彈光調(diào)制干涉信號(hào)放大濾波電路設(shè)計(jì)*

亢 帥，王志斌，2，張敏娟，陳友華，李克武

(1.中北大學(xué) 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

彈光調(diào)制干涉信號(hào)放大濾波電路設(shè)計(jì)*

亢 帥1，王志斌1，2，張敏娟1，陳友華1，李克武1

(1.中北大學(xué) 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

從彈光調(diào)制干涉具中出來(lái)的干涉光經(jīng)過(guò)探測(cè)器接收所輸出的電信號(hào)頻率很高且幅度只有幾十毫伏左右，極易受到噪聲干擾。有效地將其檢測(cè)提取并放大至高速 AD采集信號(hào)范圍 600 mV～4 V對(duì)彈光調(diào)制-傅里葉變換光譜儀的光譜反演至關(guān)重要。因此，需要設(shè)計(jì)一種高頻、高增益、低噪聲的兩級(jí)放大電路。該電路主要由直流穩(wěn)壓電源電路、小信號(hào)放大電路和截止頻率為50 MHz的低通無(wú)源濾波電路組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該放大濾波電路可以將彈光干涉信號(hào)平穩(wěn)放大至150倍左右，能夠?yàn)楹罄m(xù)的采集存儲(chǔ)提供良好的信號(hào)源。

彈光調(diào)制；光譜反演；直流穩(wěn)壓電源；小信號(hào)放大；低通濾波器

0 引言

隨著航天航空、軍事科技等高科技領(lǐng)域的飛速發(fā)展，被測(cè)物質(zhì)的光譜信息需要通過(guò)光譜的傅里葉變換得到[1]。彈光調(diào)制光譜儀可以克服掃描速度慢、光譜范圍窄、抗震性弱、信號(hào)處理慢等普通傅里葉變換光譜儀的缺點(diǎn)，使其快速獲取光譜信息。彈光調(diào)制干涉具由調(diào)制和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成，調(diào)制器件主要由輸出力的壓電石英和調(diào)制硒化鋅組成，晶體驅(qū)動(dòng)部分采用高負(fù)載的高壓諧振電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[2]。驅(qū)動(dòng)電壓越高，經(jīng)過(guò)雙折射后輸出的干涉信號(hào)頻率就越高并且通過(guò)數(shù)出干涉信號(hào)有效峰個(gè)數(shù)后計(jì)算得出的光程差也就越大。因此將高頻小信號(hào)無(wú)失真放大到A/D采集范圍顯得非常關(guān)鍵[3]。

1 彈光調(diào)制干涉具原理

彈光調(diào)制干涉偏振結(jié)構(gòu)如圖1所示，在高壓諧振驅(qū)動(dòng)下利用壓電石英逆壓電效應(yīng)通過(guò)施加交變電壓使得彈光晶體產(chǎn)生周期性形變，并且彈光調(diào)制器的光程延遲值與形變量成正比[4]。通過(guò)相應(yīng)的壓縮和拉伸，使晶體產(chǎn)生共振，形成了應(yīng)力駐波，晶體會(huì)出現(xiàn)周期性的雙折射，經(jīng)過(guò)起偏器和檢偏器，出現(xiàn)了周期性的調(diào)制光程差，從而最后實(shí)現(xiàn)了干涉調(diào)制[5]。

圖1 彈光調(diào)制干涉原理圖

入射光A1經(jīng)過(guò)起偏器產(chǎn)生與 x、y軸成 45°偏振光，經(jīng)過(guò)彈光晶體發(fā)生雙折射被分成o光和e光，通過(guò)晶體后產(chǎn)生mΔn的光程差。Δn為折射率差，m為晶體中通光路徑厚度，然后再通過(guò)檢偏器后產(chǎn)生干涉。

式中B為雙折射率差的最大值，f為高壓諧振電路提供的頻率。因此得到的彈光調(diào)制干涉信號(hào)為：

A1(σ)為入射光光譜，σ為被測(cè)光波數(shù)，Bm為相位振幅。

2 小信號(hào)放大濾波電路設(shè)計(jì)

在分析彈光調(diào)制干涉信號(hào)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源為小信號(hào)放大電路穩(wěn)定地供電，最后通過(guò)低通無(wú)源濾波器進(jìn)行有效的濾波、降噪。通過(guò)PCB敷銅，減少電磁輻射干擾，將組件本身的噪聲抑制到最低程度，實(shí)現(xiàn)信號(hào)路徑的整體匹配[6]。

2.1 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

電源電路如圖2所示，整個(gè)電路的輸入電壓為+12 V。利用穩(wěn)壓電源芯片MORNSUN具有溫漂小、輸出過(guò)壓保護(hù)、電流保護(hù)以及效率高達(dá)88%的特性，通過(guò)MORNSUN使得輸出電壓轉(zhuǎn)換為±5 V。在芯片管腳與模擬地之間接入濾波電容 C1、C2、C4、C5用來(lái)濾除低頻干擾，C3、C6用來(lái)濾除高頻交流雜波。使用示波器檢測(cè)電源管腳的交流電壓，得出電壓紋波只有5 mV左右，滿(mǎn)足放大電路的供電要求。

圖2 直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

2.2 小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)

微弱的電信號(hào)進(jìn)入放大器輸入端之后，夾雜的噪聲同樣會(huì)被放大，這樣就會(huì)影響輸出信號(hào)的質(zhì)量，因此需要選擇低噪元件來(lái)解決這一問(wèn)題，TI公司生產(chǎn)的芯片OPA657作為電壓反饋運(yùn)算放大器具有高增益、低噪等特性，它的參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表格1。

表1 OPA657參數(shù)說(shuō)明

電路設(shè)計(jì)如圖3所示，電源正負(fù)電壓首先通過(guò)LC濾波以減少失調(diào)電壓及其溫漂、低噪、共模電壓對(duì)運(yùn)算放大器的影響，運(yùn)算器電源端并聯(lián)10 μF、0.1 μF旁路電容用來(lái)濾除高頻噪聲并且防止其他電路信號(hào)進(jìn)入運(yùn)放造成振蕩。同相放大需要滿(mǎn)足在開(kāi)環(huán)增益足夠大時(shí)，不會(huì)讓運(yùn)放飽和，并且輸入兩端電壓差要非常小從而實(shí)現(xiàn)虛短、虛斷。根據(jù)正相比例電壓放大基本電路通過(guò)參考芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)正相電壓負(fù)反饋放大電路，得到電路增益為：

A(w)為開(kāi)環(huán)增益，是隨頻率增加而減小的函數(shù)[7]。負(fù)反饋電路調(diào)節(jié)電路的穩(wěn)定性，Ra作為負(fù)反饋電阻必須有足夠精度，且電路閉環(huán)增益要小，從而具有較高共模抑制比進(jìn)行共模信號(hào)抑制。隨著頻率的上升，首先附加相移會(huì)變大，反饋信號(hào)的相移會(huì)符合正反饋的條件發(fā)生自激振蕩[8]，需要通過(guò)補(bǔ)償電容 C1=C2=0.1 pF進(jìn)行相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提高穩(wěn)定性。計(jì)算此時(shí)電路的零點(diǎn)頻率：

圖3 小信號(hào)兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路原理圖

得出fz=48.2 MHz，可知補(bǔ)償電容的取值滿(mǎn)足信號(hào)帶寬理論范圍。其次放大電路的穩(wěn)定性會(huì)逐漸變差，這樣會(huì)使得兩級(jí)放大后各段頻率放大倍數(shù)不一致，造成嚴(yán)重失真，通過(guò)RC電路能夠在放大要求帶寬內(nèi)延長(zhǎng)頻率響應(yīng)平穩(wěn)度，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算并且調(diào)試電路得出當(dāng)反饋電阻R1= R2=330 Ω，放大器輸入負(fù)端-IN接入電阻 R7=R12=33 Ω，+IN輸入端連接電阻 R=Ra//Rb即 R10=R11=30 Ω時(shí)，在所需頻率范圍內(nèi)前置放大倍數(shù)均為12倍，使得信號(hào)在0～50 MHz頻率范圍內(nèi)放大倍數(shù)趨于穩(wěn)定，避免發(fā)生失真[9]。

120 MHz高速A/D轉(zhuǎn)換器采集量程為600 mV～4 V，因此需要采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式來(lái)提高放大倍數(shù)。當(dāng)級(jí)聯(lián)兩級(jí)放大電路輸出阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)就會(huì)發(fā)生反射，而阻抗匹配可以使兩級(jí)的阻抗為純阻性，消除電抗影響，使得信號(hào)無(wú)損傳輸。通過(guò)在前級(jí)運(yùn)放的輸出近端串聯(lián)50 Ω電阻進(jìn)行串行匹配后，信號(hào)在后置運(yùn)放輸入點(diǎn)會(huì)有一次反射，由于反射信號(hào)做了阻抗匹配，反射回來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗均勻的導(dǎo)線(xiàn)，則信號(hào)就不會(huì)再反射回去。

2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

干涉信號(hào)從探測(cè)器出來(lái)時(shí)會(huì)伴隨著噪聲，并且在示波器與信號(hào)發(fā)生器連接的同時(shí)也會(huì)引入干擾等，通過(guò)頻譜儀觀察到整個(gè)干涉信號(hào)帶寬為50 MHz左右，因此設(shè)計(jì)了在-3 dB處截止頻率為 50 MHz的低通無(wú)源濾波器[10]。圖4所示設(shè)計(jì)紋波系數(shù) 0.1在二倍頻處衰減大于 40 dB的五階無(wú)源低通橢圓濾波器。輸入輸出電阻阻抗匹配各為50 Ω。為了使得輸入信號(hào)失真最小，在濾波器工作頻率范圍內(nèi)，將典型值設(shè)為 6 dB，使其得到固定的延遲。

圖4 五階無(wú)源低通橢圓濾波器

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 濾波電路結(jié)果仿真及測(cè)試

利用 Filter Solution 10.0對(duì)橢圓低通濾波器幅頻特性進(jìn)行仿真，如圖 5所示。當(dāng)頻率大于 50.15 MHz時(shí)信號(hào)開(kāi)始大幅度衰減，在90 MHz時(shí)頻率衰減接近40 dB，與理論分析相差不大，并且通過(guò)信號(hào)發(fā)生器給濾波電路一個(gè)1 V正弦激勵(lì)，將信號(hào)源接入濾波器的輸入端，示波器接入測(cè)試濾波器的輸出端，輸出阻抗為 50 Ω。逐步調(diào)試信號(hào)源的頻率，記錄示波器的信號(hào)幅度，當(dāng)示波器測(cè)試幅度為0.707 V時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)濾波器的帶寬，當(dāng)示波器信號(hào)幅度極小時(shí)，此時(shí)信號(hào)源的頻率對(duì)應(yīng)濾波器的截止頻率。

3.2 兩級(jí)放大電路實(shí)驗(yàn)

圖6所示以18 W碳硅棒作為光源，在諧振頻率為49.401 kHz、幅值為270 V正弦高壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，干涉信號(hào)峰峰值Vin為21.6 mV，將其接入兩級(jí)放大濾波電路后輸出得到無(wú)失真電壓放大信號(hào)峰峰值 Vout為 2.64 V，放大增益為41.7 dB，滿(mǎn)足A/D采集量程。

圖5 濾波電路幅頻特性曲線(xiàn)

圖6 示波器采集得到驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)和干涉信號(hào)的波形

4 結(jié)論

針對(duì)干涉信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有高信噪比和較高帶寬的小信號(hào)放大濾波電路。實(shí)驗(yàn)證明，該電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶寬范圍內(nèi)微弱電信號(hào)的有效放大并且整體趨于平穩(wěn)，為后續(xù)的傅里葉變換和光譜還原反演等處理提供了可靠依據(jù)。在信號(hào)發(fā)生器、示波器和射頻線(xiàn)之間傳輸時(shí)，高頻信號(hào)易發(fā)生微弱衰減，造成輸出幅值略減小，因此需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

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Amplifying filter circuit design for interference signal of photoelastic modulated interferometer

Kang Shuai1,Wang Zhibin1，2，Zhang Minjuan1，Chen Youhua1，Li Kewu1
(1.Shanxi Provincal Research Center for Opto-electronic Information and Instrument Enginering Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China)

The interference light come out from the photolastic modulation interference which is received by the detector and then exported signal is a high frequency,it is about tens of millivolts and susceptible to be interfered by noise.It is essential for the spectral inversion of Fourier transform spectrometer if we can detect and extract it and amplify to the range of high-speed AD acquisition signal which is 600 mV to 4 V bomb on the subsequent optical modulator effectively.Therefore,we need to design a twostage amplification circuit of high frequency,high-gain and low-noise.It is mainly composed of DC power supply circuit,small signal amplification circuit and a low-pass passive filter circuit which has a cutoff frequency of 50 MHz.The experimental results show that the amplification filter circuit can amplify the input photoelastic signal to 150 times or so steadily,which can provide good signal for subsequential collection and storage.

elastic light modulator；inversion spectrum；DC power supply；small signal amplification；low pass filter

TN722

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.012

亢帥，王志斌，張敏娟，等.彈光調(diào)制干涉信號(hào)放大濾波電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(11)：45-47，50.

英文引用格式：Kang Shuai,Wang Zhibin，Zhang Minjuan，et al.Amplifying filter circuit design for interference signal ofphotoelastic modulated interferometer[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：45-47，50.

2015-04-16)

亢帥(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：光電調(diào)理電路系統(tǒng)。

國(guó)家自然科學(xué)基金儀器專(zhuān)項(xiàng)(61127015)；國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2012DFA10680，2013DFR10150)；國(guó)家自然科學(xué)基金(61505180)；山西省青年基金(2015021084)

王志斌(1966-)，通信作者，男，教授，主要研究方向：光電子技術(shù)與儀器、光學(xué)工程、光電信息工程、非線(xiàn)性物理等。

張敏娟(1977-)，女，博士，講師，主要研究方向：光電信息。