光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案匯總（三款模擬電路設(shè)計原理圖詳解） - 全文

光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案（一）

1、光電轉(zhuǎn)換-前置放大電路的設(shè)計

光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，也是由一個PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但在電路中它不是作整流元件，而是把?a target="_blank">信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電傳感器件。

光電二級管是怎樣把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的呢？普通二極管在反向電壓作用時處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計和制作時盡量使PN結(jié)的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。

光電二極管可以在2種模式下工作，一是零偏置的光伏模式；一是反偏置的光導(dǎo)模式，具體電路如圖1所示。在光伏模式時，光電二極管可以非常精確地線性工作；而在光導(dǎo)模式時，光電二極管能夠?qū)崿F(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲線性；同時，反偏置模式下的光電二極管即使在無光照條件下也會產(chǎn)生一個極小的暗電流，暗電流可能會引入輸入噪聲。因此選用光伏模式。

運算放大器（OperationalAmplifier，簡稱OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合﹐差模（差動模式）輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器。在實際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)和不同的反饋方式，共同組成某些功能和特性不同的模塊，這些模塊是各種電子電路中最基本的環(huán)節(jié)?？梢娺\放在電子電路中的應(yīng)用之廣。

電阻，物質(zhì)對電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。

一般而言，A》=106，所以Rin≈0；即保證了光電二極管在光伏模式下的線性工作特性。通過反饋電阻將光電二極管與運算放大器相連接，將其產(chǎn)生的微弱電流通過較大的反饋電阻Rf形成壓降，從而實現(xiàn)光通量的改變——光電流——電壓的I/V前置放大轉(zhuǎn)換。

光電二極管的選擇依據(jù)：

圖2中Isc為光電流;Rd為二極管內(nèi)阻;Cd為二級管結(jié)電容;Ins為二級管的散粒噪聲電流;Ind為二極管內(nèi)阻的熱噪聲電流。光電二極管與后續(xù)的理想運放構(gòu)成前置放大電路時，影響其性能參數(shù)的因素主要是以下幾點：

（1）反饋電阻Rf;反饋電阻越大，輸出電壓越大，通常取幾百千伏或幾十兆伏，但反饋電阻的選擇也存在上限，因為前置放大與后續(xù)處理電路相連時會受到輸入電壓匹配的限制，同時過大的反饋電阻會使電路產(chǎn)生自激震蕩;

（2）設(shè)計合理的通頻帶;通過電容Cs與反饋電阻Rf的并聯(lián)，構(gòu)成低通濾波電路，其上限截止頻率為1/2%：Cs:Rf。上限截止頻率越小，信號輸出信噪比越好;但較小的上限截止頻率會使信號產(chǎn)生頻率失真，具體使用時要根據(jù)實際情況調(diào)試而定;

（3）光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光電流越大，前置放大得到的輸出電壓越大，因此要盡可能選用靈敏度高的二極管，同時提高光信號的照射功率以增大光電流;

（4）選用內(nèi)阻較大，結(jié)電容較小的光電二極管，同時保證工作溫度恒定，減小因環(huán)境溫度升高而帶來的額外的輸入噪聲。

2、主放大電路的設(shè)計

由于前置放大只是將微弱的光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，在進(jìn)行實際處理時還要進(jìn)一步放大，因此設(shè)計第二級主放大電路，通過阻容耦合與前置放大電路相連。

由仿真結(jié)果可以看出光電二極管產(chǎn)生的微安級的弱光電流經(jīng)前置放大電路可輸出毫伏級的電壓，所以仍需通過主放大電路進(jìn)行后續(xù)處理。主放大電路如圖4所示;R1~R5電阻可實現(xiàn)電壓放大倍數(shù)的多檔可調(diào)，即所謂的靈敏度調(diào)節(jié)。

3、電路的優(yōu)化設(shè)計

在實際光電測試系統(tǒng)中，還應(yīng)對光電轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行諸如降噪、濾波、去耦等優(yōu)化處理，以實現(xiàn)較大的信噪比、信號穩(wěn)定性以及高靈敏度等特點。具體的優(yōu)化措施有以下幾點：

（1）由于運算放大器是雙電源器件，通過合理的選擇偏置電阻使光電轉(zhuǎn)換前置放大電路的輸出電壓達(dá)到合適的幅值（即設(shè)置適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點），以獲得最大的電壓擺幅，避免飽和失真。如圖6電路所示，電壓輸出設(shè)置于-4V左右，避免因強烈的環(huán)境光造成的飽和失真。

該放大電路經(jīng)過仿真以后從波形中可以觀察到輸出電壓被拉低到-4V左右，實現(xiàn)了合理設(shè)置靜態(tài)工作點的目的;

（2）正負(fù)電壓由運算放大器的4、7管腳引入，同時設(shè)置旁路電容構(gòu)成濾波電路，消除電源紋波的干擾，降低輸入噪聲，提高信號信噪比;

（3）考慮到不同光電檢測系統(tǒng)的使用環(huán)境，對于那些有強環(huán)境光干擾的測試場所，可以在電路設(shè)計之初就運用雙光電二極管，使其中一個暴露于測試環(huán)境中并與前置放大器反接，達(dá)到消除雜散環(huán)境光干擾的作用;

（4）在電路的制板過程中還會因為器件排列、布線、線寬以及制作工藝等諸多因素引入噪聲，對測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響;針對這些因素對PCB板的設(shè)計提出以下幾點建議：

a.要求PCB出圖時光電轉(zhuǎn)換器件與前置運放間的信號線盡可能短;

b.VCC、GND等特殊網(wǎng)絡(luò)的線寬要超過其他網(wǎng)絡(luò)的線寬，推薦50mil左右;

c.如果電路比較復(fù)雜，還應(yīng)設(shè)計專門的電源層與接地層;

d.布線時兩條走線之間應(yīng)保持一定間距，避免產(chǎn)生電容效應(yīng)，且走線以水平方向與豎直方向為最佳;

e.敷銅設(shè)計時最好將電源與運放隔開，不要整板敷銅，避免噪聲干擾;

（5）在電路板的使用過程中要采取一定的屏蔽措施，如添加金屬外殼（避免空氣中高頻電磁波的干擾），或接地（消除噪聲）等;

基于以上設(shè)計原則，設(shè)計光電轉(zhuǎn)換放大電路并制板，以玩具氣槍模擬真實彈丸驗證該測試系統(tǒng)，搭建400mm&10m的有效靶面，分別從有效靶區(qū)范圍內(nèi)0、5、10m處在400mm光幕的上、中、下3個不同光強區(qū)域驗證彈丸過靶信號;噪聲穩(wěn)定保持在100mV左右，而最弱區(qū)域有用信號達(dá)到2V上下，性能較為穩(wěn)定，信噪比好，能夠滿足測試需求。

光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案（二）

光電轉(zhuǎn)換電路的形式

電二極管輸出的是電流信號，而處理電路（如A／D）通常需要電壓信號，因此在光電二極管的輸出端通常使用運算放大器組成I—V（eurrent—to—voltage）轉(zhuǎn)換電路，該電路的簡化模型見圖1。

光電二極管輸出的電流直接在放大器的反饋電阻上形成壓降，等于放大器輸出端的輸出電壓，計算公式為

Vo=IscR（1）

根據(jù)電路的特點，可以給出運算放大器的選擇標(biāo)準(zhǔn)：由于光電二極管輸出電流通常比較低，因此運放的偏置電流應(yīng)該盡量小，同時運放應(yīng)該具有低輸入電容和低失調(diào)電壓溫漂的特性。當(dāng)然由于輸出電壓通常校小，為了降低噪聲的干擾，還應(yīng)該選擇低噪聲參數(shù)的運放。一般，F(xiàn)ET型輸入的運算放大器具有上述的特性。另外在選擇運放時，還要注意的就是增益帶寬需要滿足信號頻率的要求。

電路帶寬和噪聲分析

實際當(dāng)中使用的電路形式通常如圖2所示，C1光電二極管端電容和運放的輸入電容之和，在反饋回路中補償電容c2為了消除R2c1在傳輸函數(shù)中形成的零點而引入的，從而使整個電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

C限制了信號帶寬，當(dāng)C變大時，相位裕量相應(yīng)增加，但相應(yīng)的信號帶寬將下降。得到c的同時，也可以得到信號的低通截止頻率，即允許的信號帶寬。根據(jù)圖2的電路圖可以得到噪聲計算模型，如圖3所示。

設(shè)計實例

在實際工作中，需要檢測血球高速流過670nm激光束時發(fā)生的散射信號，這個信號頻率在300kHz~MHz之間。根據(jù)實際的光強和信號頻率可以選擇濱松公司的光電二極管$5821，其參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

根據(jù)信號帶寬和光電二極管的暗電流指標(biāo)，F(xiàn)ET型輸入的運算放大器可以選擇AD公司的AD823，該運放的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：

光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案（三）

光電轉(zhuǎn)換電源是一種基于光供能的、采用光纖傳輸?shù)?、輸出電壓值不受電網(wǎng)波動影響的穩(wěn)壓源。它是光傳能技術(shù)中的關(guān)鍵部件，具有良好的抗電磁干擾、抗輻射干擾的性能，是一種安全、潔凈的電能裝置。

光電轉(zhuǎn)換電源的主要應(yīng)用是混合式光纖電流互感器的供電電源，我們將以混合式光纖電流互感器作為光電轉(zhuǎn)換電源的負(fù)載來說明光電轉(zhuǎn)換電源數(shù)字穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方法。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1為光電轉(zhuǎn)換電源的總體結(jié)構(gòu)?？刂剖因?qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)光，發(fā)出的光經(jīng)耦合器耦合到多模光纖中，從而傳輸?shù)綔y量現(xiàn)場；光能在現(xiàn)場通過光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)化為電能，供給有源器件。雖然在半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路中已經(jīng)加入了相應(yīng)的穩(wěn)壓或穩(wěn)流電路，但是光電轉(zhuǎn)換電源主要應(yīng)用于遠(yuǎn)端的電子器件。這樣，在光由控制端傳輸?shù)浆F(xiàn)場的過程中會有損耗，而光電轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換效率與環(huán)境溫度等因素有關(guān)，光纖電流互感器的負(fù)載也會發(fā)生不規(guī)則變化，這些就會導(dǎo)致高壓側(cè)光電轉(zhuǎn)換后的電壓達(dá)不到系統(tǒng)正常工作的要求，從而影響系統(tǒng)的正常工作，甚至損壞器件。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

我們可以采用反饋控制的思想來滿足系統(tǒng)要求。根據(jù)控制論中有關(guān)反饋控制的理論可知，反饋控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。由于采集的是遠(yuǎn)離控制室的參量，因而應(yīng)有一個通信系統(tǒng)可以使采集的量傳回控制室，如采用光纖通信系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集部分的主要任務(wù)就是采集高壓側(cè)（或遠(yuǎn)離控制室）的電量，經(jīng)過濾波后傳回控制室。這部分包括了微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器，而數(shù)字量的傳輸以光纖為主。綜合考慮系統(tǒng)性能、工作環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益等因素，選取單片機(jī)89C2051為主控制器。系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集部分的功耗是必須要考慮的，故采集部分的核心器件A/D轉(zhuǎn)換器采用ADI公司的低成本、高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器AD7705。

AD7705在工作過程中容易出現(xiàn)端口迷失的現(xiàn)象，為確保它可以正常地工作，還加入了專用看門狗芯片X5045。

89C2051與AD7705的連接如圖2所示。89C2051的RXD引腳和TXD引腳分別接AD7705的DIN腳和SCLK引腳，這樣就可以采用單片機(jī)的串口工作方式0對A/D轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)寄存器進(jìn)行設(shè)置，并讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；89C2051的P1.3腳接AD7705的片選腳；89C2051的　P1.2腳接AD7705的復(fù)位引腳，從而保證了AD7705的可靠復(fù)位；另外AD7705主時鐘采用外接晶振的方式，晶振頻率為2MHz，可以在軟件中對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置，使其實際工作頻率為外接晶振頻率的二分頻，即為1MHz；參考電壓負(fù)端接地，正端接LM385-2.5的陰極。

圖2　數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)處理部分是系統(tǒng)的重要組成部分，這一部分的主要作用是接收采集傳輸回來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)適當(dāng)?shù)?a target="_blank">算法進(jìn)行運算，最后將運算結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換器以控制激光器的輸出光功率輸出。D/A轉(zhuǎn)換器采用了MAXIM公司的MAX542。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)原理簡圖

MAX542是16位串行輸入、電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其輸出非緩沖，因而只有0.3mA低供電電流和1LSB的低漂移誤差；輸出電壓范圍為0V到VREF（參考電壓），可以接成單極性或雙極性輸出方式，具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

在數(shù)據(jù)處理板中，單片機(jī)功能為：驅(qū)動光收發(fā)合一模塊接收采集板傳回的數(shù)據(jù)；與計算機(jī)進(jìn)行通信，以便在控制過程中改變相應(yīng)PID運算參數(shù)的設(shè)定；控制D/A轉(zhuǎn)換器將PID運算結(jié)果輸出以控制激光器的輸出光功率，達(dá)到穩(wěn)壓控制的目的。此處單片機(jī)選用了AT89C52。

單片機(jī)與MAX542的連接如圖4所示。用單片機(jī)的P2.5腳與MAX542的LDAC引腳相連，這樣通過控制單片機(jī)的相應(yīng)管腳即可以準(zhǔn)確刷新D/A轉(zhuǎn)換輸出鎖存器；單片機(jī)的P2.7腳與MAX542的片選端CS相連，這樣在系統(tǒng)要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時選通相應(yīng)管腳即可，可以相應(yīng)地降低系統(tǒng)功耗，也有利于減少誤操作；參考電壓仍由精密穩(wěn)壓管LM385-2.5提供2.5V的基準(zhǔn)電壓；在其輸出端接電壓跟隨器，這樣可以把模擬部分與數(shù)字部分進(jìn)行隔離，減小系統(tǒng)干擾，同時增加系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。在系統(tǒng)中采用普通管腳來控制MAX542的工作，通過編程就能實現(xiàn)MAX542的工作時序，還可用單片機(jī)的串口與MAX542的相應(yīng)管腳相連，就可以采用串口工作方式0來控制MAX542的轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)的串口用來與計算機(jī)進(jìn)行通信，這樣就可以在不同的條件下對系統(tǒng)設(shè)定不同的參數(shù)來達(dá)到穩(wěn)壓控制的目的。在要求比較高的條件下，可以通過計算機(jī)來記錄光電轉(zhuǎn)換電源的工作情況。

圖4　D/A轉(zhuǎn)換電路

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的抗干擾措施

濾波方法是抑制干擾、保證測量精度的有效途徑。在工業(yè)現(xiàn)場中，可利用硬件濾波器電路或軟件濾波器算法提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。硬件濾波措施是使用較多的一種方法，但是會增加設(shè)備，又可能帶來新的干擾源。而軟件濾波算法不需增加硬件設(shè)備，可靠性高、功能多樣、使用靈活，具有許多硬件濾波措施所不具備的優(yōu)點。在數(shù)據(jù)采集部分選用的A/D 轉(zhuǎn)換器件為AD7705，它內(nèi)置了數(shù)字濾波器。選定的輸入信號被送到一個基于模擬調(diào)制器的增益可編程專用前端，片內(nèi)數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出信號，通過片內(nèi)控制寄存器可調(diào)節(jié)濾波器的截止點和輸出更新率，從而對數(shù)字濾波器的第一個陷波進(jìn)行編程。

AD7705內(nèi)嵌了數(shù)字低通濾波器，可在A/D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行數(shù)字濾波，能消除A/D轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)的噪聲。此外，數(shù)字濾波器具有可編程性。依靠數(shù)字濾波器設(shè)計，用戶可以編程截斷頻率和輸出更新頻率。此外，因為內(nèi)部帶有數(shù)字濾波器，AD7705具有抑制干擾功能。50Hz的工頻干擾在第一陷波位置已衰減100dB，這樣就有效地抑制了工頻干擾。另外，本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時，以10個數(shù)據(jù)作為一組，再用平均值濾波法對這10個數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，用此平均值作為該時刻的采樣值，這樣就有效地去除了數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差。而且，光電轉(zhuǎn)換電源輸出端電壓的變化是緩慢的，因而以10次采樣值的平均值作為該時刻的值進(jìn)行處理能夠滿足系統(tǒng)要求，實驗證明這種方法是可行的。