù)制的影響 （4）在某些系統(tǒng)如脈沖系統(tǒng)中，為保持信號(hào)的波形，必須采用頻帶寬度較寬的處理電路，適當(dāng)犧牲高頻。下圖說(shuō)明了所需保持波形和電路3dB帶寬f之間的關(guān)系。積分具有平均的作用333. 放大器設(shè)計(jì)中的

19、其它考慮放大器設(shè)計(jì)中的其它考慮 （1）按）按最小噪聲系數(shù)原則最小噪聲系數(shù)原則設(shè)計(jì)前置放大器時(shí)，為減少后面各設(shè)計(jì)前置放大器時(shí)，為減少后面各放大級(jí)噪聲對(duì)總噪聲的影響，其電壓放入倍數(shù)放大級(jí)噪聲對(duì)總噪聲的影響，其電壓放入倍數(shù)AV1不應(yīng)小于不應(yīng)小于10倍，倍，從而使從而使F F1。 （2）采用多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器時(shí)，總放大倍數(shù)）采用多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器時(shí)，總放大倍數(shù)AV可分配到各級(jí)可分配到各級(jí)中，中， 。 （3）級(jí)間加入不同形式的負(fù)反饋電路，可以起到提高電路的）級(jí)間加入不同形式的負(fù)反饋電路，可以起到提高電路的穩(wěn)定性，調(diào)整輸入阻抗、調(diào)整放大倍數(shù)和改變帶寬等作用。穩(wěn)定性，調(diào)整輸入阻抗、調(diào)整放大倍數(shù)和改變帶寬等作用。 （

20、4）大部分光電檢測(cè)系統(tǒng)要求有好的線性度和寬的動(dòng)態(tài)范圍，）大部分光電檢測(cè)系統(tǒng)要求有好的線性度和寬的動(dòng)態(tài)范圍，在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)予考慮。在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)予考慮。 （5）完成電路設(shè)計(jì)前應(yīng)驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足）完成電路設(shè)計(jì)前應(yīng)驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足噪聲系數(shù)、電壓放噪聲系數(shù)、電壓放大倍數(shù)、頻帶寬度、穩(wěn)定性、阻抗匹配、線性度、動(dòng)態(tài)范圍等大倍數(shù)、頻帶寬度、穩(wěn)定性、阻抗匹配、線性度、動(dòng)態(tài)范圍等要要求。如不滿(mǎn)足則應(yīng)反復(fù)修正。求。如不滿(mǎn)足則應(yīng)反復(fù)修正。 VnVVVAAAA21344. 前置放大器的實(shí)例前置放大器的實(shí)例 圖示為光電導(dǎo)探測(cè)器電路中的前置放大器電路圖。它具有良好的線性度，電路是由A 702A和A716兩個(gè)集成器件構(gòu)成。

21、圖6-20 前置放大器電路實(shí)例356.3 常用電路介紹常用電路介紹 6.3.1 選頻放大器選頻放大器 6.3.2 相敏檢波器相敏檢波器( (相敏整流器、相敏解調(diào)器相敏整流器、相敏解調(diào)器) ) 6.3.3 相位檢測(cè)器（鑒相器）相位檢測(cè)器（鑒相器） 6.3.4 鑒頻器鑒頻器 6.3.5 脈沖寬度鑒別器脈沖寬度鑒別器 6.3.6 積分微分運(yùn)算器積分微分運(yùn)算器 6.3.7 鎖相環(huán)及鎖相放大器鎖相環(huán)及鎖相放大器 本節(jié)包括以下幾部分內(nèi)容：366.3.1 選頻放大器選頻放大器為突出信號(hào)和抑制噪聲，常采用選頻放大器。為突出信號(hào)和抑制噪聲，常采用選頻放大器。將放大器的選放頻率與光電信號(hào)的調(diào)制頻率保持一致，同時(shí)將

22、放大器的選放頻率與光電信號(hào)的調(diào)制頻率保持一致，同時(shí)限制帶寬，使所選頻率間隔外的噪聲盡可能濾除，達(dá)到提高限制帶寬，使所選頻率間隔外的噪聲盡可能濾除，達(dá)到提高信噪比的目的。信噪比的目的。一類(lèi)選頻放大器是利用一類(lèi)選頻放大器是利用LC振蕩電路，通過(guò)諧振的方式對(duì)所需振蕩電路，通過(guò)諧振的方式對(duì)所需頻率的信號(hào)直接進(jìn)行放大輸出。放大電路中接有頻率的信號(hào)直接進(jìn)行放大輸出。放大電路中接有LC并聯(lián)的諧并聯(lián)的諧振回路，最后用變壓器輸出。振回路，最后用變壓器輸出。圖6-23 LC振蕩選頻放大電路 376.3.2 相敏檢波器相敏檢波器(相敏整流器、相敏解調(diào)器相敏整流器、相敏解調(diào)器) 圖中 為振幅調(diào)制信號(hào)，即待測(cè)的振幅緩慢

23、變化的信號(hào)。乘法器另一輸入 是本機(jī)振蕩或參考振蕩信號(hào)，乘法器的輸出信號(hào)為 )cos()(tutuLL由模擬乘法器和低通濾波器構(gòu)成ttutuicos)()()2cos(cos)(21)cos(cos)()(1tutKMtuttKmtuLuLu低通濾波器濾去高頻2 的分量，其輸出量為 圖6-27 相敏檢波器方框圖cos)(21)(0LMutuKKtu式中，K為低通濾波器的傳輸系數(shù)。 38圖示的相位檢測(cè)器的相位范圍為 ，且輸出電壓與相位差成線性關(guān)系。6.3.3 相位檢測(cè)器（鑒相器）相位檢測(cè)器（鑒相器） 圖6-30 相位檢測(cè)器框圖 18039圖6-31 相位檢測(cè)器各環(huán)節(jié)的波形 uAuB同相同相 uA領(lǐng)

24、先領(lǐng)先uB90 uA落后落后uB90 406.3.4 鑒頻器鑒頻器 鑒頻器的種類(lèi)很多，這里介紹時(shí)間平均值鑒頻器。其工作波形如圖所示,圖中給出了兩個(gè)不同頻率調(diào)頻波的有關(guān)波形，以便比較。 圖6-33 鑒頻器原理框圖 41尖脈沖數(shù)目與頻率有關(guān)，頻率越高，尖脈沖數(shù)目與頻率有關(guān)，頻率越高，尖脈沖越多，輸出越高尖脈沖越多，輸出越高 圖6-34 鑒頻器各環(huán)節(jié)波形 426.3.5 脈沖寬度鑒別器脈沖寬度鑒別器 在光電檢測(cè)技術(shù)中，有時(shí)需要在不同寬度的脈沖中，選出脈寬在某個(gè)特定值T附近的控制脈沖，即TTPTP。TP為特定的持續(xù)期，TP為允許偏差。實(shí)現(xiàn)該功能的方案之一如圖所示。相應(yīng)的工作波形如下頁(yè)圖所示。圖6-36

25、 脈寬鑒別器 43圖6-37 脈寬鑒別器各環(huán)節(jié)的波形 或非（全零則1）輸入信號(hào)輸入信號(hào)電平檢測(cè)電平檢測(cè)1 1積分積分電平檢測(cè)電平檢測(cè)2 2或非或非單穩(wěn)單穩(wěn)2 2單穩(wěn)單穩(wěn)1 1446.3.6 積分微分運(yùn)算器積分微分運(yùn)算器 1. 1. 積分運(yùn)算器積分運(yùn)算器 積分運(yùn)算器的電路如圖所示, 。這時(shí)輸出信號(hào)u0與輸入信號(hào)ui的關(guān)系為dttuCRtuiff)(1)(0(6-48)(6-49) 這時(shí)輸出電壓正比于輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分，比例常數(shù)與反饋電路的時(shí)間常數(shù)有關(guān)而與運(yùn)算放大器的參數(shù)無(wú)關(guān)。fffCR 圖6-39 積分運(yùn)算器 452. 微分運(yùn)算器微分運(yùn)算器 基本微分運(yùn)算器的電路。待微分信號(hào)輸入反相端，輸出信號(hào)

26、u0與輸入信號(hào)ui間的關(guān)系為圖6-42 基本微分運(yùn)算器 dttduCRtuiff/ )()(0 在運(yùn)算放大器的反相端和同相端接成平衡對(duì)稱(chēng)的RC微分電路，可構(gòu)成差動(dòng)微分運(yùn)算器，其輸出與輸入間的關(guān)系為： dttutudCRtuiiff/)()()(210圖6-43 差動(dòng)微分運(yùn)算器 (6-52)(6-53)466.3.7 鎖相環(huán)及鎖相放大器鎖相環(huán)及鎖相放大器 使一個(gè)簡(jiǎn)諧波自激振蕩的相位受基準(zhǔn)振蕩的控自激振蕩的相位受基準(zhǔn)振蕩的控制制，保持特定的關(guān)系，叫作“相位鎖定”，簡(jiǎn)稱(chēng)“鎖相”圖6-44 鎖相環(huán)方框圖 476.3.7 鎖相環(huán)及鎖相放大器鎖相環(huán)及鎖相放大器 輸入與輸出信號(hào)頻率不同會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不斷變化的相

27、位差輸入與輸出信號(hào)頻率不同會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不斷變化的相位差 ！ 鑒相器：將壓控振蕩器輸出的信號(hào)和輸入信號(hào)之間的相位差轉(zhuǎn)換為誤差電壓。)()(tKtundd式中,Kd鑒相器靈敏度，n(t) 相位差。低通濾波器：常叫環(huán)路濾波器,濾除高頻成分。壓控振蕩器：電壓頻率變換的作用。(6-54)486.4 光電技術(shù)中的調(diào)制技術(shù)光電技術(shù)中的調(diào)制技術(shù) 6.4.1 一般光電信號(hào)的調(diào)制一般光電信號(hào)的調(diào)制 6.4.2 專(zhuān)用調(diào)制盤(pán)專(zhuān)用調(diào)制盤(pán) 6.4.3 利用物理光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的光調(diào)制技術(shù)利用物理光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的光調(diào)制技術(shù) 本節(jié)包括以下幾部分內(nèi)容：496.4.1 一般光電信號(hào)的調(diào)制一般光電信號(hào)的調(diào)制1 1調(diào)制檢測(cè)光信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)調(diào)制檢

28、測(cè)光信號(hào)的優(yōu)點(diǎn) (1)減少自然光或雜散光對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。減少自然光或雜散光對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。-噪聲多以直流量和低頻量出現(xiàn)噪聲多以直流量和低頻量出現(xiàn)(2)消除光電探測(cè)器暗電流對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。消除光電探測(cè)器暗電流對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。 (3)交流信號(hào)處理方便、穩(wěn)定，沒(méi)有直流放大交流信號(hào)處理方便、穩(wěn)定，沒(méi)有直流放大器零點(diǎn)漂移問(wèn)題。器零點(diǎn)漂移問(wèn)題。 (4)提供多種調(diào)制方案，如調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相提供多種調(diào)制方案，如調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相等，從而擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。等，從而擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。 502. 光電信號(hào)調(diào)制的途徑光電信號(hào)調(diào)制的途徑 （1）對(duì)）對(duì)光源發(fā)光光源發(fā)光進(jìn)行調(diào)制進(jìn)行調(diào)制 （2）對(duì)）對(duì)光電器件光電器件產(chǎn)生的

29、光電流進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生的光電流進(jìn)行調(diào)制 （3）在光電器件在光電器件輸出至放大器間輸出至放大器間進(jìn)行光電信號(hào)的調(diào)制進(jìn)行光電信號(hào)的調(diào)制 （4）在）在光源與光電器件的途徑中光源與光電器件的途徑中進(jìn)行調(diào)制進(jìn)行調(diào)制 512. 光電信號(hào)調(diào)制的途徑光電信號(hào)調(diào)制的途徑 （1）對(duì)光源發(fā)光進(jìn)行調(diào)制）對(duì)光源發(fā)光進(jìn)行調(diào)制 該方法要求光源具有極小的惰性。常用的光源有激光器、發(fā)光二極管、氖燈及氫燈等，通過(guò)調(diào)制電源來(lái)調(diào)制發(fā)光。多諧振蕩器及功率放大器組成。圖6-49 發(fā)光二極管的脈沖供電 52（2）對(duì)光電器件產(chǎn)生的光電流進(jìn)行調(diào)制）對(duì)光電器件產(chǎn)生的光電流進(jìn)行調(diào)制 在光電管中，通過(guò)在陰極和陽(yáng)極間側(cè)向附加交變的電場(chǎng)或磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。 在光電

30、倍增管中，光電信號(hào)的調(diào)制可以在任何一級(jí)二次極上通過(guò)施加交變電壓來(lái)完成，其調(diào)制頻率可達(dá)105107Hz左右。 在光電三極管中，光電信號(hào)的調(diào)制可以在基極上加調(diào)制電壓或電流53（2）對(duì)光電器件產(chǎn)生的光電流進(jìn)行調(diào)制）對(duì)光電器件產(chǎn)生的光電流進(jìn)行調(diào)制 在光敏電阻或光電二極管中，調(diào)制可在電橋電路中采用交變電壓供電來(lái)完成。圖6-50 光敏電阻的調(diào)制電路 54（3）在光電器件輸出至放大器間進(jìn)行光電信號(hào)的調(diào)制在光電器件輸出至放大器間進(jìn)行光電信號(hào)的調(diào)制 對(duì)信號(hào)電流或電壓進(jìn)行調(diào)制，又叫做電路調(diào)制。如晶體管調(diào)制器、場(chǎng)效應(yīng)管調(diào)制器等，把直流電量轉(zhuǎn)換為交變電量。 （4）在光源與光電器件的途徑中進(jìn)行調(diào)制）在光源與光電器件的途

31、徑中進(jìn)行調(diào)制 在光電檢測(cè)中應(yīng)用最多，如機(jī)械調(diào)制法、干涉調(diào)制法、偏振面旋轉(zhuǎn)調(diào)制法、雙折射調(diào)制法和聲光調(diào)制法等。重點(diǎn)介紹553. 常用的機(jī)械調(diào)制法常用的機(jī)械調(diào)制法 （1）調(diào)制盤(pán)及調(diào)制波形）調(diào)制盤(pán)及調(diào)制波形 最簡(jiǎn)單的調(diào)制盤(pán)，有時(shí)叫做斬波器。在圓形的板上由透明和不透明相間的扇形區(qū)構(gòu)成。當(dāng)以圓盤(pán)中心為軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就可以對(duì)通過(guò)它的光束M進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制頻率f由調(diào)制盤(pán)中透光扇形的個(gè)數(shù)N和調(diào)制盤(pán)的轉(zhuǎn)速n決定，fNn/60(Hz)。 圖6-51 調(diào)制盤(pán) 56調(diào)制盤(pán)實(shí)物圖調(diào)制盤(pán)實(shí)物圖57調(diào)制光輸出波形與光束截面的關(guān)系。u調(diào)制盤(pán)的圖形近似為方形，束截面為寬度不等的矩形u所形成的調(diào)制波形是方波、梯形波和三角波等。 圖6-

32、52 光孔及波形 58（2）調(diào)制盤(pán)的特點(diǎn)調(diào)制盤(pán)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單；方法簡(jiǎn)單；造價(jià)低廉；造價(jià)低廉；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：體積大，大部分盤(pán)區(qū)處在待工作狀態(tài)體積大，大部分盤(pán)區(qū)處在待工作狀態(tài)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)容易帶來(lái)震動(dòng)，在某些場(chǎng)合不適合機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)容易帶來(lái)震動(dòng)，在某些場(chǎng)合不適合59（3）利用電磁感應(yīng)的機(jī)械調(diào)制利用電磁感應(yīng)的機(jī)械調(diào)制 激磁線圈中加入交變電流。激磁線圈中加入交變電流。線圈磁場(chǎng)線圈磁場(chǎng)S S和和N N極交變。極交變。 圖6-54 電磁感應(yīng)調(diào)制器 60（4）受抑全反射調(diào)制器受抑全反射調(diào)制器 利用全反射條件成立與否可實(shí)現(xiàn)光調(diào)制?？蓪⒁皇肷涔夥纸鉃閮墒{(diào)制光輸出。圖6-56 受抑全反射調(diào)制器61（5）移動(dòng)光

33、軸的調(diào)制器移動(dòng)光軸的調(diào)制器 移動(dòng)光軸由固定狹縫和運(yùn)動(dòng)反射鏡構(gòu)成。移動(dòng)光軸由固定狹縫和運(yùn)動(dòng)反射鏡構(gòu)成。圖6-57 移動(dòng)光軸的調(diào)制器 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) 擺動(dòng)擺動(dòng) 62（6）正弦波形調(diào)制器正弦波形調(diào)制器 旋轉(zhuǎn)葉片與雙三角形光闌構(gòu)成的正弦調(diào)制器。三角形底邊長(zhǎng)為b，高為h當(dāng)葉片與光闌平行時(shí)， 0，通光面積S0時(shí)作為起始計(jì)算點(diǎn)。按三角關(guān)系知 ，coshh cos)/(bhhbb)2cos1 (21cos2hbhbhbS圖6-58 旋轉(zhuǎn)葉片正弦調(diào)制器 通光面積：hb63（6）正弦波形調(diào)制器正弦波形調(diào)制器 利用半徑不同的兩內(nèi)接圓所構(gòu)成新月形的孔，對(duì)線狀光束實(shí)現(xiàn)調(diào)制。 圖6-59 新月形正弦調(diào)制器 0510152025

34、303500.20.40.60.811.21.41.61.82646.4.2 專(zhuān)用調(diào)制盤(pán)專(zhuān)用調(diào)制盤(pán) 用于跟蹤和瞄準(zhǔn)的光電系統(tǒng)用于跟蹤和瞄準(zhǔn)的光電系統(tǒng)中，利用對(duì)目標(biāo)發(fā)出的光輻射中，利用對(duì)目標(biāo)發(fā)出的光輻射進(jìn)行特別調(diào)制可以獲取目標(biāo)偏進(jìn)行特別調(diào)制可以獲取目標(biāo)偏離軸線的誤差信號(hào)；離軸線的誤差信號(hào)；控制光電系統(tǒng)修正軸線可以控制光電系統(tǒng)修正軸線可以正確跟蹤和瞄準(zhǔn)。正確跟蹤和瞄準(zhǔn)。此時(shí)往往用到此時(shí)往往用到專(zhuān)用調(diào)制盤(pán)專(zhuān)用調(diào)制盤(pán)。(6-59)海基導(dǎo)彈跟蹤雷達(dá)656.4.2 專(zhuān)用調(diào)制盤(pán)專(zhuān)用調(diào)制盤(pán) 1 1調(diào)制波及調(diào)制的分類(lèi)調(diào)制波及調(diào)制的分類(lèi) 設(shè)某交流波的瞬時(shí)值 由下式表示)(tasin)2sin()sin()(000

35、aftatata 交流波振幅交流波振幅 圓頻率圓頻率 頻率頻率 初相角初相角 相位相位角角 調(diào)制可分為三類(lèi)，調(diào)幅( )、調(diào)頻( 或 )和調(diào)相( )。0af(6-59)666.4.3 利用物理光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的光調(diào)制技術(shù)利用物理光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的光調(diào)制技術(shù) 1利用干涉現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光調(diào)制利用干涉現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光調(diào)制 干涉條紋及其變化的是相干光束間在干涉場(chǎng)中產(chǎn)生的相位差 ，或與其對(duì)應(yīng)的光程差 ，兩者間的關(guān)系為 /2式中，為干涉所采用光束的波長(zhǎng)。 圖6-69 干涉調(diào)制原理 (6-63)672利用偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)進(jìn)行光調(diào)制利用偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)進(jìn)行光調(diào)制 （1 1）利用電場(chǎng)作用下晶體的旋光產(chǎn)生光調(diào)制）利用電場(chǎng)作用下晶體的旋

36、光產(chǎn)生光調(diào)制 在石英晶片上施加以 為圓頻率的正弦電壓，偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)角度也是一個(gè)隨時(shí)間變化的正弦函數(shù) tUUsin0tmsin(6-64) 為在外加電壓時(shí)對(duì)應(yīng)的最大旋轉(zhuǎn)角； m68)sin(cos20tIIm(6-65)式中， 為起、檢兩偏振器主方向 和 間的夾角； 圖6-71所示是 和 時(shí)各量間的關(guān)系。實(shí)際使用中常采用 的方式，此時(shí) )sin(sin20tIIm2021PP (6-66)1P2P圖6-70 利用旋光進(jìn)行光調(diào)制裝置 圖6-71 兩種放置方法 69（2 2）利用）利用“法拉弟法拉弟”旋光效應(yīng)產(chǎn)生的光調(diào)制旋光效應(yīng)產(chǎn)生的光調(diào)制 某些物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下，能使通過(guò)該物質(zhì)的偏振光振動(dòng)面產(chǎn)

37、生旋轉(zhuǎn)，這就是“法拉弟”旋光效應(yīng)。這些物質(zhì)叫做磁偏物質(zhì)。該效應(yīng)使偏振面旋轉(zhuǎn)的角度 為VHL式中，V為物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)，它表征磁偏物質(zhì)的旋光能力；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；L為在磁場(chǎng)中光經(jīng)過(guò)的長(zhǎng)度。圖6-72 利用磁旋光實(shí)現(xiàn)光調(diào)制 (6-67)70 磁偏物質(zhì)中的交變磁場(chǎng)B是由交變電流通過(guò)線圈產(chǎn)生，如果交變電流 ，則B為 tIIsin0tBBsin0旋光轉(zhuǎn)角 為 tVLBtmsinsin0造成輸出調(diào)制光強(qiáng)為)sin(cos020tVLBII當(dāng) 時(shí)2)sin(sin20tIIm71 可從三個(gè)方面提高該效應(yīng)可從三個(gè)方面提高該效應(yīng)的效果。的效果。(1)選擇磁旋系數(shù)選擇磁旋系數(shù)V強(qiáng)的物質(zhì)強(qiáng)的物質(zhì);(2)加大線圈的匝數(shù)以增加磁加大線圈的匝數(shù)以增加磁感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)強(qiáng)度B，但這會(huì)使結(jié)構(gòu)笨，但這會(huì)使結(jié)構(gòu)笨重，增大電感性的惰性，對(duì)工重，增大電感性的惰性，對(duì)工作不利；作不利；(3)增加光在磁場(chǎng)中的路途長(zhǎng)增加光在磁場(chǎng)中的路途長(zhǎng)度。如圖。度。如圖。圖6-73 延長(zhǎng)作用距離的方案 723利用雙折射進(jìn)行光調(diào)制利用雙折射進(jìn)行光調(diào)制 當(dāng)光束通過(guò)非對(duì)稱(chēng)晶體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生雙折射，即產(chǎn)生以折射率為n0的尋常光和折射率為ne的非尋常光。這兩束光經(jīng)過(guò)晶體后，形成一定的相位差 2)(0ennd圖6-74 利用晶體雙折射實(shí)現(xiàn)調(diào)