高速四元探測器峰值保持電路的設(shè)計*

胡永宏,張喜和

(長春理工大學理學院,長春 130022)

0 引言

高頻調(diào)Q激光器作為發(fā)射光源進行目標定位,根據(jù)四元光電探測器各象元接收到光能量的大小,確定目標光斑位置。相比較連續(xù)激光器,納秒激光脈沖光源作為發(fā)射光源具有峰值功率高、抗干擾能力強、可使用時間編碼等優(yōu)點而被廣泛采用。但是,探測接收部分需要采用響應速度快的光電探測器,探測器輸出4路納秒級脈沖信號,由于脈沖很窄,后續(xù)電路在信號采集之前,需要對窄脈沖信號進行峰值保持處理。峰值保持可在同一時刻將4通道的信號峰值保存起來,在一段時間內(nèi)不丟失,等待模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集。

1 四元探測峰值保持電路的原理

四元探測器接收能量變化范圍較大的納秒激光信號,轉(zhuǎn)換為納秒級的電脈沖信號,流入跨阻放大電路,將信號放大。放大后的信號分送兩路;一路流入四元采樣保持電路;另一路流入峰值檢測電路,甄別脈沖信號的峰值時刻,觸發(fā)四元采樣保持電路;四元采樣保持電路未接到觸發(fā)信號前跟蹤輸入信號;接到觸發(fā)信號后保持當前信號的電壓值,且保持一段時間等待后續(xù)電路讀取(見圖1)。

圖1 四元探測器保持電路基本結(jié)構(gòu)

為了適應不同背景環(huán)境下隨機脈沖信號所附加的背景噪聲特征不同的特點,峰值檢測電路設(shè)計了基準閾值自適應配置模塊進行基準閾值設(shè)置[1];跨阻放大電路為4路放大器并聯(lián),共用相同的增益調(diào)節(jié),增益調(diào)節(jié)會根據(jù)前一個脈沖信號的幅度自動調(diào)節(jié)增益大小,適應不同幅度脈沖的放大。四元探測器具有4路獨立的保持單元模塊且共用一個觸發(fā)信號,可同時保持4路脈沖信號[2]。

2 電路設(shè)計

2.1 跨阻放大電路設(shè)計

接收激光探測器采用GT3541T,它是響應波長900nm到1700nm,在激光定位、精細加工、導航等方面應用廣泛。

跨阻放大器類型選為NE5210高速跨阻放大器,四元探測器等效為一個高速脈沖電流源,放大器最高增益跨阻為7kΩ,25MHz帶寬[3]。放大器增益可自動換擋切換,0dB,-20dB,-40dB,-60dB,-80dB,-100dB;增益的改變根據(jù)當前放大器輸出電壓而變化,當輸出電壓低于0.2V時,放大器增益提高20dB;當增益高于2V時,放大器增益下降20dB,使得輸出電壓能夠動態(tài)的適應探測器在不同距離上接收能量大小不同產(chǎn)生的電壓脈沖。設(shè)計的電路圖見圖2。

圖2 跨阻放大器電路

D1為四元探測器,外加HV反向偏置電壓,信號流入跨阻放大器;U1為單端跨阻放大器,具有同向和反向輸出端,反向端作為U1的反饋端,同向端作為U1的輸出端;C1、C2、C3和C4為放大器U1的反饋元件,選擇不同容值,其交流阻抗不同,得到放大器增益大小不同;J1、J 2、J 3和J 4是半導體開關(guān),通過開關(guān)的選通,調(diào)整U1的增益大小。C5和R1組成高通濾波器,可消除放大器直流分量和低頻分量。

2.2 峰值檢測電路設(shè)計

峰值檢測電路將放大后的信號進行峰值時刻檢測,在信號達到峰值前將輸出觸發(fā)信號給四元采樣保持電路(見圖3)。

圖3 峰值檢測電路

放大器輸出的四路脈沖信號經(jīng)過R2 、R3、R4和R5耦合為一路信號 。U2、D2、R8 和C6組成基準閾值自適應配置電路,保持U2反向輸入端的背景噪聲電壓;R6和D3組成0.3V的偏值電壓,疊加于噪聲電壓之上,作為U3的參考比較電壓。U3為MAX913,將U3的反向輸入端和同向輸入端的電壓進行比較。當接收到激光脈沖時,U3反向輸入端電壓高于同向輸入端電壓,輸出低電平脈沖;R7、C7組成定時電路,連接點接在U3的使能端,使觸發(fā)電路輸出脈沖寬度滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的時間。將低電平脈沖做200μ s時間的延時,作為四元電壓保持器的觸發(fā)信號。

2.3 四元采樣保持電路設(shè)計

四元采樣保持電路將放大器的輸入信號,在觸發(fā)信號觸發(fā)之時,保存當前瞬間電壓數(shù)值。4路信號的輸出在沒有觸發(fā)信號之前,跟蹤輸入電壓;為了將輸出與輸入跟蹤得更為精準,這里采用輸出端接低通濾波器的結(jié)構(gòu)。R9、C8,R10、C9,R11、C10,R12、C11構(gòu)成4路低通濾波器;該濾波器在沒有保持信號觸發(fā)時,由于輸入信號的頻率較高,濾除噪聲信號;當有200μ s保持信號到來時,保持的電壓信號為低頻信號,可很好的通過濾波器(見圖4)。

圖4 四元采樣保持電路

3 電路整體測試結(jié)果

使用波長為1064nm、脈沖半寬度為10ns、單脈沖能量為30mJ的激光器;使用GT3541T作為四元探測器,其響應時間為1ns,響應度為0.5A/W,有效光敏面直徑為2mm;測試距離為1km,四元采樣保持電路輸出的電壓波形見圖5。

圖5 峰值保持器輸出電壓波形

起始時刻至輸出電壓波形上升沿這段時間,電路處于跟蹤狀態(tài),輸出噪聲低于10mV,可見跨阻放大器根據(jù)前一個激光脈沖強度,自動調(diào)整了增益,適應當前背景下的噪聲。在上升沿以后的時刻,電路處于保持狀態(tài),電壓保持在100ns內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài),可見,輸出端的低通濾波器抑制了電壓波形的過沖,保持了輸出電壓穩(wěn)定。

4 結(jié)論

采用自行設(shè)計的自動增益可調(diào)節(jié)跨阻放大器,能適應探測器較大范圍的變化;設(shè)計的峰值檢測電路,可在不同的背景噪聲下工作;輸出電壓波形保持穩(wěn)定,在保持瞬間沒有出現(xiàn)振蕩波形,該信號易于后續(xù)電路處理?？傮w設(shè)計的電路設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單,進行了反復測試,電路工作穩(wěn)定,性能良好。

[1] 翟立銘,張丕壯.隨機脈沖信號數(shù)據(jù)采集觸發(fā)電路設(shè)計[J].彈箭與制導學報,2008,28(5):252-254.

[2] 彭宇,蘇弘,李小剛,等.一種高速寬帶放大與峰值保持電路的研制[J].核電子學與探測技術(shù),2006,26(4):514-516.

[3] NE5210 T ransimpedance amplifier[Z].Germany:Philips Semiconductors Press,1995:1-14.