張 旭，李常青，穆 昱

(鄭州大學 信息工程學院，河南 鄭州 450001)

微弱光信號檢測技術在軍事、工業(yè)、醫(yī)療及科學研究等有廣泛應用[1-3].微弱光信號檢測的難點在于如何將動態(tài)范圍大且噪聲較多的信號提取出來，并能抑制或者減小噪聲信號.對于動態(tài)范圍很大的微弱光信號，普遍的做法是用鎖相放大器對其進行放大，但鎖相放大器結構復雜、設計困難、成本較高.

筆者設計一種成本低、結構簡單、易于實現(xiàn)的對數(shù)放大器，其由A39對稱晶體管等分立元件組成.該放大器對動態(tài)范圍寬、頻率低的信號能實現(xiàn)信號壓縮，其輸入與輸出幅值成對數(shù)關系，能有效抑制信號中的高頻噪聲，適合微弱光信號放大.利用該對數(shù)放大器設計微弱光信號檢測系統(tǒng)，針對該系統(tǒng)中存在的誤差，基于電路放大關系編寫算法[4-6]，該算法能有效減小系統(tǒng)的輸出誤差.

1 對數(shù)放大器的電路設計

在對數(shù)放大器的設計中，選擇兩個特性相同的晶體管構成互補對稱電路，消除晶體管的反向飽和電流的影響；另外，選擇低輸入偏置電流、高開環(huán)增益的低噪聲精密運算放大器OP07對微弱信號進行放大[7-8].對數(shù)放大器的電路如圖1所示.

圖1 對數(shù)放大器電路

輸入與輸出的關系為

(1)

其中：U1為對數(shù)放大器的輸入信號；U2為對數(shù)放大器的輸出信號；Uref為參考電壓，設置為5 V；VT是熱電壓，其大小隨溫度變化而變化.

當R4=R9時，有

(2)

2 對數(shù)放大器特性分析

2.1 輸入輸出特性

從式(2)可看出對數(shù)放大器的輸入與輸出間服從對數(shù)關系.為分析對數(shù)放大器的輸入與輸出特性，將輸入信號的頻率設置為13 Hz，因為當信號頻率為13 Hz時，電路的放大性能較好，同時能避免工頻干擾.實驗中輸入信號為方波信號，其頻率不變，幅值可變.

在MATLAB中，用 Gaussian函數(shù)對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到如圖2所示的結果.

圖2 輸入輸出特性曲線

圖2中，位置偏上的線是按照理論計算得到的理想對數(shù)輸出曲線，黑色的點是從對數(shù)放大電路實驗中得到的散點，而偏下的線則是根據(jù)實驗得到的散點擬合得到的曲線.實驗數(shù)據(jù)擬合曲線與理想曲線非常接近，在輸入信號大于10 mV后幾乎完全重合.在10 mV前實驗值和理論值有一些誤差，誤差約為5%，誤差源于噪聲干擾和示波器轉換.當輸入信號幅值為2 mV時，輸出信號達到6.4 V，其小信號增益為71 dB，且信號越小增益越大，因此可用來放大微弱信號. 在信號頻率不變的情況下，輸出信號幅值隨輸入信號幅值增大而呈對數(shù)減小.當輸入信號變化60倍時，輸出信號的變化只有0.6倍左右，因此，電路能解決輸入信號動態(tài)范圍大的問題，能保證信號放大不失真，同時也利于信號的采集和模數(shù)轉換，方便后續(xù)的微弱信號處理.

2.2 頻率特性

輸入信號幅值為2 mV時，測量了不同頻率下輸出信號的大小，計算放大倍數(shù)并轉化為增益數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)散點圖擬合為曲線,如圖3所示.

圖3 頻率特性曲線

由圖3可知，隨著輸入信號頻率的變化，對數(shù)放大電路的小信號增益呈非線性變化.頻率小于13 Hz時，增益約為70.37 dB，由式(2)算得的理論增益為71.26 dB，可見理論值與實驗值接近.當頻率大于13 Hz 時，增益隨頻率增大而減小，當頻率大于200 Hz時，實際增益與理論增益誤差超過50%，輸出嚴重失真.因此, 該對數(shù)放大器具有很好的低頻放大特性，而對高頻信號則有抑制作用.

3 微弱光檢測系統(tǒng)設計

利用對數(shù)放大器設計微弱光信號檢測系統(tǒng).檢測系統(tǒng)由光電放大、對數(shù)放大、積分采樣、上位機4部分組成[9-11]，系統(tǒng)框圖如圖4所示.

圖4 微弱光檢測系統(tǒng)框圖

光電放大電路將光信號轉換為電信號并放大，再經(jīng)對數(shù)、積分放大，用AD電路對積分后的信號進行采集，用單片機通過串口傳至上位機進行數(shù)據(jù)處理[12-13].

用低功率紅色發(fā)光LED作為微弱光信號的模擬光源.在光電放大電路中，通過光電探測器將微弱光信號轉化為電信號，隨后對其進行初步放大輸出.由于信號的頻率較低，光電探測器宜用PN型的光電二極管，PN光電二極管暗電流小、靈敏度高、穩(wěn)定性好、價格低.光電轉換電路的輸出為

U1=ISC×Rf=S×P×Rf，

(3)

其中：ISC為光電二極管的光電流，S為光電二極管的靈敏度，P為入射光功率.

在積分電路中，用模擬開關控制電路的充放電.在對數(shù)信號最大且穩(wěn)定時進行積分，信號采集后送給單片機處理，隨后電路迅速放電.

上位機的主要功能為處理、顯示數(shù)據(jù).微弱光的轉換電壓作為輸入電壓，此輸入電壓與系統(tǒng)輸出電壓的波形如圖5所示.

圖5 輸入電壓與系統(tǒng)輸出電壓波形

由圖5可以看出，當輸入電壓為4 mV時，系統(tǒng)輸出電壓為-7 V，電壓信號放大1 500倍；輸入電壓為10 mV時，系統(tǒng)輸出電壓為-5.3 V，電壓信號放大530倍；系統(tǒng)輸出電壓波形無失真且高頻噪聲被濾除，此結果與理論分析一致.

4 誤差算法

因溫度漂移使系統(tǒng)存在一定的誤差，誤差表現(xiàn)為沒有光信號時系統(tǒng)仍有一定的輸出，因此為了提高系統(tǒng)的準確性需要編寫算法減小這一誤差.該算法的核心思想為：用有光時候的信號輸出減去無光時候的信號輸出作為光信號產(chǎn)生的凈輸出.因為信號經(jīng)過一系列的放大，所以該算法并不是簡單的差值關系，而應該根據(jù)式(2)～(3)及積分電路的輸入輸出關系進行編寫.

圖6為算法處理前后的輸出電壓對比.由圖6可以看出，算法處理前，無光時系統(tǒng)仍有輸出，誤差較大.算法處理后無光時信號幾乎為零，有光時系統(tǒng)輸出誤差也明顯減小.因此該算法有效減小了微弱光信號檢測系統(tǒng)的輸出誤差，提高了系統(tǒng)的檢測準確度.

圖6 算法處理前后的輸出電壓對比

5 結束語

利用A39等分立元件設計了一種應用于微弱信號檢測的對數(shù)放大器，并對該放大器的輸入輸出、頻率特性進行了研究，結果表明該對數(shù)放大器在頻率小于13 Hz時具有良好的放大性能.利用對數(shù)放大器設計微弱光信號檢測系統(tǒng)，針對該系統(tǒng)的誤差，通過編寫算法減小了誤差.實驗結果表明該系統(tǒng)能有效檢測微弱信號.該系統(tǒng)可用于光電檢測、光譜分析等方面.