李新東，王 娟，馮宗鑫，師韓冰，王 坤

〈系統(tǒng)與設計〉

自適應增益光電探測電路設計

李新東，王 娟，馮宗鑫，師韓冰，王 坤

（西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710055）

在激光模擬實兵對抗系統(tǒng)中，為解決傳統(tǒng)光電探測電路受環(huán)境影響大，系統(tǒng)不穩(wěn)定、檢測效能低的問題，設計了一種基于單片機的增益自適應光電探測電路。在傳統(tǒng)光電探測電路的基礎上改用兩個對稱分布的跨阻放大反饋電路，消除光電探測器偏置分量，抑制前置放大電路的系統(tǒng)噪聲；采用自動增益控制電路使不同射擊距離下輸出信號幅值保持穩(wěn)定；采用多級濾波的方式去除信號的直流分量并有效抑制背景噪聲，為信號的進一步處理提供準備。通過實驗驗證與TINA-TI仿真分析結果表明，該光電探測電路可以實現(xiàn)增益自適應變化，在不同入射距離下輸出電壓幅值基本穩(wěn)定在2V左右。其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)固定增益電路，極大地提高了對光電信號的探測能力，該結果驗證了本文提出的光電探測電路設計的科學性和可行性。

光電探測器；電路設計；跨阻放大；自動增益；TINA-TI仿真

0 引言

光電探測電路是激光模擬實兵對抗系統(tǒng)的重要組成部分，基于光電效應原理，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換與信號處理[1-2]。在設計中，高靈敏度、低噪聲、低失真和高增益需要重點考慮，其接收靈敏度與信噪比對系統(tǒng)的性能具有重要影響[3]。而電路的噪聲是影響信噪比的主要因素，探測器在進行光電信號轉(zhuǎn)換過程中會伴隨著噪聲電流（電壓）的存在，經(jīng)放大電路放大，噪聲也隨之放大，從而嚴重影響光電探測器的效率[4-6]。

當射擊距離較長，激光脈沖信號到達光電探測器時變得微弱，甚至被噪聲完全埋沒，從而使得探測器對光信號的探測本領受到限制。因此有效抑制環(huán)境光產(chǎn)生的噪聲干擾成為光電探測電路設計中一個非常重要的挑戰(zhàn)[7-8]。系統(tǒng)保持接收信號強度穩(wěn)定是實現(xiàn)高通信速率、低誤碼率的必要條件[9-10]。為了確保輸出信號穩(wěn)定，方便后續(xù)處理，需要信號處理電路能夠相應的改變放大器增益，提高信噪比與對微弱信號檢測的能力[11-14]。

Li等人[15]利用對數(shù)放大器和積分放大器的功能，有效地提取信號，設計了一種微弱光信號檢測系統(tǒng)。He等人[16]基于LabVIEW設計了一種微弱光電信號采集與處理系統(tǒng)。Wu等人[17]提出了一種鎖相放大技術來檢測微弱信號，具有一定應用價值。

實兵交戰(zhàn)系統(tǒng)中的光電探測屬于微弱信號探測領域，所需放大倍數(shù)高，對電路低噪聲要求高。為解決環(huán)境光以及噪聲對系統(tǒng)探測性能的影響，本研究基于信號差分和自動增益控制原理設計了一種性能優(yōu)良的光電探測電路。采用對稱跨阻放大回路結構消除暗電流噪聲與環(huán)境光引起的直流偏移；通過自動增益控制電路對信號進行自適應放大，使信號幅值在正常范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，提高信號采集效率；采用多次濾波的方式去除信號的直流分量并能夠較好地抑制背景噪聲；借助主控芯片的ADC模塊對信號進行采集，提取信號中的信息。

1 方案設計

在激光模擬實兵對抗系統(tǒng)中，光電探測器采用光伏特性PIN光電二極管，為準確獲取激光傳遞的信息，需設計與之相匹配的檢測電路，達到信號高效檢測的目的[18-20]。整體結構如圖1所示，首先，光電探測器接收激光信號，并將其轉(zhuǎn)換為電流信號，通過跨阻放大器將光電探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號同時進行放大；其次，為了擴大系統(tǒng)增益，在跨阻放大電路后增加一級放大電路對信號進行放大；隨后將放大后的電壓信號接入帶通濾波電路進行降噪；最后，經(jīng)單片機將帶通濾波電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號做采樣處理。

為消除光電探測器的暗電流噪聲與環(huán)境光引起的直流偏移，系統(tǒng)采用兩路對稱的跨阻放大器，一路接光電探測器正極，另一路接光電探測器負極，將兩路信號通過差分放大電路進行疊加得到脈沖電壓信號，從而實現(xiàn)對光電探測器噪聲與跨阻放大器噪聲抑制；采用自動增益控制（automatic gain control，AGC）電路解決由于射擊距離不同導致接收到信號強弱不一致的問題，在輸入信號幅值變化很大的情況下，使輸出信號僅在較小范圍內(nèi)變化，保證了信號輸出的穩(wěn)定性；采用帶通濾波器可以濾除所需頻率范圍之外的干擾，提高信噪比。

圖1 光電探測電路系統(tǒng)總體結構

2 光電探測器選型

光電探測器的探測模式主要有兩種，光電導模式和光伏模式。光電導式需外加偏置電壓，適合于高速光電轉(zhuǎn)換的應用。光電壓式存在入射光時才會產(chǎn)生光電流，適合精確測量[21-22]。本文采用光伏式，可有效降低噪聲的影響，從而實現(xiàn)對微弱信號的精確探測。光電探測器是根據(jù)光電轉(zhuǎn)換定律將光輻射量轉(zhuǎn)化為光電流量。其光電轉(zhuǎn)化模型如下：

式中；()為產(chǎn)生的光電流；()為光功率；為光子能量；為探測器量子效率；是電子電荷；可以看出，光電流主要受光功率與探測器的量子效率的影響，當探測器確定時，探測器的量子效率是一個常值，故光電流只與光功率有關。

不同光電探測器性能不同，因此選擇一個合適的光電探測器是實現(xiàn)光電檢測的前提[23]。光電探測器選型要充分考慮靈敏度、光譜利用率系數(shù)、頻率等，同時還應考慮無規(guī)則噪聲的影響。這里選用深圳市誠強光電數(shù)碼有限公司生產(chǎn)的CHQ0038L型PIN光電探測器接收激光信號并實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。該光電探測器具有接收角度寬、距離長、可靠性高、抗干擾能力強、光功率轉(zhuǎn)化效率顯著的特點。對噪聲或干擾信號引起的雜散輸出脈沖具有一定的抑制作用。其性能參數(shù)如表1所示。

表1 光電探測器性能參數(shù)

3 光電探測電路設計

由于激光在傳輸過程中受環(huán)境天氣等各種因素影響，能量在大氣中的衰減嚴重，此時光電探測器接收到的光功率微弱，容易受其他信號的干擾[24-26]。因此，設計合理的信號處理電路，選擇匹配的電氣參數(shù)是提高電路抗干擾能力與穩(wěn)定性的關鍵[27-29]。

3.1 前置放大電路設計

為使光電探測器的輸出信號易于檢測，首先需要考慮如何將光電探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為易于檢測的電壓信號。這里采用TI公司生產(chǎn)的OPA380型運算放大器實現(xiàn)光電信號的-轉(zhuǎn)換，該放大器具有低噪聲、低偏置電流和高速特性，是寬帶跨阻抗和電壓放大器應用的理想解決方案，其電路如圖2所示。

該前置放大電路由3部分構成，分別是前面兩個對稱的跨阻放大電路和將兩個跨阻放大電路信號進行疊加的差值電路。兩個跨阻放大電路的輸出通過積分器反饋給正輸入端，可有效補償由于太陽光或其他外部光源引起的直流輸出偏移。采用差分配置更好地抑制由于耦合干擾引起的噪聲，抵消共模干擾信號，達到提高電路信噪比與探測精度的目的。

為了補償光電二極管的內(nèi)部結電容帶來的振蕩問題以及RC濾波后導致的相位遲滯問題，電路采用補償電容3，18與反饋電阻并聯(lián)用于濾除信號中的高頻噪聲以防止電路自激振蕩。電路中并聯(lián)兩個相反方向的肖特基二極管1,2改變跨阻放大器不同方向的反饋量，起到施密特效果。為了提高電路的靈敏度，降低噪聲，反饋電阻采用T型網(wǎng)絡布局，通過減小寄生電容來實現(xiàn)更大的跨阻增益。

3.2 自動增益控制電路

系統(tǒng)為了擴展入射光強的范圍，在前置放大電路后加入自動增益控制電路，使電路增益隨信號強弱自適應調(diào)整，放大電路輸出信號經(jīng)濾波器濾除截止頻率為33kHz的低頻調(diào)制分量和噪聲后，產(chǎn)生用以控制增益受控放大器的電壓。使得在射擊距離近，激光能量強時，放大電路增益減??；射擊距離遠，激光能量弱時，放大電路增益增大。始終將信號保持在0.5～5V之間，便于后續(xù)采集與處理。STC15F2K60S2主控芯片通過脈沖峰值的大小來判斷放大電路的增益是否處于合適檔位，繼而控制放大電路改變增益，從而實現(xiàn)自增益控制。

圖2 前置放大電路

電路選用TI公司的一款可變增益芯片VCA810，這是一款高增益，可調(diào)范圍寬帶的壓控放大器，具有很好的帶寬和噪聲特性，是精密AGC應用的理想選擇，電路如圖3所示。AGC的環(huán)路部分采用OPA820作為電壓比較器，AD8307用于幅值檢測構成對數(shù)檢波環(huán)路。比較器將VCA810輸出與DAC輸入的電壓進行比較，輸出線性電壓，經(jīng)過電容濾除直流分量再輸入至AD8307檢波環(huán)路，對VCA810增益進行自動控制。電壓比較模塊中電阻7避免高頻時產(chǎn)生的自激震蕩，電容15作為相位補償構成AGC反饋回路。當輸入信號小的時候提高VCA810的增益，在信號大的時候降低增益，但不改變響應的基本對數(shù)性質(zhì)。其增益與控制電壓的關系可表示為：

dB＝－40×(c＋1) (2)

式中：c為檢波器AD8307的輸出電壓，通過單片機控制電壓c從－2～0V變化，從而改變放大器增益dB在－40～40dB范圍內(nèi)線性變化。當VCA810的輸出大于DAC輸入引腳的電壓時，OPA820輸出正向擺動，電壓保持電容上的電壓隨之上升，VCA810的增益控制引腳電壓隨之上升，從而降低VCA810的增益。當VCA810的輸出小于DAC輸入引腳的電壓時，OPA820輸出負向擺動，VCA810的增益控制引腳電壓隨之下降，從而升高VCA810的增益。由此種負反饋機制的電路，完成了自動增益控制功能，以滿足信號處理對距離衰減效應的補償?shù)囊螅３趾芎玫木€性輸出。

3.3 選頻濾波電路設計

系統(tǒng)信號中心頻率為38kHz，低于或高于這個頻率都會對信號產(chǎn)生影響，為了提高信噪比消除噪聲的干擾，這里對信號進行選頻濾波使得信號的質(zhì)量更佳。其電路如圖4所示，采用雙運放LM324芯片組成多路反饋拓撲結構的四階巴特沃斯帶通濾波電路濾除通頻帶以外的噪聲信號，方便后續(xù)對信號進行采集處理。

圖3 自動增益控制電路

圖4 選頻濾波電路

確定選頻濾波電路中心頻率為38kHz，增益為0dB，經(jīng)仿真軟件TINA-TI對信號與噪聲進行分析可知通頻帶D越小，電路的輸出噪聲越小。但減小通頻帶，會影響信號的波形。綜合考慮這兩方面因素，最終確定濾波電路－3dB通頻帶帶寬為10kHz，取1＝2＝3＝4＝＝10nF。根據(jù)文獻[30]計算得到元器件1,2,3,4,5,6的值。確定好各元器件參數(shù)后仿真得到帶通濾波電路的頻率響應曲線如圖5所示，結果顯示該濾波器在38kHz附近增益曲線平坦，濾波效果優(yōu)良，性能穩(wěn)定，能夠很好地保持信號波形，抑制噪聲。

圖5 帶通濾波器頻率響應曲線

3.4 控制電路設計

整個激光模擬對抗光電探測系統(tǒng)采用STC公司的STC15F2K60S2型號單片機作為控制單元，具有高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點。通過單片機內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊把檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別的數(shù)字量，并通過高低電平時間的長短對信號進行解碼獲得激光傳輸?shù)男畔?，然后通過D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)殡妷夯螂娏餍盘?，?qū)動執(zhí)行元件。

3.5 軟件設計

主控芯片STC15F2K60S2的控制程序采用keil uVision5軟件編寫實現(xiàn)，系統(tǒng)程序采用C語言編寫。單片機控制部分主要包括系統(tǒng)初始化、信號采集、DA輸出、與上位機通信等，主要流程如圖6所示。

系統(tǒng)在運行前初始化，比較輸入信號幅值的強弱來確定DA輸出的電壓值，進一步對自動增益控制環(huán)路的增益進行控制，保證輸入單片機的信號幅值在規(guī)定范圍內(nèi)，便于對信號進行采集。將采集到的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后進行解碼獲得信號傳輸?shù)男畔ⅲ瑢⑿畔⒔?jīng)D/A轉(zhuǎn)化為電壓信號驅(qū)動執(zhí)行元件響應。

4 實驗結果與分析

在完成各個子模塊的設計后，為提高實驗結果的準確性與說服力，信號處理模塊采用PCB來實現(xiàn)，所設計的PCB如圖7(a)所示，將設計好的PCB進行制板焊接搭建實驗平臺，如圖7(c)所示。圖7(b)為激光發(fā)射端實物圖，所采用的激光波長為980nm。

為了驗證激光接收電路對接收信號的處理效果，對電路性能進行實驗分析，圖8為電路的波形圖，其中圖8(a)為本研究輸入輸出波形，圖8(b)為傳統(tǒng)系統(tǒng)輸入輸出波形。由圖8(a)看到輸入輸出波形具有很好的保持，說明系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。對比圖8(a),(b)電路優(yōu)化前后系統(tǒng)噪聲抑制效果明顯，輸出信號穩(wěn)定，誤碼率降低30%，信號的傳輸效果得到改善。

理想情況下，增益自適應控制電路輸出信號的幅度應在不同輸入信號強度下保持不變。為了驗證電路增益的自適應性能，通過改變激光管的驅(qū)動電壓（或是改變發(fā)射與接收端之間的距離）觀察輸出波形，并測量光電接收電路輸出信號幅值，與無自動增益光電檢測電路進行對比如圖9所示。從圖上可以看到移動距離在1～10m范圍內(nèi)，采用固定增益，不同移動距離下輸出信號的幅度變化很大，且存在距離過小輸出信號飽和，距離過大輸出信號弱，從而導致后續(xù)信號處理時高低電平出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。而采用增益自適應控制電路輸出信號幅度基本保持恒定，可有效解決固定增益存在的信號誤判問題。

圖8 波形圖(a)本系統(tǒng)輸入輸出波形，(b)傳統(tǒng)系統(tǒng)輸入輸出波形

圖9 移動距離與輸出電壓幅度關系

利用TINA-TI仿真測試光電探測電路在增益最大時的頻率特性曲線如圖10所示，可以看出電路在38kHz頻率附近曲線平坦，說明在此范圍內(nèi)電路性能穩(wěn)定。幅頻特性曲線的通頻帶增益大小與輸入信號強度有關，但是其曲線形狀、上限截止頻率卻與信號強弱無關，輸入信號越弱，幅頻特性曲線增益越大。

由于整個光電探測電路中光電探測器和前置放大電路的噪聲影響比較大，為了驗證前置放大電路的降噪效果，采用TINA-TI軟件對前置放大電路進行仿真分析，得到該電路與傳統(tǒng)前置放大電路的輸出噪聲曲線與信噪比曲線如圖11、12所示，可以看到在頻率為38kHz處電路噪聲為3.46mV，信噪比為109dB，相較于傳統(tǒng)前置放大電路輸出噪聲降低效果顯著，系統(tǒng)噪聲得到明顯抑制，紋波干擾得到消除，電路信噪比得到提高，方便信號的進一步處理，對微弱信號的探測性能得到提升。

圖10 電路頻率響應曲線

圖11 電路輸出噪聲曲線

圖12 電路信噪比曲線

為驗證電路的選頻濾波效果，通過TINA-TI軟件的掃頻功能改變輸入信號的頻率，測得電路在不同頻率下的輸出特性曲線如圖13所示，從圖中可以看到頻率越接近中心頻率38kHz，其波形保持的越完整，證明該電路具有很好的選頻濾波效果，可有效濾除低頻與高頻噪聲，保證信號的輸出質(zhì)量。

圖13 電路在不同頻率下濾波效果圖

5 結論

本文依據(jù)信號疊加原理與自動增益控制理論設計并實現(xiàn)了一種增益自適應光電探測電路，采用兩個對稱的跨阻放大電路疊加的結構，有效抑制了系統(tǒng)噪聲與暗電流，采用自動增益控制電路對信號進行放大，避免因距離太近導致信號飽和，實現(xiàn)對光電信號的高增益、低噪聲放大。通過實驗分析與TINA-TI仿真結果表明：系統(tǒng)可實現(xiàn)對激光脈沖信號進行采集、轉(zhuǎn)換和放大，設計能夠保證輸出信號幅值基本穩(wěn)定在2V左右，提高探測系統(tǒng)的信噪比，具有良好的穩(wěn)定性和噪聲抑制效果，電路的最低噪聲為3.46mV，信噪比為109dB。探測能力得到大幅提升，滿足實際應用需求，為光電檢測技術的研究提供了參考。下一步設想在激光模擬實兵對抗系統(tǒng)中得到應用。

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Adaptive Gain Photoelectric Detection Circuit Design

LI Xindong，WANG Juan，F(xiàn)ENG Zongxin，SHI Hanbing，WANG Kun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Xi 'an University of Architecture and Technology, Xi' an 710055, China)

In laser simulation combat systems, the traditional photoelectric detection circuit is significantly affected by the environment, the system is unstable, and the detection efficiency is low. To solve this problem, a gain-adaptive photoelectric detection circuit based on a single-chip microcomputer was designed according to the principle of photoelectric signal detection. Based on a traditional photoelectric detection circuit, two symmetrically distributed transimpedance amplification feedback circuits were used to eliminate the bias of the photodetector and suppress the system noise of the preamplifier circuit. An automatic gain-control circuit was used to stabilize the output signal amplitude at different shooting distances. The multistage filtering method was used to remove the DC component of the signal and effectively suppress the background noise, providing preparation for further signal processing. Experimental verification and TINA-TI simulation analysis show that the photoelectric detection circuit achieves an adaptive gain change, and the output voltage amplitude is stable at approximately 2V at different incident distances. Its performance is clearly better than that of a traditional fixed-gain circuit, significantly improving the detection ability of the photoelectric signal. The results verified the scientific nature and feasibility of the proposed photoelectric detection circuit design.

photoelectric detector, circuit design, transresistance amplification, automatic gain, TINA-TI simulation

TN929.11

A

1001-8891(2024)01-0012-08

2022-09-01；

2023-02-15 .

李新東（1997-），男，碩士研究生，主要從事光電檢測與信號處理方面的研究。E-mail：lee@xauat.edu.cn。

王娟（1979-），女，博士，教授，博士生導師，主要從事新能源材料與器件方面的研究。E-mail：juanwang@xauat.edu.cn 。

西安市自然科學基金（XA2020-CXRCFW-0247）；西安市清潔能源重點實驗室（2019219914SYS014CG036）。