光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计
微弱信号检测前置处理模块电路设计
微弱信号检测前置处理模块电路设计孙韩【摘要】从Y光纤斐索型激光干涉微振动检测仪的微弱信号检测实际需求出发,基于高速DSP数据采集与处理系统,采用集成运放芯片AD620,设计了一种能实现前置放大、带通滤波、电平抬升、增益可调等功能的前置处理模块电路。
经实验测试,该电路设计具有抑制噪声、抗干扰能力强,信号放大、带通滤波效能高等的优点,能有效进行微弱信号前置放大、去噪等处理,为后续A/D转换和高速DSP数据采集奠定基础。
%According to the actual demand of weak signal detection of Y type optical fiber Laser in-terference micro vibration detector,based on high-speed DSP data acquisition and processing system, using the integrated operational amplifier AD620 chip,a kind of pre-processing module circuit which can realize function of pre-amplifier, band-pass filter, level up and gain adjustable is designed. Through experimental test,the circuit designed in this paper has a strong suppress noise and anti-in-terference ability,the advantages of signal amplification and band-pass filtering efficiency higher. It can also effectively amplify a weak signal and suppress the noise,and lay a foundation for subsequent A/D conversion and high-speed DSP data acquisition.【期刊名称】《江西科学》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P598-601)【关键词】微小振动测量;微弱信号检测;前置处理模块;电路设计【作者】孙韩【作者单位】安徽大学电子信息工程学院，230601，合肥【正文语种】中文【中图分类】TN248微振动测量广泛应用于石油勘探，各种发电机组、机床及桥梁的振动监测，高层建筑晃动测试，船舶及飞机等的发动机振动分析中。
微弱电流信号的检测和放大电路.doc
电压放大器结构合理，准确得实现了电压放大功能。
经I/V转换器后电压（通道B），经一级差分式放大电路后输出电压（通道C）,经二级差分式放大电路后输出电压(通道D)波形对比如图9所示：
图9运算放大电路输入输出电压波形对比
3.
本设计采用开关式相敏检波电路。相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。其结构如图10所示。
要求：电路要包括电流/电压转换电路，信号放大电路，调制和解调电路，并采用multisim仿真。
三、设计时间及进度安排
设计时间共两周（2015.6.23～2015.7.3）,具体安排如下表：
周安排
设 计 内 容
设计时间
第一周
布置设计任务和具体要求及设计安排；提出设计思路和初步设计方案、根据设计方案，进行具体的设计，根据指导意见，修改具体设计；仿真实现设计要求，指导、检查完成情况。
15.06.23-15.06.26
第二周
设计、仿真，撰写、完成专业模块设计报告,验收、考核
15.06.29-15.07.03
四、指导教师评语及成绩评定
指导教师评语:
年 月 日
成绩
指导教师(签字):
第一章课程设计的目的
课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。
经过相敏检波输出电压为4.327V，输入输出电压如图13所示。
图
经过相敏检波电路的波形如图14所示：
图14相敏检波电路输出波形
4.
为了给相敏检波电路提供同频方波信号，实现检波功能。其结构如图15所示。
图
其同向端接地，反向端接入高频正弦来自压信号（1KHZ），输出端为方波信号。当反向端正弦电压小于0时，输出高电平；当反向端输入的正弦电压大于0时，输出低电平。所以输入正弦波输出为反向的正弦波。输入信号和输出信号对比如图16所示。
微弱信号报告
智微弱信号检测结课报告题目：微弱光信号检测与采集组员分工：魏源璋（写报告）钟笛（演讲）王法（PPT制作）学院：机电学院专业：测控技术与仪器指导教师：宋俊磊微弱信号检测报告----微弱光信号检测绪论 (2)一、光电检测原理.............................. 错误！未定义书签。
1.1 光电检测与采集原理 ...................... 错误！未定义书签。
1.2 光电转换 .......................................... 错误！未定义书签。
二、信号检测前置放大电路设计 (4)2.1噪声来源分析 (4)2.2前置放大电路设计 (4)三、锁定放大器 (7)3.1、基本原理 (7)3.2、锁定放大参数分析 (9)四、A/D采集及软件设计.................. 错误！未定义书签。
4.1、ADC0809芯片介绍 (11)4.2、A/D启动及程序流程 (12)4.3、硬件接口图 (13)绪论微弱信号不仅意味着信号的幅度很小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，微弱是相对于噪声而言的。
为了检测被背景噪声覆盖着的微弱信号，进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点，相关性以及噪声的统计特征，以寻找出从背景噪声中检测出有用信号的方法。
微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就需要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研究和技术开发的需要，微弱信号的检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感原理，也不是相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是抑制噪声和提高信燥比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。
在许多研究和应用领域中，都涉及到微弱信号的精密测量。
然而，由于任何一个系统部必然存在噪声，而所测量的信号本身又相当微弱，因此，如何把淹没于噪声中的有用信号提取出来的问题具有十分重要的意义。
第4章光电信号检测电路1
o
U b1
Ub2
Ub3 Uo 大的偏置电压会引起光电
二极管的反向击穿。
利用图解法确定输入电路的负载电阻和反向偏 置电压大小时，应根据输入光通量的变化范围和输 出信号的幅度要求使负载线稍高于转折点M，以便 得到不失真的最大电压输出，同时保证反向偏压不 大于器件的最大工作电压Umax。
2、解析计算法：对光电器件的非线性伏安特性进 行分段折线化，称为折线化伏安特性。
在线段MN有关系：
arctan G0
G0U0 GU0 Smax
O
U0
由此可得：
U0
S max G0 G
或
arctan G
N
Ub U0
arctan GL
0 Ub U
G0
G
S max U0
2、计算负载电阻和偏置电压：
i
为保证最大线性输出 条件，负载线和对应的伏
M I max
图解法的应用：
1、负载电阻的影响分析：
图中给出了Ub不变时， RL的大小对输出信号的影响：
io
RL1 RL2 RL3
RL 2
RL1
RL3 M Q
输入光通量不变时，负
0 载电阻的减小会增大输出信
0 0
号电流，而减小输出电压。
同时负载电阻的减小会受到
最大工作电流和功耗的限制。
5 10
U /V
15
光电倍增管
光电二极管
光电三极管
1、图解计算法：利用包含非线性元件的串联电路 的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。
U
I Ub
Ub
io
RL
I
微弱光信号检测电路的设计
ElectronicComponent&Device Applications0引言光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。
它主要利用电子技术来对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。
其原理是通过光电探测器件将光学信息量变换成电信号，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。
微弱光信号的检测在许多领域都有应用，检测方法多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求，本文应用光电检测技术来检测微弱光信号。
该方法利用高性能运放来设计检测电路，因而具有精度高、稳定性好等优点。
1电路基本原理用光电二极管组成的光电检测电路，实际上是一个光→电流→电压的变换器。
首先由光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号。
其基本电路如图1所示。
假定运放为理想的运放，其输入电阻和放大倍数都为无穷大，则输出电压为U0=I P R。
理论上，系统的输出电压U0的值与输入电流I P成线性关系，灵敏度由反馈电阻R确定。
而实际应用中，由于要受到运放失调电压V od与偏置电流I b的影响，其输出电压总要产生误差。
误差电压一般为：U e=V od(1+R/R d)+I b R其中R d为光电二极管的结电阻。
由此式中可以看出，当运放的失调电压与偏置电流都较小时，输出电压误差较小。
因此，选择运放时，应选择性能参数都符合要求的运放。
本设计选择AD795KN作为前置放大器。
2检测电路设计光电二极管所接收到的信号一般都非常微弱，而且输出的信号往往被深埋在噪声之中。
因此，对这样的微弱信号一般都要先进行放大、滤波，然后通过模数转换将信号传输给后续处理器电路。
本检测系统由光电二极管、前置放大电路、滤波电路、主放大电路、A/D转换电路，MCU控制和信号处理电路等组成，其结构框图如图2所示。
微弱光信号检测电路的设计杜习光（西南大学工程技术学院，重庆400716）摘要：从微弱光信号检测电路的设计方案入手，论述了光电检测电路的基本工作原理，给出了采用AD795KN为前置放大器来设计放大电路、有源滤波电路以及主放大电路，最终设计低噪声光电检测电路的一般原则。
光电探测器前置放大电路设计与研究
光电探测器前置放大电路设计与研究作者：胡晓东来源：《中国科技纵横》2017年第04期摘要：为了更好地利用光电探测器对弱光信号进行检测，从而使得弱光信号转换成为电信号，并对这种电信号进行有效的运用，那么在设计其前置放大电路时就一定要对光伏探测器、光电导器件等进行有效的研究，结合不同探测器的特点以及探测光信号的频率特性来选择放大电路，从而使得光电探测器的前置电路的性能达到最佳状态。
关键词：设计与研究；前置放大；光电探测器中图分类号：TN15 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0085-01光电探测器将微弱的光信号转换成为电流信号，然后再经过放大电路将电流信号转换成电压信号，由于电流信号比较微弱，只有经过有效的放大之后才能够对其记录下来，前置放大电路就可以实现这一功能，但是如果前置电路设计的不合理将会对掺杂进来的噪声信号等进行放大，从而影响了电流的质量，因此本文就光电探测器前置放大电路的设计与研究具有重要意义。
1 光电探测器的工作条件（1）说明偏置情况。
光电探测器基本上都需要在某种形式的偏置条件下工作。
比如光电磁探测器的偏置是磁场，而电阻测辐射热气以及光电导探测器则需要直流偏置电源。
探测器的噪声与信号通常和偏置的情况有关系，所以一定要注明偏置情况。
（2）光敏面面积。
光敏面的尺寸面积也影响探测器的噪声与信号，通常情况下，光敏面的面积与探测器的信号噪声成一定比例。
（3）工作温度。
大部分探测器，工作温度都会影响到其噪声与信号，其中由半导体材料制成的探测器最为明显。
因此，一定要明确探测器的工作温度。
常用的工作温度有：液氢温度（22.4K）、液氯温度（4.2K）、液氮温度（77K）等。
（4）电路的宽带与通频带。
由于噪声的影响使得探测器失去了极限性能，噪声的电流与电压都与宽带的平方根成正比例，因此在对探测器的性能进行描述的时候，一定要确定电路的带宽与通频带。
（5）辐射源的光谱分布。
大部分光电探测器的响应信号都与辐射源的波长有关系，他们都是对特定范围内辐射波长信号有响应，其中光子探测器表现最为突出。
微弱信号检测的前置放大电路设计研究
微弱信号检测的前置放大电路设计研究摘要：当前在现代农业生产发展中，检测微弱信号越来越受到高度重视，尤其是在精准农业产业发展过程中。
本文以电压电流转换设施为载体，对微弱信号检测前置放大电路设计的相关技术要求进行了阐述，并且通过具有远程集成控制的电路器件的选用和抗噪影响的技术改进，对在电路设计中应当注意的一些技术要点进行了分析，而且经过微弱信号检测，结果比较安全科学。
关键词：微弱信号；检测前置；放大电路；设计分析一.前言近年来，随着现代农业的不断发展，通过在安全、高效的时限内采集收取农田生态条件和农作物生产资料，并且实现肥料、水分、农药等精准作业，有效地防范和杜绝生态破坏、环境污染问题，实现农业生产经营经济、社会、生态效益最大化的精准农业，得到了前所未有的健康发展。
生物传感设施在上述信息资料的采集取得中具有很大的作用，比如，在精准农业种植物施水灌溉过程中需要充分考虑空气指数和土壤中水分的含量，利用传感设施对这些信号的变化情况进行检测，及能够实现精准农业灌溉的良好效果。
所以近年来很多生物传感设施在精准农业中的生态条件、农作物生长环节等信息采集检测上得到了很好的应用。
不过由于一些农作物自身具有的生理属性，存在着一定程度的微弱信号，很多电流和电压信息都无法满足级次需求，因此，便设计了前置放大电路，通过这种选系统结构来检测微弱信号的相关信息。
笔者试就微弱信号检测的前置放大电路设计中应当把握的技术要点，谈些粗浅的认识。
二.微弱信号检测前置放大电路设计中应当把握的技术要点2．1 前置放大电路系统结构一般来说，微弱信号是生物传感设施形成的信号，通常频率不是很高，在对具有一定差异性的农作物自身属性进行检测的时候，能够获取一定的电流和电压数值。
而要获取这样的电流信号资料，需要先将其转换生成电压信号，并且利用电路系统的放大功效，在滤波设施的作用下，降低频率较高的噪音影响（如图1）。
（图1 微弱信号检测前置放大电路系统结构示意图）由于传感设施形成的信号是微弱的，很可能遭受噪音的干扰，因而在放大仪器的选用上通常倾向于仪表设施。
微弱光信号的光电探测放大电路的设计
ｄｅｅ ｔｏ ｏｒ ｔ ｃｉ ｎ ｆ ｗｅ ｋ ｓｇ ｌ ｍｐ ｉｙｎｇ ｈｅ ｉｎａ －ｔ ｎｏｓ ａ ｉ ｎｄ ｈｅ ｔ ｂｌｔ ｐ ｏ ｌ ｍ ，ｈｅ ｅ ｉｎ ｏ ｌｗ ｎｏｓ ａ ｉｎａ ａ ｌｆ ｉ ｔ ｓｇ ｌ ｏ－ ｉｅ ｒ ｔｏ ａ ｔ ｓａ ｉｉｙ ｒ ｂ ｅ ｔ ｄ ｓｇ ｆ ａ ｏ ｉｅ ｐ ｔｅ ｅ ｔ ｃ ｓｇ ａ ｍｐ ｉ ｎ ｉｃ ｔ ａ ｉｅ ｈ ｉｃ ｔｐａ ａ ｔｒｓ ｌｃｉ ｎ ｍｅ ｈ ｄ ｈｏｏ ｌ ｃｒ ｉｎ ｌａ ｌｆ ｇ ｃ ｒｕｉ， ｎｄ ｇｖ ｓｔ ｅ ｃｒ ｕｉ ｉ ｙｉ ｒ ｍｅ ｅ ｅｅ ｔｏ ｔ ｏ
了噪 声 ，而且 必 然 还 会 附加 一 些 额外 的 噪声 ，例
１ 基 本 电路
光 电二 极 管作 为 光 探 测 器 有 两种 应 用 模 式
收 稿 日期 ：０１ — ４ ２ ２ ２ ０—４
如图１ 所示 。
基 金 项 目 ： 部 级 以 上 基金 资 助 项 目ｆ 须 要 有 编 号１ 省 必
摘
要 ：分析 了微 弱光 信 号放 大 电路 的基本 工 作原 理 ，针 对光 电探 测 中对 微 弱信 号放 大带 来
的信 噪 比和稳 定性 问题 ，设 计 了一种低 噪 声光 电信 号放 大 电路 ，并给 出了电路 参数 选择 方法 。
关键 词 ：光 电探 测 ；光 电二极 管 ；放 大 电路 ；噪 声模 型
号 的 幅值 ，才 能 提 取 出有 用 信 号 。本 文 针 对 检 测 微 弱光 信 号 的光 电二 极管 放 大 电路 ，综 合 分 析 了 其 电路 噪声 、信 号 带 宽及 电路 稳 定 性 ．在 此 基 础 上 设计 了一 种 低 噪 声 光 电 信 号放 大 电路 ，并 给 出 电路 参数 选择方 法 。 ｅ ：监。
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光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计
光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术［1］。
它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示［2］。
光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。
它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的［3］。
然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。
微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比
1光电检测电路的基本构
光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
其光电检测模块的组成框图如图 1 所示
2光电二极管的工作模式与等效模
2．1 光电二极管的工作模
光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图 2 所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。
图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。
事实上，在反偏
置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流 1。
而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］
一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。
本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式
2．2 光电二极管的等效电路模
工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图 3 所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。
图中，IL 为二极管的漏电流
；ISC 为二极管的电流；RPD 为寄生电阻；CPD 为光电二极管的寄生电容；ePD 为噪声源；Rs 为串联电阻
由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。
在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为 CPD 和 RPD，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。
CPD 是由光电二极管的 P 型和 N 型材料间的耗尽层宽度产生的。
耗尽层越窄，结电容的值越大。
相反，较宽的耗尽层(如 PIN 光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。
硅二极管结电容的数值范围大约在 20 或 25pF 到几千 pF 以上。
而光电二极管的寄生电阻 RPD(也称作"分流"电阻或"暗"电阻)，则与光电二极管的偏置有关
与光伏电压方式相反，光导方式中的光电二极管则有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。
当此电压加至光检测器件时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容 CPD 的值。
寄生电容值的减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化。
这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流 IL 和线性误差
3电路设
3．1 主放大器设
众多需要检浏的微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量的转换，从而使检测对象转变为电量(电流或电压)。
由于所测对象本身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。
本设计中的光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用，但后续电路一般为 A／D 转换电路，所需电压幅值一般为 2 V。
然而，即使是这样，而输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍，因此还需应用主放大电路。
其典型放大电路如图 4 所示
该主放大器的放大倍数为 A=l＋R2/R3，其中 R2 为反馈电阻。
为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的 R2 和R1 值，以便得到所需幅值的输出电压。
即
3．2 滤波器设计
为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设计时还需要用带通滤波器对信号进行处理。
为保证测量的精确性，本设计在前置放大电路之后加人二阶带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引人的噪声。
这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号，而抑制该频段以外的信号。
该滤波器的幅频特性如图 5 所示。
图5 中，f1、f2 分别为上下限截止频率，f0 为中心频率，其频带宽度为
B=f2-f1=f0/
式中，Q 为品质因数，Q 值越大，则随着频率的变化，增益衰减越快。
这是因为中心
频率一定时，Q 值越大，所通过的频带越窄，滤波器的选择性好
有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运算放大器等有源器件的滤波电路。
这种滤波器相对于无源滤波器的特点是体积小、重量轻、价格低、结构牢固、可以集成。
由于运算放大器具有输人阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性，且构成简单而且性能优良。
本设计选用了去处放大器来进行设计。
本设计选用了去处放大器来进行设计
图 6 所示的二阶带通滤波器是一种二阶压控电压源(VCVS)带通滤波器，其滤波电路采用有源滤波器完成，并由二阶压控电压源(VCVS)低通滤波器和二阶压控电压源高通滤波器串接组成带通滤波器
对于第一部分，即低通滤波器，系统要求的低通截止频率为 fc，其传递函数为
第二部分为高通滤波器，系统要求的高通截止频率为 fc，其传递函数如下
4完整的检测电路设计
本光电检测系统设计的完整电路如图 7 所示。
为方便表示，电路中的 R2、R3 即为前
面等效电路模型中的 RT、RF。
前级部分由光电转换二极管与前级放大器组成，这也是光电检测电路的核心部分，其器件选用高性能低噪声运算放大器来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。
然而，虽然前级放大倍数可以设计得很大，但由于反馈电阻会引入热噪声而限制电路的信噪比，因此前级信号不能无限放大
5结束语
本文研究了光电检测系统的原理和设计方法。
通过从经济和实用的角度对相关的光电转换器件和前置放大器进行了选择和电路设计，从而确定了关键元器件的参数。
实际使用证明：该设计可以满足一般光电检测场合的需要。