摘 要：在激光的各方面應用中，從Si-PIN光電探測器的特性入手，針對探測激光回波信號所輸出的微弱電信號，設計了一種實用的弱信號處理電路。包括低噪聲寬帶放大電路，信號二值化處理電路以及脈寬調(diào)整電路。使其輸出信號與應用需要相匹配，為后級系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的前級信號。該設計的實用性、可靠性從試驗角度得到了驗證。

關鍵詞：光電檢測;弱信號放大;比較電路;激光應用

中圖分類號：TN721 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1515502

Research on Signal Processing Circuit of Laser Detection

FENG Li1，2，MA Caiwen1，ZHU Shaolan1

(1.Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Xi′an，710119，China;

2.Graduate University，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100039，China)

Abstract：Based on the characteristics of Si-PIN photodiode detector，in view of the weak electrical signals by the output of photodiode detector receiving echo signals of laser，a circuit has been designed and developed for amplifying the weak signals and binaryzating the signals in the laser detection system，making the processed signals match the need of the following control system.

Keywords：photoelectric detection;weak signal amplifying;comparison circuit；laser application

激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等四大特點，使其廣泛應用于許多領域，如軍事、工業(yè)和醫(yī)療等。與無線電、微波相比，激光具有波長短、方向性好的特點，激光測距、激光成像等激光探測、測量設備具有精度高、抗雜波干擾強、效費比高等優(yōu)點。但在這些激光測量中，光電探測器接收到的激光回波信號功率非常弱，光電探測器的輸出信號小，為了便于后續(xù)的精確信號處理，此微弱信號的處理對整個系統(tǒng)就顯得尤為重要。本文設計的電路就是針對這種激光探測的微弱電信號進行處理，很好地解決了激光探測系統(tǒng)前端弱信號處理問題，實現(xiàn)了信號的低噪聲寬帶放大，高精度二值化處理，輸出信號可以很方便地應用于數(shù)字信號處理電路中。

1 電路設計

對于探測器輸出的微弱電信號，須經(jīng)過降噪、放大，再將放大的信號進行二值化處理，以便于后續(xù)的邏輯電路進一步處理。圖1給出了微弱電信號預處理的整體結構。

圖1 電信號預處理流程圖這里采用的一款激光接收組件由Si-PIN和低噪聲前置放大器組成，具有體積小靈敏度高（100 nW）、響應度高、上升時間快、單電源工作等特點。因此，這里所設計的電路主要由主放電路、比較電路、脈寬調(diào)整電路組成。

1.1 寬帶放大電路

主放電路的設計要考慮帶寬、功耗、噪聲、響應速率等各方面因素，本設計里選用了一款超低失真、低噪聲、高壓擺率的運算放大器。它是一種較理想的應用于寬動態(tài)范圍、高精度、高速環(huán)境下的運算放大器。由前置放大輸出的電信號約為100 mV，所以，此主放電路的放大倍數(shù)暫設定為10（根據(jù)調(diào)試情況可以進一步調(diào)整）。參考芯片數(shù)據(jù)手冊所提供的參考電路以及推薦元件取值，設計的主放電路如圖2所示。

圖2 主放電路該運算放大器自身的增益帶寬積為1 GHz，在此電路結構中，增益達到了10倍的放大倍數(shù)，標準帶寬成為40 MHz，完全符合光電探測器的電氣特性。圖3為實驗記錄（x軸10 ns/div，y軸100 mV/div）。由實驗結果可以看出，放大后的信號與原信號相比：信號幅值放大10倍，由100 mV放大到1 V；輸出波形比輸入波形較為平緩，上升時間由7 ns延長到9 ns，下降時間由3 ns延長到8 ns左右。此部分電路主要實現(xiàn)信號的低噪聲、高精度放大，由實驗結果看出，電路設計符合設計指標。

圖3 放大電路實驗結果1.2 比較電路

決定比較器工作能力有壓擺率，靈敏度等。本設計里選用了一款超高速比較器，符合應用需要。由于比較器輸入電壓范圍為0～3 V，為使比較強工作在較好的比較狀態(tài)，并降低噪聲帶來的干擾，此設計中將比較器的參考電壓設在0.9 V左右，輸入端的初始電壓設的略低于參考電壓。這樣，一方面，微弱的噪聲不會影響到比較結果，另一方面，在這個電壓范圍里比較器進行工作，得出的結果也比較準。設計電路如圖4所示。

圖4 信號比較電路圖5 信號比較電路實驗結果圖5為比較器的實驗記錄（x軸10 ns/div，y軸1 V/div）。輸入信號具有0.9 V的直流電平（預置電平?jīng)Q定），上升時間約為8 ns，而且受寄生電容影響，信號受干擾較大；經(jīng)比較器輸出的信號，明顯的優(yōu)點是，上升沿與下降沿明顯變得陡峭（5 ns以內(nèi)），達到了信號整形的效果，且輸出信號幅值為4 V，足以觸發(fā)邏輯器件，可以很容易地辨別出信號的高、低電平。比較器輸出結果比較理想，實現(xiàn)了信號的高精度二值化處理。

1.3 脈寬調(diào)整電路

激光器發(fā)射的激光信號為脈沖信號，脈寬30 ns頻率小于30 Hz。該信號經(jīng)放大，二值化處理以后，脈寬基本維持不變。為使比較處理后的信號符合后續(xù)系統(tǒng)的應用要求，需要對此信號進行脈寬調(diào)整。在此采用一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來調(diào)整脈沖寬度。

圖6 脈寬調(diào)整電路此脈寬調(diào)整電路為下降沿觸發(fā)，而比較器輸出信號時，同時提供有反向輸出端。此處利用反向輸出端輸出的負脈沖正好可以觸發(fā)得到一個所需脈寬的正脈沖。

輸出脈沖寬度：輸出脈沖寬度TW是暫穩(wěn)態(tài)的停留時間，根據(jù)電容C的充電過程可知：UC(0+)=0，UC(∞)=UCC，UT=UC(TW)=23UCC，τ=RC，因而:TW=RClnUC(∞)－UC(0+)UC(∞)－UT=RCln3=1.1RC 根據(jù)后續(xù)應用電路設計部分對脈沖寬度的需求來調(diào)整此處的脈寬。

2 結 語

本文針對光電探測器輸出的微弱電信號，設計了寬帶放大電路、信號比較電路及脈寬調(diào)整電路，實現(xiàn)了弱信號處理。在實驗的基礎上分析了此電路帶寬，信噪比，上升時間，脈沖寬度等指標。經(jīng)過精心設計，微弱電信號放大10倍達到1 V左右，經(jīng)比較器輸出的信號實現(xiàn)了信號整形，二值化效果明顯，上升時間明顯縮短，且降低了信號噪聲，為后級的信號處理電路提供了穩(wěn)定可靠的前級信號。電路設計簡單、可靠、易實現(xiàn)，在激光應用中有較強的實用性。

參 考 文 獻

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作者簡介 馮 莉 女，1982年出生，陜西咸陽市人，中科院研究生院碩士研究生。研究方向為嵌入式系統(tǒng)控制。

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