紫外告警光接收機設計

宮玉琳，李洪祚，文大化

（1.長春理工大學　電子信息工程學院，長春　130022；2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春　130033）

紫外告警光接收機設計

宮玉琳1，李洪祚1，文大化2

（1.長春理工大學電子信息工程學院，長春130022；2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033）

隨著光電技術的不斷發(fā)展，光電技術在民用和軍用領域應用越來越多，對光的應用也不僅限于可見光范圍，正不斷地向光譜的兩端擴展。各種紅外和紫外設備已經得到廣泛應用。相比于紅外波段的應用，紫外波段應用起步較晚，但發(fā)展迅速，憑借其特有的優(yōu)點，在軍事領域尤為重視。紫外告警技術就是在導彈預警中的應用，具有廣闊的前景和重要意義。本文對紫外光信號檢測和信號處理技術進行了深入分析和研究，設計了紫外告警光接收機，并對接收機系統噪聲進行了詳細分析。仿真和實驗表明，本文設計的紫外告警光接收機具有精度高、穩(wěn)定可靠的特點，對紫外告警技術的發(fā)展具有積極作用。

紫外告警；光接收機；光電轉換

在太陽輻射源中的220～280nm波段紫外線，幾乎被臭氧層吸收，紫外告警正是利用這一點，通過探測導道發(fā)出的220～280nm波段的紫外線，實現告警。紫外告警要在太陽輻射背景下檢測微弱的紫外光信號，這就要接收機具備靈敏度高、穩(wěn)定可靠等特點，研究紫外告警接收機具有重要意義。

本文設計的紫外告警接收機由光電轉換電路、帶通濾波電路和差分放大電路組成，原理如圖1所示。

圖1　紫外告警接收機原理

1　光電轉換電路設計

1.1光電轉換電路

光電轉換電路是實現光信號檢測的前提，直接影響整個檢測系統的性能?；竟怆娹D換電路如圖2所示。

圖2　光電轉換電路

由圖2可得，光電轉換電路的輸出電壓Uo為：

本文采用GENUV公司的紫外線探測器GUVC-T10GD-L，其參數如表1所示。

表1　GUVC-T10GD-L相關參數

由表1可知，探測器GUVC-T10GD-L的響應度典型值為0.05A/W，結電容為80pF，當反饋電阻Rf取50kΩ時，由式（2）計算可得光電轉換電路的高頻截止頻率fH為：

可見，光電轉換電路具有很高的高頻截止頻率。

由于GUVC-T10GD-L光敏面積為1.536mm2，響應率為0.05A/W，當紫外光以100W/m2的輻射度照射時，那么在探測器上可得到輻射功率P為：

可進一步求得，探測器GUVC-T10GD-L的輸出電流IP為：

經過光電轉換電路可得輸出電壓Uo為：

1.2光電檢測電路的噪聲分析

光電檢測電路中噪聲的主要來源為熱噪聲UT和散粒噪聲 IS，熱噪聲UT和散粒噪聲 IS計算如下：

式中，K為玻爾茲曼常數；T為材料的絕對溫度；R為探測器等效后的電阻；q為電子電荷量；IP為光電流平均值；Δf為檢測電路的通頻帶。

可見，減小通頻帶可以有效的減小噪聲，因此，本文在光電轉換電路中將反饋電阻Rf和Cin并聯用以減小通頻帶，如圖3所示。此外，由于運算放大器有幾十pF的輸入寄生電容Cin，反饋電阻Rf和Cin會構成新的極點，引起振蕩，將反饋電阻Rf與Cf并聯還可以通過相位補償的方法防止振蕩［1］。

圖3　抑制噪聲的光電轉換電路

本文采用的紫外光探測器GUVC-T10GD-L在紫外光強達到100W時所產生的光電流為9.22μA，當溫度 T=300K，KT=4.14×10-21J，Rf=50kΩ，電路通頻帶Δf=1.99MHz時，熱噪聲UT和散粒噪聲電壓US分別為：

總噪聲輸出電流IN為：

總噪聲電壓UN為：

光電轉換信噪比為：

可見，本文設計的光電轉換電路具有較好的性能。

2　信號處理電路設計

經過光電轉換之后輸出的電信號較弱，需要對其進行放大和處理，同時最大限度抑制噪聲干擾，信號處理電路的設計尤為重要。本文設計的信號處理電路由帶通濾波電路和差分放大電路構成。

2.1濾波電路

為了進一步減小信號處理電路中存在的熱噪聲、白噪聲等噪聲和電磁干擾、靜電干擾，需要采用適當的濾波電路對這些噪聲和干擾進行濾除，提高信噪比。因此，本文選取Texas Instruments公司的UA741芯片，設計了圖4所示的壓控電壓源型二階低通濾波電路，實現對信號的濾波，濾波器的截止頻率為10kHz。

圖4　壓控電壓源型二階帶通濾波電路

為了方便電路的設計，電路中選取R1=R2=R，C1=C2=C，則通帶截止頻率為：

若選取電容C=100pF，由式（23）計算可得R≈1.59kΩ，實際電路中選取R=1.6kΩ。

由 Auf=2可得帶通濾波電路的輸出為Uo2=Auf×Uo1=-0.922V。

2.2差分放大電路

差分放大電路如圖5所示，電路的第一級由A1、A2和R1、R2、RG構成同相比例放大電路，電路通過RG將兩電壓跟隨器的反向端連接起來構成具有高輸入阻抗的放大電路，對微弱信號具有很好的放大作用。電路的第二級由A3和電阻R3、R4、R5、R6構成差動放大電路，用于消除第一級放大電路中的共模信號。

圖5　差分放大電路

輸入信號UI1和UI2寫作：

將運算放大器A1、A2、A3的失調電壓記為UIO1、UIO2、UIO3，若 A1與 A2間的失調電壓為UIO、失調電流是IIO，可得UIO=UIO1-UIO2。

（1）閉環(huán)差模電壓增益Auf

若只研究 Auf1時，可以使 UIc=0，由于R1=R2、R3=R4、R5=R6，A1與 A2對稱，UIO=0、IIO=0，計算可得電路差模電壓的增益Auf為：

電壓增益Auf1可以寫成：

電壓增益Auf2就為：

由式（15）和式（16）可得：

輸出電壓為：

檢測電路最終實現了紫外光信號檢測輸出電壓4.61V，表征0～100W的信號能量。

為了提高電路精度，電路中的電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、RG全部選用精密金屬膜電阻，當電阻溫度系數小于2ppm/Co時，Auf的精度可達到±0.01%的范圍內。

（2）閉環(huán)差模輸入阻抗Rtf

若A1、A2同相，則閉環(huán)中的差模激勵電阻Rtf為：

式中，Rtd1、Rtd2和AOd1、AOd2分別為放大器A1和A2的差模輸入阻抗和開環(huán)差模電壓增益；F1和F2為電壓反饋系數，如式（20）所示：

Rtd1、Rto2為放大器A1和A2的共模輸入阻抗。

（3）輸入失調和溫漂

當UIO3=0時，可得UO為：

只要使UIO1和UIO2盡量小，即可得到超低失調和超低溫漂特性的運算放大器，在一定溫度下使UIO=（UIO1-UIO2）→0，并滿足下式：

IIO=（IIO1-IIO2）→0，（IIO≤0.1nA） （23）

當Auf=1時，隨著R2和IIO的增大，輸入失調溫漂也隨之增大，因此需要使電阻R1、R2盡量小，并且RG的阻值不應過大以降低運算放大器的輸入噪聲。

（4）共模抑制特性

當UId=0時，且A1、A2、A3的各項參數均為理想值，可由式（24）計算得到電路的共模抑制比KCMR為：

可見，在精確匹配A1、A2、R1、R2的條件下，運放的 KCMR僅與第一級增益 Auf1和第二級的KCMR0有關而與KCMR1、KCMR2無關。

3　系統仿真與實驗

為驗證設計電路的有效性，本文設計了基于Multisim的紫外光檢測系統仿真并搭建了實驗平臺，利用仿真和實驗平臺對紫外線激光器光檢測系統進行了分析。圖6和圖7為基于Multisim的系統仿真電路和仿真結果。由仿真結果可見，電路仿真結果與理論計算相符，實現了將100W紫外光信號轉換為4.61V輸出電壓的轉換，達到了紫外光信號檢測的目的。

圖6　基于Multisim的系統仿真電路

圖7　Multisim仿真結果

本文設計的紫外光信號檢測系統實驗平臺如圖8所示，實驗平臺中的紫外線光源選用鐳仕公司的半導體激光器作為探測平臺中所使用的光源，中心波長為260nm，光譜線寬小于3nm。接收端選擇紫外光探測器GUVC-T10GD-L，同時配合中心波長在260nm的紫外光濾光片。

圖8　實驗系統平臺

實驗平臺對無信號進行了濾波測試并對正弦波輸入時的輸出波形進行了測試，測試結果如圖9和圖10所示。

圖9　無信號測試結果

圖10　信號處理電路輸出結果

六、結論

本文針對紫外光信號進行檢測，設計了一種紫外光信號檢測系統，通過對系統噪聲來源的分析，提出了減少噪聲的相關方法。對檢測系統中的信號處理電路進行了詳細分析與設計，系統具有精度高、穩(wěn)定可靠的特點，可以廣泛地應用于紫外光信號檢測的相關領域。

［1］ 桂靜宜.二階有源低通濾波電路的設計與分析［J］.電子科技，2010，23（10）：15-21.

［2］ 王立剛，張殿元.低噪聲光電檢測電路的研究與設計［J］.電測與儀表，2011，44（500）：63-66.

［3］ 王立婷.光電檢測電路的設計及實驗研究［D］.長春：吉林大學，2010.

［4］ 胡丹，張岡，撒繼銘.一種實用的光電檢測電路設計與實現［J］.儀表技術與傳感器，2010，11（2）：20-24.

［5］ 何玲玲.微弱光電信號采集與處理系統的研究［D］.合肥：安徽大學，2011.

Design of UV Warning Optical Receiver

GONG Yulin1，LI Hongzuo1，WEN Dahua2
（1.School of Electronics and Information，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033）

With the continuous development of photovoltaic technology，photovoltaic technology in the field of civil and military applications，more and more light is not limited to the visible range of applications is constantly expanding towards both ends of the spectrum.Various infrared and ultraviolet devices have been widely used.Compared to the application of infrared，ultraviolet band applications started late，but rapid development，with its unique advantages，particularly in the military field attention.UV warning missile warning technology is in the application，and has broad prospects and significance.In this paper，the UV signal detection and signal processing technology in-depth analysis and research，design and UV light warning receiver，and receiver system noise is analyzed in detail.The simulation and experimental results show that this design UV warning light receiver with high precision，stable and reliable characteristics，the development of UV warning technology has a positive effect.

UV warning；optical receiver；photoelectric conversion

TP301

A

1672-9870（2015）06-0042-05

2015-11-02

宮玉琳（1983-），男，博士，講師，E-mail：garrygong1983@126.com