宮玉琳，李洪祚，文大化

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)　電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春　130033）

紫外告警光接收機(jī)設(shè)計(jì)

宮玉琳1，李洪祚1，文大化2

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春130033）

隨著光電技術(shù)的不斷發(fā)展，光電技術(shù)在民用和軍用領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)光的應(yīng)用也不僅限于可見(jiàn)光范圍，正不斷地向光譜的兩端擴(kuò)展。各種紅外和紫外設(shè)備已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。相比于紅外波段的應(yīng)用，紫外波段應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展迅速，憑借其特有的優(yōu)點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域尤為重視。紫外告警技術(shù)就是在導(dǎo)彈預(yù)警中的應(yīng)用，具有廣闊的前景和重要意義。本文對(duì)紫外光信號(hào)檢測(cè)和信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行了深入分析和研究，設(shè)計(jì)了紫外告警光接收機(jī)，并對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)噪聲進(jìn)行了詳細(xì)分析。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的紫外告警光接收機(jī)具有精度高、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，對(duì)紫外告警技術(shù)的發(fā)展具有積極作用。

紫外告警；光接收機(jī)；光電轉(zhuǎn)換

在太陽(yáng)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(diǎn)，通過(guò)探測(cè)導(dǎo)道發(fā)出的220～280nm波段的紫外線，實(shí)現(xiàn)告警。紫外告警要在太陽(yáng)輻射背景下檢測(cè)微弱的紫外光信號(hào)，這就要接收機(jī)具備靈敏度高、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，研究紫外告警接收機(jī)具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)的紫外告警接收機(jī)由光電轉(zhuǎn)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(jī)原理

1　光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

1.1光電轉(zhuǎn)換電路

光電轉(zhuǎn)換電路是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)檢測(cè)的前提，直接影響整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的性能?；竟怆娹D(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2　光電轉(zhuǎn)換電路

由圖2可得，光電轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Uo為：

本文采用GENUV公司的紫外線探測(cè)器GUVC-T10GD-L，其參數(shù)如表1所示。

表1　GUVC-T10GD-L相關(guān)參數(shù)

由表1可知，探測(cè)器GUVC-T10GD-L的響應(yīng)度典型值為0.05A/W，結(jié)電容為80pF，當(dāng)反饋電阻Rf取50kΩ時(shí)，由式（2）計(jì)算可得光電轉(zhuǎn)換電路的高頻截止頻率fH為：

可見(jiàn)，光電轉(zhuǎn)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(yīng)率為0.05A/W，當(dāng)紫外光以100W/m2的輻射度照射時(shí)，那么在探測(cè)器上可得到輻射功率P為：

可進(jìn)一步求得，探測(cè)器GUVC-T10GD-L的輸出電流IP為：

經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路可得輸出電壓Uo為：

1.2光電檢測(cè)電路的噪聲分析

光電檢測(cè)電路中噪聲的主要來(lái)源為熱噪聲UT和散粒噪聲 IS，熱噪聲UT和散粒噪聲 IS計(jì)算如下：

式中，K為玻爾茲曼常數(shù)；T為材料的絕對(duì)溫度；R為探測(cè)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(cè)電路的通頻帶。

可見(jiàn)，減小通頻帶可以有效的減小噪聲，因此，本文在光電轉(zhuǎn)換電路中將反饋電阻Rf和Cin并聯(lián)用以減小通頻帶，如圖3所示。此外，由于運(yùn)算放大器有幾十pF的輸入寄生電容Cin，反饋電阻Rf和Cin會(huì)構(gòu)成新的極點(diǎn)，引起振蕩，將反饋電阻Rf與Cf并聯(lián)還可以通過(guò)相位補(bǔ)償?shù)姆椒ǚ乐拐袷帲?］。

圖3　抑制噪聲的光電轉(zhuǎn)換電路

本文采用的紫外光探測(cè)器GUVC-T10GD-L在紫外光強(qiáng)達(dá)到100W時(shí)所產(chǎn)生的光電流為9.22μA，當(dāng)溫度 T=300K，KT=4.14×10-21J，Rf=50kΩ，電路通頻帶Δf=1.99MHz時(shí)，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(zhuǎn)換信噪比為：

可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的光電轉(zhuǎn)換電路具有較好的性能。

2　信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換之后輸出的電信號(hào)較弱，需要對(duì)其進(jìn)行放大和處理，同時(shí)最大限度抑制噪聲干擾，信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)尤為重要。本文設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路由帶通濾波電路和差分放大電路構(gòu)成。

2.1濾波電路

為了進(jìn)一步減小信號(hào)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(dāng)?shù)臑V波電路對(duì)這些噪聲和干擾進(jìn)行濾除，提高信噪比。因此，本文選取Texas Instruments公司的UA741芯片，設(shè)計(jì)了圖4所示的壓控電壓源型二階低通濾波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)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(shè)計(jì)，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(jì)算可得R≈1.59kΩ，實(shí)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(jí)由A1、A2和R1、R2、RG構(gòu)成同相比例放大電路，電路通過(guò)RG將兩電壓跟隨器的反向端連接起來(lái)構(gòu)成具有高輸入阻抗的放大電路，對(duì)微弱信號(hào)具有很好的放大作用。電路的第二級(jí)由A3和電阻R3、R4、R5、R6構(gòu)成差動(dòng)放大電路，用于消除第一級(jí)放大電路中的共模信號(hào)。

圖5　差分放大電路

輸入信號(hào)UI1和UI2寫(xiě)作：

將運(yùn)算放大器A1、A2、A3的失調(diào)電壓記為UIO1、UIO2、UIO3，若 A1與 A2間的失調(diào)電壓為UIO、失調(diào)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(shí)，可以使 UIc=0，由于R1=R2、R3=R4、R5=R6，A1與 A2對(duì)稱，UIO=0、IIO=0，計(jì)算可得電路差模電壓的增益Auf為：

電壓增益Auf1可以寫(xiě)成：

電壓增益Auf2就為：

由式（15）和式（16）可得：

輸出電壓為：

檢測(cè)電路最終實(shí)現(xiàn)了紫外光信號(hào)檢測(cè)輸出電壓4.61V，表征0～100W的信號(hào)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(dāng)電阻溫度系數(shù)小于2ppm/Co時(shí)，Auf的精度可達(dá)到±0.01%的范圍內(nèi)。

（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(lì)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(kāi)環(huán)差模電壓增益；F1和F2為電壓反饋系數(shù)，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(diào)和溫漂

當(dāng)UIO3=0時(shí)，可得UO為：

只要使UIO1和UIO2盡量小，即可得到超低失調(diào)和超低溫漂特性的運(yùn)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(dāng)Auf=1時(shí)，隨著R2和IIO的增大，輸入失調(diào)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(yīng)過(guò)大以降低運(yùn)算放大器的輸入噪聲。

（4）共模抑制特性

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

可見(jiàn)，在精確匹配A1、A2、R1、R2的條件下，運(yùn)放的 KCMR僅與第一級(jí)增益 Auf1和第二級(jí)的KCMR0有關(guān)而與KCMR1、KCMR2無(wú)關(guān)。

3　系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的有效性，本文設(shè)計(jì)了基于Multisim的紫外光檢測(cè)系統(tǒng)仿真并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)紫外線激光器光檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了分析。圖6和圖7為基于Multisim的系統(tǒng)仿真電路和仿真結(jié)果。由仿真結(jié)果可見(jiàn)，電路仿真結(jié)果與理論計(jì)算相符，實(shí)現(xiàn)了將100W紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為4.61V輸出電壓的轉(zhuǎn)換，達(dá)到了紫外光信號(hào)檢測(cè)的目的。

圖6　基于Multisim的系統(tǒng)仿真電路

圖7　Multisim仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的紫外光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的紫外線光源選用鐳仕公司的半導(dǎo)體激光器作為探測(cè)平臺(tái)中所使用的光源，中心波長(zhǎng)為260nm，光譜線寬小于3nm。接收端選擇紫外光探測(cè)器GUVC-T10GD-L，同時(shí)配合中心波長(zhǎng)在260nm的紫外光濾光片。

圖8　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)無(wú)信號(hào)進(jìn)行了濾波測(cè)試并對(duì)正弦波輸入時(shí)的輸出波形進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9　無(wú)信號(hào)測(cè)試結(jié)果

圖10　信號(hào)處理電路輸出結(jié)果

六、結(jié)論

本文針對(duì)紫外光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種紫外光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)噪聲來(lái)源的分析，提出了減少噪聲的相關(guān)方法。對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)處理電路進(jìn)行了詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于紫外光信號(hào)檢測(cè)的相關(guān)領(lǐng)域。

［1］ 桂靜宜.二階有源低通濾波電路的設(shè)計(jì)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(cè)電路的研究與設(shè)計(jì)［J］.電測(cè)與儀表，2011，44（500）：63-66.

［3］ 王立婷.光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2010.

［4］ 胡丹，張岡，撒繼銘.一種實(shí)用的光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010，11（2）：20-24.

［5］ 何玲玲.微弱光電信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的研究［D］.合肥：安徽大學(xué)，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，F(xiàn)ine 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