光电信号的变换及检测技术_浙江大学.ppt

第第6章章 光电信号的变换光电信号的变换 及检测技术及检测技术第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 2本章的主要内容本章的主要内容6.1光电信号检测电路的噪声光电信号检测电路的噪声6.2前置放大器前置放大器6.3常用电路介绍常用电路介绍6.4光电技术中的调制技术光电技术中的调制技术3光电检测系统组成光电检测系统组成第第6章章 光电信号的光电信号的变换及检测技术变换及检测技术4探测器接测量处理后信号处理的重要性！理想白光干涉信号第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 56.1光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声6.1.1 6.1.1 噪声的分类及性质噪声的分类及性质6.1.2 6.1.2 主要的噪声类型主要的噪声类型6.1.3 6.1.3 噪声等效参量噪声等效参量6.1.4 6.1.4 前置放大器的噪声前置放大器的噪声本节包括以下几部分内容：第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 6为什么要研究噪声？n任何虚假的和不需要的信号称为噪声。n噪声总是伴随着测量信号存在n测量过程是一个去除噪声、复原真实信号的过程第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 76.1.1噪声的分类及性质噪声的分类及性质外部干扰噪声:人为造成的和自然造成的干扰。内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。噪声强度可采用噪声电压或噪声电流的均方值 、表示，有时简化为 、。而噪声电压或噪声电流的均方根值则可用 和 表示。固有噪声是随机过程，噪声电压的瞬时值可取不同值E1，E2，Ei，而对应出现的概率P(E1)，P(E2)，P(Ei)，其分布规律符合高斯分布。n次采样的算术平均值E为(6-1)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 8均方值为概率分布函数P(E)为(6-2)(6-3)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 96.1.2主要的噪声类型主要的噪声类型1.1.电阻热噪声（电阻热噪声（Thermalnoise）当电阻处于环境温度高于绝对零度的条件下，自由电子的热运动形成起伏变化的噪声电流。大小与极性随机变化，且长时间的平均值等于零。常用噪声电流的均方值 表示 式中R所讨论元件的电阻值；k玻尔兹曼常数，k=1.380650510-23J/K；T电阻所处环境的绝对温度；f所用测量系统的频带宽度。(6-4)(6-5)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 10图6-1电阻热噪声图6-2 电阻热噪声的等效电路第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 112.2.散弹噪声（散弹噪声（Shotnoise）又称散粒噪声。元器件中有直流电流通过时，直流电流值只表征其平均值，而微观的随机起伏形成散弹噪声，并叠加在直流电平上。散弹噪声的电流均方值为式中：q为电子电荷；IDC为流过电流的直流分量。散弹噪声与电路频率无关，因此它也是一种白噪声。(6-8)(6-9)图6-3散弹噪声的顺势变化第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 12 又称闪烁噪声，它也是元器件中的一种基本噪声，通常是由元器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的。在探测器、电阻、晶体管及电子管中均有这类噪声。3.3.噪声（噪声（Flickernoise）噪声有以下经验公式：式中：k1与元件有关的参数；与流过元器件电流有关的常数，通常取2与元器件材料性质有关的系数，约在0.81.3之间，常取1。噪声的电流均方值与电路频率f成反比，所以称之为 噪声，它不为白噪声，噪声功率谱集中在低频，有时又称其为低频噪声。(6-10)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 13 光电导探测器因光(或热)激发产生载流子和载流子复合(或寿命)这两个随机性过程，引起电流的随机起伏形成产生复合噪声。该噪声的电流均方值为 4.产生产生复合噪声复合噪声(gr噪声，噪声，Generation-Recombinationnoise)式中I流过光电导器件的平均电流；载流子的平均寿命；e载流子在光电导器件两电极间的平均漂移时间；F测量电路的带宽。产生复合噪声与频率f有关，属于非白噪声。但在相对低频的条件下，即时，公式可简化为 该式与散弹噪声表达式相类似，可认为是近似的白噪声。(6-12)(6-13)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 14 这是热敏器件因其温度起伏所引起的噪声，该噪声用温度起伏的均方值表示 式中k一波尔兹曼常数；T热敏器件的绝对温度；GQ器件的热导。5.温度噪声温度噪声(6-14)6.背景辐射的光子噪声背景辐射的光子噪声 探测器在接收目标辐射的同时，也接收到目标以外其它物体的辐射，这些辐射也是一种不连续的起伏过程。这种因背景辐射起伏引起探测器产生的噪声叫做背景辐射的光子噪声。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 156.1.3噪声等效参量噪声等效参量1.1.等效噪声带宽等效噪声带宽电网络的等效噪声带宽是噪声量的一种等效表示形式，可定义为 带通型网络中等效带宽的物理意义 AP(f):放大器或网络的相对功率增益AP为放大器或网络功率增益的最大值；D(f)为等效于网络输入端的归一化噪声功率谱。(6-15)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 16系统的等效噪声带宽还可以用调制传递函数He(f)来表示 对于白噪声来说D(f)1，所以有 对于一个电压放大电路有 式中，AV(f)电路电压放大倍数的频率响应；AV:中心频率或零频时的电压放大倍数。于是有(6-18)(6-19)为什么是平方？第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 17设有一低通型电压放大器如图，它由电压放大倍数AV=50的放大器与RC低通滤波器组成，其放大倍数的频率响应为该复数的模AV(f)为图6-5 低频放大器所以 式中，fH=为低通放大器的三分贝频率。(6-20)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 18 各种噪声可能不属于同一起因与类型，但是为了计算和分析的方便，可以用一个电阻的热噪声来等效，称为等效噪声电阻。图示的典型放大器，其噪声可由三部分组成，即输入电阻Ri的热噪声；放大器噪声和负载电阻RL的噪声。2.2.等效噪声电阻等效噪声电阻 图6-6 放大器等效噪声电阻第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 192.2.等效噪声电阻等效噪声电阻 用电阻的热噪声 来等效放大器的噪声，负载电阻RL的热噪声为 图6-6 放大器等效噪声电阻(6-21)对应总输入噪声为 对应等效电阻为 。等效到输入端总等效电阻:第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 20 这是一种将各噪声等效为放大器输入源电阻因等效升温而附加热噪声的方法。Ri为源电阻，用Ri的热噪声表示输入源的噪声3.3.等效噪声温度等效噪声温度 式中,T0为参考温度(工作室温)。图6-7 放大器等效噪声温度第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 21 假设放大器的噪声也等效到电阻RS上，相当于附加一个温差Teq在RS产生的热噪声,把Teq叫作等效噪声温度。于是等效在输入端的总噪声为 (6-23)图6-7 放大器等效噪声温度第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 第二次课22第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 每周案例n这是什么？n管径测量的意义n如何测量管径23第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 每周案例n测径仪，专用于直径测量？24第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 每周案例n测径仪，专用于直径测量？25第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 每周案例n扫描型26http:/ 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 每周案例n计算机分析27http:/ 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 每周案例n非扫描型28http:/ 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 29 回顾回顾n检测电路中的噪声来源和性质检测电路中的噪声来源和性质热噪声、散粒噪声、热噪声、散粒噪声、G-R噪声、噪声、1/f噪声、温度噪声噪声、温度噪声n等效噪声带宽、等效噪声电阻、等效噪声温度等效噪声带宽、等效噪声电阻、等效噪声温度第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 30问题n等效噪声电阻、等效噪声温度只能反映噪声的绝对值，而无法反映相对于待测信号的比值。n噪声绝对值大并不一定意味着信号不好，噪声绝对值小也不表示信号很好。n所以需要引入另外一个参量？第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 316.1.4前置放大器的噪声前置放大器的噪声Rs是信号源内阻；Es是信号源电动势；RL是输出负载；Pi，P0分别是输入、输出的信号功率；Ni是加到输入端的噪声功率；No是输出端的总噪声功率；于是噪声系数可定义为 1.1.噪声系数噪声系数(F,noise factor)输入信噪比与输出信噪比的比值图6-8 线性四端网络下面对其有关特性进行讨论：(1)对于理想无噪声的网络有P0N0PiNi，即F1。当网络存在噪声时，P0N0PiNi，即F1。(6-26)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 32(2)噪声系数常用其分贝数FdB来表示(3)将网络功率增益AP引入上式，并设Ni经网络后输出噪声为Nio=APNi，则有所以，噪声系数又可定义为有噪声网络与无噪声网络输出噪声功率之比。(6-28)(6-29)如设网络内部产生的噪声功率在输出端为Nn，则(6-27)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 33如何选择信号源电阻使半导体三极管的噪声系数最小？半导体三极管的噪声主要包括散弹噪声、分配噪声、热噪声和1/f(闪烁)噪声。图6-9 三极管噪声等效电路 2.半导体三极管的噪声系数半导体三极管的噪声系数恒压等效噪声源输入信号源电阻恒流等效噪声源基区电阻输入信号源电压分配噪声只存在于三极管中，是由于基区载流子分配噪声只存在于三极管中，是由于基区载流子的复合率有起伏，使得集电极电流和基极电流的的复合率有起伏，使得集电极电流和基极电流的分配有起伏，从而使集电极电流产生起伏。分配有起伏，从而使集电极电流产生起伏。恒压等效噪声源：基区电阻热噪声和分配噪声恒压等效噪声源：基区电阻热噪声和分配噪声恒流等效噪声源：发射结的散弹噪声和分配噪声恒流等效噪声源：发射结的散弹噪声和分配噪声第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 34图6-9 三极管噪声等效电路 2.半导体三极管的噪声系数半导体三极管的噪声系数在所考虑的频带范围内，如果噪声频谱是均匀的，三极管噪声系数为：式中，是Rs热噪声的均方值。恒压等效噪声源输入信号源电阻恒流等效噪声源基区电阻输入信号源电压第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 35图6-9 三极管噪声等效电路(6-32)2.半导体三极管的噪声系数半导体三极管的噪声系数如果忽略电阻则，需要讨论在什么条件下噪声系数最小，即求dFdRs0的条件。经微分计算并整理则有要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！如何推出来的？如何推出来的？第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 36要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三要使噪声系数最小，应选用输入信号源电阻等于三极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比！2.半导体三极管的噪声系数半导体三极管的噪声系数OP27运算放大器的性能参数表第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 37 通过对半导体三极管持特性的进一步分析，还可以得到以下三个对电路设计有意义的结论：(1)半导体三极管的噪声系数与工作频率f间的关系如图所示。三极管噪声系数的频率特性 f1/f噪声热噪声和散弹噪声分配噪声第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 38（2）噪声系数与源电阻Rs的关系如图所示。即Rs=Pcopt时，噪声系数最小。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 39 （3）噪声系数与三极管工作点电流的关系。有最小值存在，对应最佳工作点或最佳工作电流ICQ=Icopt，其值约为lmA。设计三极管集电极工作点电流，应取在最佳值Icopt附近。图6-12三极管噪声系数与其工作点电流的关系 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 403.3.场效应管的噪声系数场效应管的噪声系数 等效至输入端的电压均方值为 式中，Rn为场效应管的等效噪声电阻，Rn(0.20.8)gm；gm为场效应管的跨导。与半导体三极管相类似，场效应管的噪声系数可用下式表示 场效应管主要噪声类似于沟道热噪声沟道热噪声，类似于电阻热噪声。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 41 场效应管的噪声系数与源电阻Rs的关系与三极管不同 场效应管噪声系数与源电阻的关系 场效应管三极管 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 42由半导体三极管或场效应管组成的单级放大器可视为一个有源四端网络。按照定义该系统的总噪声系数为 ，而 ，推导可得图6-15 两有源四端网络的串联 4.多级放大器的噪声系数多级放大器的噪声系数 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 43 (6-39)采用相同的方法可获得n级串联四端网络的噪声系数关系。各级噪声系数对总噪声系数的影响是不同的，越靠前影响越大。为减少系统噪声应提高前几级的噪声系数和功率增益。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 446.2前置放大器前置放大器 1.1.选定探测器和相应的偏置电路以后就可知所获信号和噪声的大小。选定探测器和相应的偏置电路以后就可知所获信号和噪声的大小。2.2.用恒压信号源或恒流信号源来等效探测器和偏置电路的输出信号。用恒压信号源或恒流信号源来等效探测器和偏置电路的输出信号。3.3.同时用源电阻的热噪声来等效探测器和偏置电路的总噪声同时用源电阻的热噪声来等效探测器和偏置电路的总噪声 4.4.用最小噪声系数原则设计前置放大器。用最小噪声系数原则设计前置放大器。图6-16 探测器与偏置电路的等效 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 456.2前置放大器前置放大器 1.输出信号较强时，前置放大器及后续放大器的设计主要考虑：增益、带宽、阻抗匹配和稳定性。2.输出信号弱时，应主要考虑抑制噪声。图6-16 探测器与偏置电路的等效 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 461.1.前置放大器设计的大致步骤前置放大器设计的大致步骤（2）从）从噪声匹配噪声匹配原则出发，原则出发，选择前置放大器第一级的管型，选择前置放大器第一级的管型，（3 3）在管型选定后，第一，二级应采用噪声尽可能低的器件，）在管型选定后，第一，二级应采用噪声尽可能低的器件，按照最佳源电阻的原则来确定管子的工作点，并进行工作频率，按照最佳源电阻的原则来确定管子的工作点，并进行工作频率，带宽等参量的计算及选择。带宽等参量的计算及选择。（1 1）测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻）测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻Rs；图6-17 选用第一级放大器件的准则 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 47（1）根据所采用的光电探测器的噪声谱和选定放大器的典型噪声谱，确定工作(调制)频率。2.2.放大器设计中频率及带宽的确定放大器设计中频率及带宽的确定 典型探测器的噪声谱 （2）光电检测系统中按照白噪声的特点，工作频率选定后，应尽可能减小电路的频带宽度。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 48（3）当信号频率在一定范围内变化，不能选用固定频率的窄带滤波方式工作时，除确定必要的窄带外，可采用设计选通积分器的方法来抑制噪声。图6-19带宽对矩形脉冲波形和复制的影响（4）在某些系统如脉冲系统中，为保持信号的波形，必须采用频带宽度较宽的处理电路，适当牺牲高频。下图说明了所需保持波形和电路3dB带宽f之间的关系。积分具有平均的作用第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 493.放大器设计中的其它考虑放大器设计中的其它考虑（1）按）按最小噪声系数原则最小噪声系数原则设计前置放大器时，为减少后面各设计前置放大器时，为减少后面各放大级噪声对总噪声的影响，其电压放入倍数放大级噪声对总噪声的影响，其电压放入倍数AV1不应小于不应小于10倍，倍，从而使从而使F F1。（2）采用多级级联放大器时，总放大倍数）采用多级级联放大器时，总放大倍数AV可分配到各级中，可分配到各级中，。（3）级间加入不同形式的负反馈电路，可以起到提高电路的）级间加入不同形式的负反馈电路，可以起到提高电路的稳定性，调整输入阻抗、调整放大倍数和改变带宽等作用。稳定性，调整输入阻抗、调整放大倍数和改变带宽等作用。（4）大部分光电检测系统要求有好的线性度和宽的动态范围，）大部分光电检测系统要求有好的线性度和宽的动态范围，在电路设计中应予考虑。在电路设计中应予考虑。（5）完成电路设计前应验证设计是否满足）完成电路设计前应验证设计是否满足噪声系数、电压放噪声系数、电压放大倍数、频带宽度、稳定性、阻抗匹配、线性度、动态范围等大倍数、频带宽度、稳定性、阻抗匹配、线性度、动态范围等要要求。如不满足则应反复修正。求。如不满足则应反复修正。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 504.前置放大器的实例前置放大器的实例 图示为光电导探测器电路中的前置放大器电路图。它具有良好的线性度，电路是由A702A和A716两个集成器件构成。图6-20 前置放大器电路实例第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 51 当探测器与前置放大器之间的阻抗不匹配时、可采用射极跟随器进行耦合。图示为一种实用的射极跟随器电路图。它是由两个三极管组成，能使高输出阻抗的光电探测器与相对低输入阻抗的前置放大器之间得以匹配。图6-21 射极跟随器电路实例第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 52 当输入信号的幅度变化很大，为使信号不超出系统的动态范围，则要采用高输入获得低增益，低输入获得高增益的电路处理。该功能可用对数型增益的前置放大器完成。图示为对数型增益的前置放大器电路图，三极管Ql起二极管作用，提供对数关系特性。图6-22 对数型前置放大器实例 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 536.3常用电路介绍常用电路介绍 6.3.1选频放大器选频放大器6.3.2相敏检波器相敏检波器(相敏整流器、相敏解调器相敏整流器、相敏解调器)6.3.3相位检测器（鉴相器）相位检测器（鉴相器）6.3.4鉴频器鉴频器 6.3.5脉冲宽度鉴别器脉冲宽度鉴别器 6.3.6积分微分运算器积分微分运算器 6.3.7锁相环及锁相放大器锁相环及锁相放大器 本节包括以下几部分内容：第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 546.3.1选频放大器选频放大器为突出信号和抑制噪声，常采用选频放大器。为突出信号和抑制噪声，常采用选频放大器。将放大器的选放频率与光电信号的调制频率保持一致，同时限将放大器的选放频率与光电信号的调制频率保持一致，同时限制带宽，使所选频率间隔外的噪声尽可能滤除，达到提高信噪制带宽，使所选频率间隔外的噪声尽可能滤除，达到提高信噪比的目的。比的目的。一类选频放大器是利用一类选频放大器是利用LC振荡电路，通过谐振的方式对所需振荡电路，通过谐振的方式对所需频率的信号直接进行放大输出。放大电路中接有频率的信号直接进行放大输出。放大电路中接有LC并联的谐并联的谐振回路，最后用变压器输出。振回路，最后用变压器输出。图6-23LC振荡选频放大电路 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 56另一种类型的选频放大器是利用RC振荡回路的选频特性“双T型RC反馈网络”的放大电路 上述网络特性的形成条件为 图6-25双T网络及其频率特性(6-40)(6-41)(6-42)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 57这里放大器可采用多种元、器件，如半导体三极管、场效应管、集成电路等。下图所示采用了集成电路，带有双T负反馈网络的选频放大器。通过微调R3可使所选频率更加准确，并使电路工作更加稳定。图6-26双T负反馈网络的选频放大器第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 586.3.2相敏检波器相敏检波器(相敏整流器、相敏解调器相敏整流器、相敏解调器)图中 为振幅调制信号，即待测的振幅缓慢变化的信号。乘法器另一输入 是本机振荡或参考振荡信号，乘法器的输出信号为 由模拟乘法器和低通滤波器构成低通滤波器滤去高频2的分量，其输出量为 图6-27 相敏检波器方框图式中，K为低通滤波器的传输系数。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 596.3.2相敏检波器相敏检波器(相敏整流器、相敏解调器相敏整流器、相敏解调器)由模拟乘法器和低通滤波器构成图6-27 相敏检波器方框图输出电压大小与输入信号振幅成正比，也与两信号间的相位差又关，因此称为相敏检波器 能够抑制与本振信号不同频率的噪声，具有微弱信号检测作用。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 62图示的相位检测器的相位范围为 ，且输出电压与相位差成线性关系。6.3.3相位检测器（鉴相器）相位检测器（鉴相器）图6-30相位检测器框图第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 63图6-31相位检测器各环节的波形 uAuB同相同相uA领先领先uB90 uA落后落后uB90 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 64一种相位检测电路如图所示。输出电压u5的平均值u0为图6-32相位检测器电路(6-45)式中，为待测信号和基准信号的相位；uz两信号相位相差180o时的电压输出值。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 656.3.4鉴频器鉴频器 鉴频器的种类很多，这里介绍时间平均值鉴频器。其工作波形如图所示,图中给出了两个不同频率调频波的有关波形，以便比较。图6-33鉴频器原理框图第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 66尖脉冲数目与频率有关，频率越高，尖脉冲数目与频率有关，频率越高，尖脉冲越多，输出越高尖脉冲越多，输出越高 图6-34鉴频器各环节波形 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 67过零检测过零检测图6-35鉴频器电路原理 微分器微分器线性检波器、低通滤波器线性检波器、低通滤波器第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 686.3.5脉冲宽度鉴别器脉冲宽度鉴别器 在光电检测技术中，有时需要在不同宽度的脉冲中，选出脉宽在某个特定值T附近的控制脉冲，即TTPTP。TP为特定的持续期，TP为允许偏差。实现该功能的方案之一如图所示。相应的工作波形如下页图所示。图6-36 脉宽鉴别器 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 69图6-37 脉宽鉴别器各环节的波形 或非（全零则1）输入信号输入信号电平检测电平检测1 1积分积分电平检测电平检测2 2或非或非单稳单稳2 2单稳单稳1 1第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 71图6-38脉宽鉴别器电路图 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 726.3.6积分微分运算器积分微分运算器1.1.积分运算器积分运算器 积分运算器的电路如图所示,。这时输出信号u0与输入信号ui的关系为(6-48)(6-49)这时输出电压正比于输入电压对时间的积分，比例常数与反馈电路的时间常数有关而与运算放大器的参数无关。图6-39 积分运算器 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 73(6-50)按需要还可接成同相积分运算器，将待积分信号和积分电容C接在运算放大器的同相端，输出信号和输入信号ui间的关系为差动积分器的电路。输出信号u0输入信号ui间的关系为：(6-51)图6-40同相积分运算器图6-41差动积分运算器第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 742.微分运算器微分运算器基本微分运算器的电路。待微分信号输入反相端，输出信号u0与输入信号ui间的关系为图6-42基本微分运算器 在运算放大器的反相端和同相端接成平衡对称的RC微分电路，可构成差动微分运算器，其输出与输入间的关系为：图6-43差动微分运算器(6-52)(6-53)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 756.3.7锁相环及锁相放大器锁相环及锁相放大器使一个简谐波自激振荡的相位受基准振荡的控自激振荡的相位受基准振荡的控制制，保持特定的关系，叫作“相位锁定”，简称“锁相”图6-44锁相环方框图第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 766.3.7锁相环及锁相放大器锁相环及锁相放大器输入与输出信号频率不同会导致产生不断变化的相位差输入与输出信号频率不同会导致产生不断变化的相位差！鉴相器：将压控振荡器输出的信号和输入信号之间的相位差转换为误差电压。式中,Kd鉴相器灵敏度，n(t)相位差。低通滤波器：常叫环路滤波器,滤除高频成分。压控振荡器：电压频率变换的作用。(6-54)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 776.3.7锁相环及锁相放大器锁相环及锁相放大器图6-44锁相环方框图主要特点：通过反馈控制使鉴相器主要特点：通过反馈控制使鉴相器的两个接入频率保持一致！的两个接入频率保持一致！第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 78锁相环的应用举例：锁相环的应用举例：（1 1）锁相倍频器）锁相倍频器 锁相倍频器 锁相倍频器是将压控振荡器的频率锁定于基准频率的谐波上。关键单元！fNf第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 79（2 2）调频信号的解调）调频信号的解调 采用锁相方法的调频信号解调器又称锁相鉴频器。图6-46 调频信号解调器 高频高频差频差频 f1-f2压控振荡器与接收信号的频率之差压控振荡器与接收信号的频率之差(中频）与本机标准中频信中频）与本机标准中频信号相同。则压控振荡器的频率跟随接收信号频率号相同。则压控振荡器的频率跟随接收信号频率压控振荡器的频率与加在上面的电压成线性关系。压控振荡器的频率与加在上面的电压成线性关系。所以所以.f1f2f1-f2f0第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 80（3 3）频率变换器）频率变换器 图6-47频率变换器采用锁相环进行频率变换或频率搬移，可将弱信号转换为高稳定、高纯度的强信号输出。当环路锁定时有f0f1 f2，则f0f1f2(6-55)f0f1第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 81图6-48锁相放大器原理框图（4 4）锁相放大器）锁相放大器 (Lock-in amplifier)(Lock-in amplifier)又称锁定放大器，是检测微弱信号的重要手段之一。它起着极窄的带通滤波器的作用。输出正比于被测信号幅度。输出正比于被测信号幅度。可以跟踪频率和相位。可以跟踪频率和相位。本机振荡信号与参考信号同频同相。本机振荡信号与参考信号同频同相。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 82图6-48锁相放大器原理框图（4 4）锁相放大器）锁相放大器 (Lock-in amplifier)(Lock-in amplifier)两级RC低通滤波可以使其带宽低于0.01Hz，滤除了大部分噪声。低通滤波器：滤去高频分量，输出直流量。起积分作用，积分有平均作用，消除噪声。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 83直接测量处理后锁相放大器的作用！第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 84nSRS公司的SR844 价格：8000USD，（4 4）锁相放大器）锁相放大器 (Lock-in amplifier)(Lock-in amplifier)1.25 kHz to 200 MHz frequency range（工作频率）2.Time constants from 100 s to 30 ks(积分常数)第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 856.4光电技术中的调制技术光电技术中的调制技术 6.4.1一般光电信号的调制一般光电信号的调制 6.4.2专用调制盘专用调制盘 6.4.3利用物理光学原理实现的光调制技术利用物理光学原理实现的光调制技术 本节包括以下几部分内容：第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 866.4.1一般光电信号的调制一般光电信号的调制1 1调制检测光信号的优点调制检测光信号的优点 (1)减少自然光或杂散光对检测结果的影响。减少自然光或杂散光对检测结果的影响。-噪声多以直流量和低频量出现噪声多以直流量和低频量出现(2)消除光电探测器暗电流对检测结果的影响。消除光电探测器暗电流对检测结果的影响。(3)交流信号处理方便、稳定，没有直流放大交流信号处理方便、稳定，没有直流放大器零点漂移问题。器零点漂移问题。(4)提供多种调制方案，如调幅、调频和调相提供多种调制方案，如调幅、调频和调相等，从而扩大了应用范围。等，从而扩大了应用范围。第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 872.光电信号调制的途径光电信号调制的途径（1）对）对光源发光光源发光进行调制进行调制 （2）对）对光电器件光电器件产生的光电流进行调制产生的光电流进行调制（3）在光电器件在光电器件输出至放大器间输出至放大器间进行光电信号的调制进行光电信号的调制 （4）在）在光源与光电器件的途径中光源与光电器件的途径中进行调制进行调制第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 882.光电信号调制的途径光电信号调制的途径（1）对光源发光进行调制）对光源发光进行调制 该方法要求光源具有极小的惰性。常用的光源有激光器、发光二极管、氖灯及氢灯等，通过调制电源来调制发光。多谐振荡器及功率放大器组成。图6-49 发光二极管的脉冲供电 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 89（2）对光电器件产生的光电流进行调制）对光电器件产生的光电流进行调制 在光电管中，通过在阴极和阳极间侧向附加交变的电场或磁场实现。在光电倍增管中，光电信号的调制可以在任何一级二次极上通过施加交变电压来完成，其调制频率可达105107Hz左右。在光电三极管中，光电信号的调制可以在基极上加调制电压或电流第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 90（2）对光电器件产生的光电流进行调制）对光电器件产生的光电流进行调制 在光敏电阻或光电二极管中，调制可在电桥电路中采用交变电压供电来完成。图6-50光敏电阻的调制电路第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 91（3）在光电器件输出至放大器间进行光电信号的调制在光电器件输出至放大器间进行光电信号的调制 对信号电流或电压进行调制，又叫做电路调制。如晶体管调制器、场效应管调制器等，把直流电量转换为交变电量。（4）在光源与光电器件的途径中进行调制）在光源与光电器件的途径中进行调制在光电检测中应用最多，如机械调制法、干涉调制法、偏振面旋转调制法、双折射调制法和声光调制法等。重点介绍第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 923.常用的机械调制法常用的机械调制法（1）调制盘及调制波形）调制盘及调制波形 最简单的调制盘，有时叫做斩波器。在圆形的板上由透明和不透明相间的扇形区构成。当以圆盘中心为轴旋转时，就可以对通过它的光束M进行调制。调制频率f由调制盘中透光扇形的个数N和调制盘的转速n决定，fNn/60(Hz)。图6-51调制盘“60”怎么来的？怎么来的？第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 93n调制盘实物图第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 94调制光输出波形与光束截面的关系。u调制盘的图形近似为方形，束截面为宽度不等的矩形u所形成的调制波形是方波、梯形波和三角波等。图6-52光孔及波形 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 95（2）调制盘的特点调制盘的特点 优点：优点：方法简单；方法简单；造价低廉；造价低廉；缺点：缺点：体积大，大部分盘区处在待工作状态体积大，大部分盘区处在待工作状态机械转动容易带来震动，在某些场合不适合机械转动容易带来震动，在某些场合不适合第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 96（3）利用电磁感应的机械调制利用电磁感应的机械调制 激磁线圈中加入交变电流。激磁线圈中加入交变电流。线圈磁场线圈磁场S S和和N N极交变。极交变。图6-54电磁感应调制器 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 97（4）受抑全反射调制器受抑全反射调制器 利用全反射条件成立与否可实现光调制。可将一束入射光分解为两束调制光输出。图6-56受抑全反射调制器第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 98（5）移动光轴的调制器移动光轴的调制器 移动光轴由固定狭缝和运动反射镜构成。移动光轴由固定狭缝和运动反射镜构成。图6-57移动光轴的调制器 旋转旋转 摆动摆动 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 99（6）正弦波形调制器正弦波形调制器 旋转叶片与双三角形光阑构成的正弦调制器。三角形底边长为b，高为h当叶片与光阑平行时，0，通光面积S0时作为起始计算点。按三角关系知，图6-58旋转叶片正弦调制器 通光面积：hb第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 100（6）正弦波形调制器正弦波形调制器 利用半径不同的两内接圆所构成新月形的孔，对线状光束实现调制。图6-59新月形正弦调制器 第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 1016.4.2专用调制盘专用调制盘 用于跟踪和瞄准的光电系统用于跟踪和瞄准的光电系统中，利用对目标发出的光辐射中，利用对目标发出的光辐射进行特别调制可以获取目标偏进行特别调制可以获取目标偏离轴线的误差信号；离轴线的误差信号；控制光电系统修正轴线可以控制光电系统修正轴线可以正确跟踪和瞄准。正确跟踪和瞄准。此时往往用到此时往往用到专用调制盘专用调制盘。(6-59)海基导弹跟踪雷达第第6 6章章 光电信号的变换及检测技术光电信号的变换及检测技术 1026.4.2专用调制盘专用调制盘 1 1调制波及调制的分类调制波及调制的分类 设某交流波的瞬时值 由下式表示 交流波振幅交流波振幅 圆频率圆频率 频率频率 初相角初相角 相位角相位角 调制可分为三