光阻法成像儀的前端信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

黃敏松，雷恒池，陳家田，張曉慶

(1.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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光阻法成像儀的前端信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

黃敏松1，2，雷恒池1，陳家田1，張曉慶1

(1.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

為了實(shí)現(xiàn)以光電二極管陣列為傳感器，以光阻法為原理對(duì)高速運(yùn)動(dòng)下的微粒進(jìn)行精確成像和測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種可對(duì)光電二極管陣列所生成的多路瞬變信號(hào)進(jìn)行快速響應(yīng)的前端信號(hào)調(diào)理電路。該前端信號(hào)調(diào)理電路包含有128個(gè)信號(hào)調(diào)理電路單元，每個(gè)信號(hào)調(diào)理電路單元均由互阻放大電路、后級(jí)信號(hào)放大電路、分壓射隨電路和比較電路組成。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試表明，對(duì)大小不同的粒子高速經(jīng)過(guò)采樣區(qū)時(shí)光電二極管陣列因粒子對(duì)光源的阻擋所產(chǎn)生的微弱瞬變信號(hào),該電路均能快速有效地進(jìn)行處理,可滿足儀器對(duì)高速運(yùn)動(dòng)粒子進(jìn)行成像測(cè)量的性能要求。

光阻法;成像儀;光電二極管陣列;前端信號(hào)調(diào)理電路

0 引言

光阻法(Light-Blockage),又稱為光障礙法或光遮擋法,是利用微粒對(duì)光的遮擋所發(fā)生的光強(qiáng)度變化進(jìn)行微粒粒徑檢測(cè)的方法,檢測(cè)范圍可從μm到mm單位量級(jí)[1]。光阻法具有檢測(cè)速度快、抗干擾性強(qiáng)、精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。以光阻法為測(cè)量原理的檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天汽油、醫(yī)藥、氣象和環(huán)境等領(lǐng)域,但目前主要用在低速測(cè)量場(chǎng)合,對(duì)于高速粒子測(cè)量卻鮮有提及，而且測(cè)量時(shí)只注重粒子的維度,對(duì)粒子圖像關(guān)心很少。光阻法成像測(cè)量技術(shù)一般采用光電二極管陣列作為前端傳感元件[2]。在高速測(cè)量場(chǎng)合,主要考慮傳感器的快速響應(yīng)能力,因此,選用分立型光電二極管陣列作為前端傳感元件。但分立型光電二極管陣列的應(yīng)用需要對(duì)每個(gè)光電二極管單元進(jìn)行信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì),因此對(duì)于由多傳感單元組成的光電二極管陣列，其前端信號(hào)調(diào)理電路必由多路并行的信號(hào)調(diào)理電路組成，而多路并行的高速信號(hào)處理必然對(duì)PCB電路板的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)提出更高的要求，因此圍繞著光電二極管陣列所設(shè)計(jì)的前端信號(hào)調(diào)理電路是實(shí)現(xiàn)儀器功能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是制約儀器測(cè)量準(zhǔn)確性的一個(gè)關(guān)鍵性因素[3]。

1 光阻法成像測(cè)量原理

光阻法成像測(cè)量原理主要是利用一準(zhǔn)直、光強(qiáng)分布均勻一致的激光光束直接照射到傳感器光電二極管陣列上。各傳感器單元均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與其自身所接收到的激光光強(qiáng)呈正比的電流值。當(dāng)有粒子穿過(guò)激光光束區(qū)時(shí)，由于粒子的遮擋導(dǎo)致照射到傳感器光電二極管陣列上的激光強(qiáng)度發(fā)生了變化,從而導(dǎo)致傳感器單元產(chǎn)生的電流值發(fā)生變化。因此,變化的電流與粒子出現(xiàn)的事件是相對(duì)應(yīng)的,而陣列中被遮擋的光電二極管數(shù)則表示著粒子的大小。利用電子電路檢測(cè)傳感器光電二極管陣列上每個(gè)光電二極管的光電脈沖變化并對(duì)變化的電流進(jìn)行處理,將對(duì)整個(gè)光電二極管陣列處理一次生成的一組信號(hào)稱為slice,當(dāng)粒子粒徑大于光電二極管陣列單元的寬度時(shí)，一個(gè)粒子將會(huì)生成多條slice，這樣當(dāng)把多條slice按生成順序拼接起來(lái)時(shí)便可重構(gòu)粒子圖像并測(cè)得粒子大小。

2 前端信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.1 互阻放大電路設(shè)計(jì)

在激光照射下,光電二極管陣列產(chǎn)生的物理量是電流,而一般信號(hào)的處理量是電壓,因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理前有必要將傳感器產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓。設(shè)計(jì)電流轉(zhuǎn)電壓電路(I/V電路)就是設(shè)計(jì)互阻放大器。目前,電流轉(zhuǎn)電壓的電路設(shè)計(jì)一般采用基于運(yùn)算放大器(OPA)的電路設(shè)計(jì)方案。

在基于運(yùn)算放大器的光電二極管信號(hào)檢測(cè)電路中,由于運(yùn)算放大器以及光電二極管的非理想性,導(dǎo)致在進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換時(shí)，在電路的環(huán)路特性中引入極點(diǎn),從而增加系統(tǒng)的相移,引起光電二極管信號(hào)檢測(cè)電路的不穩(wěn)定,在寬頻帶噪聲的干擾下產(chǎn)生振蕩,致使對(duì)光電二極管微弱光電流信號(hào)檢測(cè)的不準(zhǔn)確。為了提高光電檢測(cè)電路工作的穩(wěn)定性,本設(shè)計(jì)采用超前補(bǔ)償技術(shù),對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償,確保電路在任何環(huán)路增益條件下工作時(shí)仍有足夠的相位裕度。采用超前補(bǔ)償技術(shù)改進(jìn)的I/V電路如圖1所示。

圖1 改進(jìn)的I/V電路

圖1中的CD是光電二極管在偏壓VB下的結(jié)電容,CCM是運(yùn)放的共模電容，反饋電阻RF為互阻放大電路的增益,選用適當(dāng)電阻值的電阻,可將μA級(jí)的電流量轉(zhuǎn)為mV級(jí)的電壓量,同時(shí)可保持電路的適當(dāng)帶寬以滿足高速應(yīng)用的場(chǎng)合。反饋電容CF并在反饋電阻RF兩端,它與RF形成一噪聲增益極點(diǎn),適當(dāng)?shù)腃F值可使噪聲增益極點(diǎn)與環(huán)路增益極點(diǎn)相抵,從而使電路的相位裕度達(dá)到45°,電路穩(wěn)定正常工作。因此,選定適當(dāng)?shù)姆答侂娮鑂F和確定反饋電容CF的值是整個(gè)互阻放大電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.1.1 反饋電阻RF值的確定

對(duì)于RF值的確定，樊振方和羅暉[4]經(jīng)過(guò)推理計(jì)算得出選定的RF必須符合下列等式：

(1)

式中：f3dB為互阻放大器的3 dB帶寬;WGBP為放大器的增益帶寬積;CJ為二極管的結(jié)電容和運(yùn)放的共模電容和。

式(1) 指出在源的結(jié)電容恒定的情況下,互阻放大器的增益與帶寬的平方乘積是一個(gè)常數(shù),顯然在互阻放大器中,增益和帶寬仍是矛盾的。

考慮到運(yùn)算放大器的增益帶寬積并未經(jīng)過(guò)調(diào)理，變化范圍可能達(dá)到±40%，選擇WGBP為運(yùn)放數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定參數(shù)的60%。因此,根據(jù)式(1)可定出容許的RF值范圍為

(2)

2.1.2 補(bǔ)償電容CF值的確定

對(duì)于補(bǔ)償電容CF，一般情況下會(huì)有CJ>>CF,且CF的值由式(3)確定。

(3)

2.2 后級(jí)放大電路

在高速應(yīng)用場(chǎng)合,系統(tǒng)對(duì)電路的帶寬要求比較高時(shí),有必要犧牲電路的增益,以換取系統(tǒng)對(duì)帶寬的要求。但系統(tǒng)對(duì)電路信號(hào)電壓處理的要求一般都要達(dá)到V量級(jí),因此,在減小前置級(jí)的互阻增益時(shí),應(yīng)在互阻電路的輸出端外加一比例放大電路以增大信號(hào)幅度。

目前根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同,運(yùn)算放大器可以分為電流反饋型(CFB) 和電壓反饋型(VFB) 運(yùn)算放大器[5]?？紤]到CFB 運(yùn)算放大器具有帶寬不受增益影響的優(yōu)點(diǎn)，選用電流反饋型(CFB)運(yùn)放芯片作為后級(jí)放大電路的運(yùn)放芯片。具體的后級(jí)放大電路如圖2所示。圖中Vin是前級(jí)互阻電路的輸出電壓信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過(guò)以電流反饋型(CFB)運(yùn)放為核心的反相比例放大電路放大后,輸出信號(hào)Vout;R3、C1和可調(diào)電阻PT共同組成一個(gè)提供給CFB運(yùn)放正相輸入端的一個(gè)輸入信號(hào)。在前級(jí)互阻電路沒(méi)有光照條件下該輸入信號(hào)可使放大電路的輸出為一個(gè)固定值,該值一般設(shè)定為200 mV左右。

圖2 后級(jí)放大電路

2.3 比較電路和分壓射隨電路設(shè)計(jì)

在模擬電路中,電壓比較器是對(duì)輸入信號(hào)電壓進(jìn)行比較的電路,其輸出電壓只有2種可能狀態(tài),高電平或者低電平,如果用1表示高電平,用0表示低電平,則比較器的輸出剛好和粒子是否出現(xiàn)遮擋的狀態(tài)對(duì)應(yīng)起來(lái)。比較器電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵因素是確定好閾值電壓的數(shù)值,根據(jù)前人的工作經(jīng)驗(yàn)[6]，是以激光直照時(shí),光電二極管所接收到的光強(qiáng)產(chǎn)生電壓值的一半作為該傳感器單元支路比較電路的閾值電壓,即以光電二極管所接收到的激光光強(qiáng)被削弱一半以上時(shí)表示粒子出現(xiàn)事件。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)分壓射隨電路獲取比較電路所需要的參考電平并輸入到比較電路。

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)了電路系統(tǒng)所需要的比較電路，如圖3所示。該比較電路的參考電平由以O(shè)PA為核心的跟隨器電路提供,當(dāng)后級(jí)放大電路將信號(hào)經(jīng)Ra輸入時(shí),因?yàn)镽a和Rb的阻值相等,因此Rb將分出輸入信號(hào)Va的一半電壓輸入運(yùn)放OPA,因此跟隨器的輸出電壓Vr即為Va的一半,該電壓Vr作為比較器的參考電平輸入到比較器的參考輸入端,電阻Rc在此過(guò)程中起到穩(wěn)定運(yùn)放OPA輸出的作用。電容Ca并在電阻Rb兩端,起到電荷存儲(chǔ)的作用。在信號(hào)Va經(jīng)電阻Ra輸入跟隨器的同時(shí),它還經(jīng)過(guò)電阻Rd輸入比較器,與參考電平Vr進(jìn)行比較;一般比較器所自帶滯回回路的遲滯區(qū)域都太小,很容易受噪聲干擾影響,因此,在輸出端和同相輸入端直接加入正反饋電阻Re,它與電阻Rd一起構(gòu)成比較器的外部滯回回路,該滯回回路可增大比較器的滯回空間,減緩比較器的頻繁跳變。

圖3 分壓射隨電路與比較器電路

3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

試驗(yàn)中所選用的傳感器是由128個(gè)光電二極管單元組成的光電二極管陣列,每個(gè)傳感單元需要一路的信號(hào)調(diào)理電路,因此,總共需要128路的信號(hào)調(diào)理電路，這對(duì)整個(gè)電路板的信號(hào)完整性提出了比較高的要求。因此充分利用芯片的小封裝、高集成特性，盡量縮小信號(hào)的傳輸距離，合理安排各級(jí)芯片在PCB電路板上的位置，并充分利用多層電路板合理分層的抗干擾特性，最終，將整個(gè)128路光電二極管陣列的前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)在6層印刷電路板上，如圖4所示。

圖4 前端信號(hào)調(diào)理電路板

為了對(duì)所設(shè)計(jì)的前端信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行性能測(cè)試，利用恒定轉(zhuǎn)速標(biāo)定轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)。該轉(zhuǎn)盤(pán)上均勻鍍著5個(gè)大小不同的小黑圓點(diǎn)，直徑分別為5 mm、3 mm、1 mm、0.5 mm和0.3 mm,其轉(zhuǎn)速相當(dāng)于粒子以30 m/s的速度進(jìn)行飛行，因此可以模擬在30 m/s的飛行速度條件下不同大小的粒子穿過(guò)儀器采樣區(qū)的情況。試驗(yàn)所用光源是波長(zhǎng)650 nm,輸出準(zhǔn)直圓斑且輸出功率50 mW的半導(dǎo)體激光器,試驗(yàn)時(shí)將激光器的輸出光斑對(duì)準(zhǔn)電路板上的傳感器光電二極管陣列，并將轉(zhuǎn)盤(pán)置于激光器和傳感器之間的光路上,且使轉(zhuǎn)盤(pán)的透光孔垂直對(duì)準(zhǔn)激光光束，這樣當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)起時(shí)可讓粒子垂直通過(guò)激光光束。將示波器的探針連在比較器的輸出端,當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)未通電時(shí)，傳感器直接接收激光照射，所接收的激光能量使得比較器輸出高電平信號(hào)；當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)通電轉(zhuǎn)起時(shí)，因?yàn)榱Ｗ訉?duì)激光光線的遮擋，使得比較器輸出低電平信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)恒速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，粒子就周期性地對(duì)激光光束進(jìn)行遮擋，這樣比較器就輸出高低電平相間的脈沖信號(hào)，如圖5所示。由于低電平脈沖的時(shí)長(zhǎng)與小黑圓點(diǎn)的粒徑相對(duì)應(yīng),因此通過(guò)對(duì)每個(gè)支路向下凹陷的低電平脈沖采集就可重構(gòu)出相應(yīng)的粒子圖像形狀。

圖5 實(shí)驗(yàn)中比較器的輸出波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在介紹光阻法成像測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)傳感器光電二極管陣列單元生成信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合于高速場(chǎng)合下微粒成像測(cè)量的前端信號(hào)調(diào)理電路。測(cè)試表明，該電路能快速有效地對(duì)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理，并產(chǎn)生出與粒子大小相符合的、適合于實(shí)際應(yīng)用的有效信號(hào)，可用于后端數(shù)字電路的后續(xù)處理,完全滿足高速條件下儀器對(duì)電路快速響應(yīng)的要求，可用于高速場(chǎng)合下的微粒成像測(cè)量。

[1] 曲丹丹,羅詩(shī)金,薛劍英,等.光阻法智能微粒檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與研究.儀器儀表學(xué)報(bào),2003(增刊2):156-158.

[2] 申爽,張慶合,李彤,等.基于USB的光電二極管陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器,2006(5):37-39.

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Front-end Signal Conditioning Circuit Designed for Light-blockage Imaging Probe

HUANG Min-song1,2,LEI Heng-chi1,CHEN Jia-tian1,ZHANG Xiao-qing1

(1.Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;2.University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049，China)

In order to utilize photodiode array as sensor and use the light-blockage method to accurately image and measure the particles in high-speed movement,a front-end signal conditioning circuit was designed to fast respond to the multiple,weak and transient signals generated by the photodiode array.The front-end signal conditioning circuit includes 128 signal conditioning circuit units,each of which is composed of a transimpedance amplifier,a signal amplifier,a follower and a comparator.Experiment results show that the front-end signal conditioning circuit can fast and effectively process the signals generated by the sensor when particles of different sizes trans-through the sampling volume speedily,which indicates that the signal conditioning circuit can fully satisfy the performance requirements by the imaging probe.

light-blockage method;imaging probe;photodiode array;front-end signal conditioning circuit

公益性行業(yè)專項(xiàng)(氣象)基金資助項(xiàng)目(GYHY200806015)；國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)(41327803)

2014-04-12 收修改稿日期:2014-11-02

TP274.2

A

1002-1841(2015)04-0028-03

黃敏松(1983— )，工程師，碩士，在職博士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⑷跣盘?hào)檢測(cè)與處理，大氣探測(cè)儀器研發(fā)等。 E-mail：mission@mail.iap.ac.cn 雷恒池(1960—)，研究員，博導(dǎo)，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇髿膺b感與大氣探測(cè)，云降水物理與人工影響天氣等。 E-mail：leihc@mail.iap.ac.cn