光电集成电路

2024-05-27

光电集成电路（共9篇）

光电集成电路篇1

在工业现场模拟信号的采集过程中,抗干扰是首先要解决的问题。如果不经隔离,各种电磁干扰信号就会和被测信号一起进入测量系统。干扰信号叠加在被测信号上,一方面降低了测量的准确度;另一方面,尖峰电磁脉冲将会给后级电路系统带来严重的破坏[1,2]。所以,模拟信号必须和后级的采集电路在电气上完全隔离。光电耦合器件利用光电转换,使用光信号进行信号传输,抗干扰能力强,性能良好,被非常广泛的应用在数传和采集系统信号隔离中[3,4,5]。但是光电耦合器件由于发光二级管和光敏三极管的伏安特性,非线性失真非常严重,一般仅仅应用在数字信号的隔离中,对于模拟信号,不能直接使用光电耦合器件来进行隔离。对于数字光耦,可以使用反馈改善其输入输出的线性度,从而使用数字光耦得到模拟光电隔离电路。在此使用数字光耦TLP521-2和集成运放LM2904设计了深度负反馈电路,大大提高了光耦的线性度。试验表明:使用用数字光耦,经过负反馈电路设计,可以实现高精度的信号隔离。

1 数字光耦TLP521-2

TLP521-2是东芝公司的数字光耦器件,该芯片内部封装了两路独立的光耦,每一路光耦由一个发光二级管和一个光敏三极管组成。耦合原理:当给发光二级管加正向电压时,二极管导通发光,光线照射在光敏三极管的感光面上;如果同时给三极管的CE级加正向电压,则三极管的CE级产生集电极电流输出[2]。TLP521-2内部结构和管较排列如图1 所示。

由于二极管和三极管的伏安特性,光敏三极管集电极电流Ic和发光二极管正向电压Vf不是线性的[6,7,8],曲线图如图2所示。

2 深度负反馈电路设计

使用深度负反馈可以改善系统的线性度,根据这个原理,在此设计了模拟信号的光电隔离电路。在该电路中使用了1片LP521-2光耦和2片LM2904集成运放。LP521-2有两路光耦,其中一路用于信号转换,一路用于负反馈;运放2904-1A用于用于组成负反馈电路,运放2904-2A构成了电压跟随器,用于增加电路带负载能力。模拟信号光电隔离电路如图3所示。

电路输出电压和输入电压是线性关系:LP521-2的两路光耦通道的发光二极管串联,通过2个二极管的电流If1=If2。因为两路光耦封装在1个器件中,光电特性基本一致,理想情况下可以认为两路光耦的集电极输出电流相等,即Ice1=Ice2。

根据理想运放的性质[9],可以得到下面的公式:

$\begin{array}{l} V_{i} = Ι_{c e 2} R_{1} (1) \\ V_{o} = Ι_{c e 1} R_{2} (2) \end{array}$

所以Vo=(R2/R1)Vi,输出电压和输入电压成正比,比例系数由R1和R2确定。

3 电路具有输出保护功能

输出电压Vo=VCC-Vce,其中,Vce为光敏三极管c,e极的压降,所以,当输入电压很大时,输出电压Vo的值也不会超过VCC。这样就保护了后续电路,不受冲击电压的影响。增大VCC可以增大隔离电路的量程。

4 电路静态特性

使用可调稳压电源产生各种一系列不同电压加光电隔离电路输入端,并使用高精度数字万用表测量电路的输入/输出值,得到电路输入输出特性。表1列出了输入输出的典型值。(R1=R2=1 kΩ,VCC=12 V)。根据试验数据得到电路的输入输出曲线,如图4所示。

使用线性拟合[10],得到电路的理想特性曲线为:y=1.005 3x+0.003,线性度为0.014%。

5 结语

光电隔离是模拟信号采集的一项关键措施,在此设计了线性光电隔离电路,该电路能实现模拟信号的隔离。当输入电压在在0~5 V范围内时,输出误差最大为27 mV,线性度达到0.014%。

参考文献

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[10]何菊明.试验数据的线性拟合及计算机处理[J].武汉工程大学学报2008,30(1):117-119.

光电集成电路篇2

姓名：张朝祥学号： 084822180班级：08光电A 1班

成绩

实习时间：2010年9月

实习地点：16号楼514室

上海第二工业大学

2010-2011学年第1学期光电专业综合实践实习报告时间：2010年9月地点：16号楼514室

姓名：张朝祥学号：084822828班级：08光电A 1 班成绩：

签名：

这次光电专业综合实践课程上了三周的时间，通过这三周的学习，包括上课，参观欧姆龙和看《光的故事》影片，让我对光电专业技术和其运用的领域有了一些了解，在一次次动手实验的过程中，对一些光电器件有了一些初步的认识。

本次的课程从三棱镜的分光实验开始，了解三棱镜分光作用的原理基于三棱镜表面对光线的折射作用，和光线入射的角度。由于三棱镜对不同波长的各色光具有不同的折射率。因此当三棱镜中入射光则三棱镜对不同色光具有不同的折射率。各色光经折射后的折射角将不同。因此通过三棱镜出射时，各色光的偏角也随之不同。所以，白光经过三棱镜折射以后将分解成各色光并呈现出一片按序排列的颜色。这种现象称之为光的色散。以可见光作为入口来了解光的本质到底是电磁波，可见光仅仅是整个电磁波段上的一部分。

之后上了辐射度域与光度学的实验，了解辐射度学与光度学的的区别。描述电磁辐射的物理量既为辐射量，也可以用来描述可见光;可见光是能对视觉形成刺激并能被人感受的电磁辐射，因而人们就用视觉受到刺激的程度，既视觉感受来度量可见光。按这种视觉响应原则建立的表征可见光的量称作光学量。由此可见，辐射度量适用于整个电磁波段，光学量只适用于可见光波段。为了了解辐射度和光度学的一些基本概念，查阅了《工程光学基础教程》，帮助理解两种概念体系的区别和联系。辐射能：以电磁辐射形式发射传输或接受的能量称作辐射能。辐射通量：单位时间内发射传输或接收的辐射能称之为辐通量。辐射出射度：辐射源单位面积发出的辐通量。辐射照度：辐射照射面单位面积上接受的辐射量。辐射强度:点辐射源在某方向上单位立体角内传送的辐射通量。辐射亮度：表示面辐射源上某点在一定方向上的辐射强弱的物理量。面辐射源的辐射亮度L：辐射源在某一方向的单位投影面积在单位立体角内的辐射通量，称为辐射亮度。光通量：标度可见光人眼的视觉刺激程度的量称为光通量。光出射度：光源单位面积发出的光通量。光照度：单位受照面积接受的光通量。发光强度：点光源在单位立体角内发出的光通量。同时在该实验中接触了两个光电实验的基本器件，光照度计和光功率计。通过导线将他们连接到主机箱上就可以测得当前的光的照度和功率。

光敏电阻实验，接触了第三个光电器件光敏电阻。它是用观点导体制成的光电器件，又称光导管。基于半导体光电效应工作的。光敏电阻没有极性，单纯是以个电阻器件，使用时可加直流电压，也可加交流电压。当无光照射时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，因此电路中的电流迅速增加。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小，则性能越好，也就是说，暗电流要小，光电流要大，这样的光敏电阻的灵敏度就越高。之后我们有依次进行了光敏二极管，光敏三极管的特性实验。光敏二极管是一种光伏探测器，主要利用了

PN结的光伏效应。当入射光的强度发生变化，通过光敏二极管的电流随之变化，于是在光敏二极管的电压也发生变化。光照时导通。光不照时截止。光敏三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极和集电极并联：集电极-基极产生的电流，输入到三极管的基极再放大。不同之处是，集电极电流（光电流）由集电结上产生的电流控制。集电极起双重作用：把光信号变成电信号起光电二极管作用;使光电流再放大起一般三极管集电结作用。一般光敏三极管只引出E,C两个电极。运用光敏器件可以组成自动的光控开关，在光照暗的时候自动开启，在室内照明车厢照明等都有着广泛的运用。

光开关实验，光开关分为辐射式，反射式，遮挡式和透射式，用发光二极管和光敏三极管实现透射式开关。光电开关可以由一个光发射管和一个接受管组成（光耦和光断续器）。当发射管和接收管之间无遮挡时，接收管有光电流产生，一旦此光路中有物体遮挡时光电流中断，利用这种特性可制成光开关用来工业计数和控制，还可以在工人进行车床操作时，通过该透射式开关特性来判断是否有工人得手臂或其它部位触碰到车床，如果有及时的停止车床工作可以保护工人的人身安全。红外线反射式观点开关是用红外线开光模块（ON2152 反射式光耦）来实现，由一个红外发射二极管和红外三极管组成。当物体接近时，发射管发射的红外线被物体发射回来被接收管接收，再接上放大和控制电路，可用作楼道口等处作电灯自动开关。当有人经过时，控制楼道灯亮。通过延时电路控制，经过若干秒后，楼道灯自动熄灭。

硅光电池实验，光照射到光电池P-N结行时，便在P-N结两端产生电动势。这种能将光能转化成电能的现象叫做‘光伏电效应’。我们知道传统的能源运用比如燃烧煤炭，汽油等会对环境产生相当大的破坏。发展新型环保能源无疑将使未来的能源发生革命性的变化。光调制解调实验分为光脉冲调制实验和光音频调制实验。光束是一种电磁波，具有振幅相位强度和偏振等参量和良好的相干性。如同实现运用无线电波作为载体传播声音一样，也可以将光作为载体来实现信号的传播。比起无线电波，光作为载体传播的更远，抗干扰性更强。在光纤中传播的大多数是激光，因为激光的频率、振动方向、相位高度一致，相干性好的特点使其适合作载体。

高速微型光电检测电路设计篇3

现代技术的发展越来越系统化和标准化,同时,实际工程对技术的需求变得越来越多样化和个性化。对于检测技术也是这样,标准化的展品越来越难以满足个性化的现实需求,而定制产品可以更好地满足某些个性化的工程需求。

1 性能要求

在某项目中,通过对项目需求的挖掘分析,提出了光电检测前端的功能要求及技术指标。要求光电检测的线性阵列的响应周期时间为11μs~22μs,上升时间不大于10ns,阵列中每个光电检测单元的中心间距不大于2mm。

2 分析

在光电检测中,常用的元件有CCD(电荷耦合元件)、PD(光电二极管)、P T(光敏三极管)和APD(雪崩光电二极管)。其中,CCD由于信号串行输出,响应速度很慢;PT的响应时间为10μs级;PD的响应时间为10ns级,而且价格比较便宜;APD技术性能优异,但价格昂贵,物理尺寸大,很难做成规模较大的精密线阵。

硅光电二极管PD通常是用在光电导工作模式下。在无光照射条件下,若给PN结加一个适当的反向电压,则反向电压会加强内建电场,使得PN结空间电荷区拉宽,势磊增大;当PD被光照射时,在PN结区产生的光生载流子将被加强了的内建电场拉开,光生电子被拉向N区,光生空穴被拉向P区,于是形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。光电流比无光照时的反向饱和电流大得多。相同条件下,光照越强,产生的载流子越多,光电流就越大。硅光电二极管PD的等效电路如图1。

为提高设计效率,采用自下向上的模块化方法。把一个硅光电二极管及其放大电路设计为一个基本单元电路,再把多个单元电路设计为一个光电检测线性阵列。

3 元件选择

通过分析项目约束,选择硅光电二极管PD15-21B。PD15-21B的数据手册的关键参数如表1所示。

硅光电二极管PD15-21B的有效感光面积为0.3mm2×0.3mm2。另外,硅光电二极管PD15-21B的电流-光照特性是显著线性的,伏安特性的线性也较好,过度时间短,温度漂移也较小。

所以硅光电二极管PD15-21B是理想的红外光检测元件,满足项目的技术要求和经济性要求。

放大电路的设计,既要满足电气性能要求,也要满足物理性能要求。常用的有运算放大器放大电路和三极管放大电路。对于运算放大器放大电路(如图2所示)而言,一般的运算放大器的截止频率太低,难以与光电二极管PD15-21B的上升时间和下降时间匹配,供电、外形尺寸和价格都较难满足工程要求,所以无法使用。

对于三极管放大电路,由于三极管的放大倍数有限,所以单级放大电路难以输出标准的电平供后续电路进行逻辑处理。所以采用两级三极管放大电路较为合理。

选择Philips Semiconductors生产的BCM847BV双NPN三极管,其单管的直流放大倍数典型值为250(VCE=5 V;IC=10μA),截止频率典型值为250MHz(最小值为100MHz),双管为SOT666封装,外轮廓线最大为1.7mm2×1.7mm2。

4 电路设计

用硅光电二极管PD15-21B作为敏感元件,BCM847BV作为放大元件,构成的光电检测电路如图3所示。当PD未被激光束照射时,T1截止,T2基极正偏,T2导通,输出Vo为低电平;当PD被激光束照射时,T1导通,T2基极反偏,T2截止,Vo输出为高电平。

本单元电路在项目中所构成的光电线性阵列前端,其中横向阵列局部的PCB板图如图4所示。每一个单元电路的宽度为2mm。

5 实验

一个宽度为9mm的遮光器,以200m/s的速度遮断照射一个单元电路的PD15-21B的红外激光束,并测试放大电路的输出。此实验相当于在PD上形成一个宽度为44.8μs,上升时间和下降时间均为1.5ns的暗光脉冲,经过光电转换、放大和计算,期望的理想输出一个宽度为44.8μs,上升时间和下降时间均为1.5ns的高电平脉冲。放大电路的输出波形(根据示波器波形绘制)如图5所示。放大电路的性能指标如表2所示。

实测波形前沿比较陡峭,上升时间为6ns,完全满足10ns的要求。脉冲宽度与设想一致。输出高电平为5V,低电平近似0V,非常理想,适合后续电路并行处理。

6 结论

用硅光电二极管PD15-21B作为敏感元件,BCM847BV作为放大元件,构成的光电检测电路精简、灵敏度高、过度时间短且输出TTL电平的物理尺寸非常小,所构成的线性阵列电路性能指标完全满足项目的要求。

摘要：本文分析了高速微型光电检测电路具体项目的技术要求,提出了电路设计的功能及技术指标,合理地选择了满足快速性要求的电路结构和满足电气性能与物理性能要求的元器件,设计了精简的二级三极管光电放大电路。通过测试,电路性能指标满足项目的需要。

关键词：光电检测,光电二极管,放大电路

参考文献

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[2]曾光宇,张志伟,张存林.光电检测技术(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2009:62.

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[5]占建明,汶德胜,王宏,等.基于光电二极管的前置放大电路噪声分析[J].集成电路设计与应用:2011,36(4).

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[8]陈增标,李志锐.自扫描光电二极管阵列的输出信号探讨[J].内江科技:2011(6).

光电论坛学习心得篇4

上一周在张老师的带领下我们班围绕光电组织了一个论坛，这对我们学习光信息的同学来说可以算是长了大见识了。尤其是在激光这一块，目前在海内外光电产业及相关产业界已形成了每年采购和技术交流的盛会。本次论坛我们学习到了光学行业分为那些？光通信行业分为那些？LED又分为那些？

光学行业

光学材料/晶体，薄膜及镀膜产品，镀膜材料，光学辅料，镀膜及加工设备，光学镜片，光学设计，滤光/分光，光传感及光源，光学元器件，光学芯片模组，非球面元件，光学镜头，CCD/CMOS，光学加工，显微镜及系统，分析仪器，相机相关，摄像相关，舞台灯光，眼视光学，望远镜，光衍射/干涉，光学检测，光谱相关，光学安全，光折射/反射。

光通信行业

光纤预制棒，光纤光缆，光栅，设备及辅料，有源器件，无源器件，光复用器件，光放大减器件，连接/耦合器件，调制转换器件，光网络设备，光传输设备，客户端设备，光交换机，配线设备，连接/传感/检测设备，其他器件及产品。光电器件

光盘材料，激光头，光盘制造设备，光驱芯片，光驱元组件，光盘母盘，光盘检测设备，CD/DVD光盘，刻录机，光驱，CD/VCD/DVD机，其它存储产品。

LED类

发光材料，有机发光材料，外延材料，衬底及原材料，芯片，辅料及

设备，LED器件，数码管/点阵，OLED器件，封装模块/光源，驱动IC/控制及电源，封装材料，封装及测试设备，半导体照明，LED显示，交通信号，LED汽车应用产品，OLED显示及照明，景观灯饰，LED背光源，其他(O)LED应用。

这些行业都对于我们光信息专业非常重要的，并且这更有利于我们学习我们的专业知识。

光电转换电路的设计与优化篇5

光电技术是将传统的光学技术与现代电子技术与计算机技术相结合的一种高新技术[1].以光电转换电路为核心的光电检测技术已经被广泛地应用到军事、工业、农业、环境科学、医疗和航天等诸多领域.所谓的光电转换是以光电二极管为基础器件,通过将照射于二极管上光通量的改变量转化为相应的光电流,再经过前置放大、主放大等后续电路进一步优化有用信号,最后实现与上位机与相应算法的连接.由此可见,任何光电检测系统中,光电转换电路的设计与优化都是重中之重,它性能的稳定以及相关参数的合理性将决定着整个检测系统的设计成败.

1 光电转换-前置放大电路的设计

光电二极管在受到光照时,会产生一个与照度成正比的小电流,因此是很好的光-电传感器.光电二极管可以在2种模式下工作,一是零偏置的光伏模式;一是反偏置的光导模式[3],具体电路如图1所示.在光伏模式时,光电二极管可以非常精确地线性工作; 而在光导模式时,光电二极管能够实现较高的切换速度,但要牺牲线性;同时,反偏置模式下的光电二极管即使在无光照条件下也会产生一个极小的暗电流,暗电流可能会引入输入噪声.因此选用光伏模式.

理想的光电二极管有恒流源的特性,当其负载电阻为零时输出特性较好,而由理想放大器构成的前置放大电路又有“虚短、虚断”的概念,其输入阻抗Rin=Rf/(1+A),式中,A为运算放大器的开环增益,Rf为反馈电阻.一般而言,A≥106,所以Rin≈0;即保证了光电二极管在光伏模式下的线性工作特性.通过反馈电阻将光电二极管与运算放大器相连接,将其产生的微弱电流通过较大的反馈电阻Rf形成压降,从而实现光通量的改变——光电流——电压的I/V前置放大转换.

光电二极管的选择依据:

图2中Isc为光电流;Rd为二极管内阻;Cd为二级管结电容;Ins为二级管的散粒噪声电流;Ind为二极管内阻的热噪声电流.光电二极管与后续的理想运放构成前置放大电路时,影响其性能参数的因素主要是以下几点:

(1)反馈电阻Rf;反馈电阻越大,输出电压越大,通常取几百千伏或几十兆伏,但反馈电阻的选择也存在上限,因为前置放大与后续处理电路相连时会受到输入电压匹配的限制,同时过大的反馈电阻会使电路产生自激震荡;

(2)设计合理的通频带;通过电容Cs与反馈电阻Rf的并联,构成低通滤波电路,其上限截止频率为1/2∏·Cs·Rf.上限截止频率越小,信号输出信噪比越好;但较小的上限截止频率会使信号产生频率失真,具体使用时要根据实际情况调试而定;

(3)光电转换产生的光电流越大,前置放大得到的输出电压越大,因此要尽可能选用灵敏度高的二极管,同时提高光信号的照射功率以增大光电流;

(4)选用内阻较大,结电容较小的光电二极管,同时保证工作温度恒定,减小因环境温度升高而带来的额外的输入噪声.

2 主放大电路的设计

由于前置放大只是将微弱的光电流转换为电压信号,在进行实际处理时还要进一步放大,因此设计第二级主放大电路,通过阻容耦合与前置放大电路相连.

由仿真结果可以看出光电二极管产生的微安级的弱光电流经前置放大电路可输出毫伏级的电压,所以仍需通过主放大电路进行后续处理.主放大电路如图4所示;R1～R5电阻可实现电压放大倍数的多档可调,即所谓的灵敏度调节.

3 电路的优化设计

在实际光电测试系统中,还应对光电转换电路进行诸如降噪、滤波、去耦等优化处理,以实现较大的信噪比、信号稳定性以及高灵敏度等特点.具体的优化措施有以下几点:

(1)由于运算放大器是双电源器件,通过合理的选择偏置电阻使光电转换前置放大电路的输出电压达到合适的幅值(即设置适当的静态工作点),以获得最大的电压摆幅,避免饱和失真.如图6电路所示,电压输出设置于-4 V左右,避免因强烈的环境光造成的饱和失真.

该放大电路经过仿真以后从波形中可以观察到输出电压被拉低到-4 V左右,实现了合理设置静态工作点的目的;

(2)正负电压由运算放大器的4、7管脚引入,同时设置旁路电容构成滤波电路,消除电源纹波的干扰,降低输入噪声,提高信号信噪比;

(3)考虑到不同光电检测系统的使用环境,对于那些有强环境光干扰的测试场所,可以在电路设计之初就运用双光电二极管,使其中一个暴露于测试环境中并与前置放大器反接,达到消除杂散环境光干扰的作用;

(4)在电路的制板过程中还会因为器件排列、布线、线宽以及制作工艺等诸多因素引入噪声,对测试结果产生一定的影响;针对这些因素对PCB板的设计提出以下几点建议:

a.要求PCB出图时光电转换器件与前置运放间的信号线尽可能短;

b.VCC、GND等特殊网络的线宽要超过其他网络的线宽,推荐50 mil左右;

c.如果电路比较复杂,还应设计专门的电源层与接地层;

d.布线时两条走线之间应保持一定间距,避免产生电容效应,且走线以水平方向与竖直方向为最佳;

e.敷铜设计时最好将电源与运放隔开,不要整板敷铜,避免噪声干扰;

(5)在电路板的使用过程中要采取一定的屏蔽措施,如添加金属外壳(避免空气中高频电磁波的干扰),或接地(消除噪声)等;

基于以上设计原则,设计光电转换放大电路并制板,以玩具气枪模拟真实弹丸验证该测试系统,搭建400 mm×10 m的有效靶面,分别从有效靶区范围内0、5、10 m处在400 mm光幕的上、中、下3个不同光强区域验证弹丸过靶信号;噪声稳定保持在100 mV左右,而最弱区域有用信号达到2 V上下,性能较为稳定,信噪比好,能够满足测试需求.

4 结束语

文中对光电转换电路设计中可能遇到影响其性能参数的诸多因素作出了详尽的分析与讨论,通过合理的选择调试器件参数,可以使检测系统的性能趋于最佳,对于较为微弱的光信号也有探测能力.在实际应用当中,还应根据具体问题具体分析,才能设计出满足不同需求的光电转换电路测试系统.

摘要：通过对光电转换电路的前置放大及主放大电路设计的详细分析研究,给出了电路放大、滤波、降噪等优化处理方法,实现了将有用信号从噪声中分离并输出的目的.对光电转换电路从原理设计到最终制板过程中影响其性能参数及稳定性的因素进行了深入的探讨,提出了对电路器件选择、排列、布线以及降噪等方法的选择标准和依据.

关键词：光电转换,前置放大,光电二极管

参考文献

[1]刘斌,张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报,2003,27(3):194-196.

[2]李威,罗春华,杨臻.基于光电信号转换原理与单片机的弹丸测速系统[J].机械管理开发,2008,23(6):29-30.

[3]刘卫东,刘延冰,刘建国.检测为弱光信号的PIN光电检测电路设计[J].电测与仪表,1994(4):28-30.

光电编码器电路原理分析篇6

在数控机床的控制系统中, 为保证数控机床的加工精度要求, 检测装置则是数控机床的重要组成部分。用以准确的测量出当前工作台的位移量或丝杠的转角, 并将测量结果反馈给控制系统。建立完善的闭环数控系统是数控机床保证加工精度的前提。精密的检测装置是数控机床加工精度的重要保证。

2、检测装置的种类

数控检测装置从不同的角度看可分为不同的类型;

(1) 按测量方法分为增量式和绝对式两大类。绝对式是指直接把被侧转角或位移转换成相应的代码, 指示出绝对位置, 没有累积误差, 而且除电源后位置信息不会丢失;增量式检测装置是测出被测转角或位移量的相对值, 通常以滑尺相对定尺的位移量, 且以机床或工件上某一点为参考点, 反映工作台或刀具相对某参考点的增量。

(2) 按检测装置的运动形式分为旋转型和直线型两类。直线型位置检测装置用来测量运动部件的直线位移量;旋转型位置检测装置用来检测回转部件的转角量 (转动位移量) 间接测量其直线位移量。从信号的转换原理可分为光电效应、光栅效应、电磁感应、压电效应、磁阻效应等类型的检测装置。

3、脉冲编码器分类和结构

脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。它把机械转角变成电脉冲, 是一种常用的角位移传感器。脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。光电式的精度与可靠性都优于其他两种, 因此数控机床上只使用光电式脉冲编码器。

增量式光电脉冲编码器最初的结构就是一种光电盘。在一个圆盘的圆周上分成相等的透明与不透明部分, 圆盘与工作轴一起旋转。此外还有一个固定不动的扇形薄片与圆盘平行放置, 并制作有辨向狭缝 (或狭缝群) , 当光线通过这两个作相对运动的透光与不透光部分时, 使光电元件接受到的光通量也时明时暗地连续变化 (近似于正弦信号) , 经放大、整形电路的变换后变成脉冲信号。通过计量脉冲的数目和频率即可测出工作轴的转角和转速。

4、光电脉冲编码器电路的工作原理

以CZ6132数控车床主轴电机上所使用的SZLF-102.4BM-C05L光电脉冲编码器为例, 分析电路工作原理。原理图如图1所示。

该脉冲编码器是采用圆光栅的光电脉冲编码器。每转产生1024个脉冲, 光线由光源G发出, 当光线透过圆光栅和指示光栅的线纹后, 在光电元件上形成明暗相间按正弦规律分布的莫尔条纹, 当圆光栅随电机转动时, 莫尔条纹也相应的移动, 则光电元件上的光线强弱发生变化, 光电元件将变化的光信号转换成近似正弦波的电信号。D1、D3为A组, D2、D4为B组, 每组的两个光电元件在莫尔条纹光线上的对应位置相位相差180度, 两组所对应的元件D1与D2 (D3与D4) 在相位上相差90度。两组光电元件产生相位相差90度的正弦波的信号, 两组信号分别加到电压比较器A1、A2。以图中A相为例分析信号传输过程。在正弦波正半周时, A1同相端IC1 (LM339N 9脚) 为高电平, 反相端IC1 (8脚) 为低电平 (电位差只有零点几伏) , 经比较器A1 IC1 (14脚) 输出高电平 (+5V) 。相反, 在正弦波的负半周, A1同相端IC1 (9脚) 为低电平, 反相端IC1 (8脚) 为高电平, (14脚) 输出低电平 (0V) 。A1的输出IC1 (14脚) , 直接送到IC2 (KS74HCTLS12N) 的3、4、5脚 (为三输入端的与非门, 三个输入端接到一起作为非门电路使用) , IC2的6脚输出经R13, 送到IC3 (MC3487N) 的7脚, 经功放处理, 由IC3的5、6脚输出, 6脚输出信号与输入信号相位相同, 5脚输出信号与输入信号相位相反。

在应用时, 从脉冲编码器输出的四个方波被引入位置控制电路, 经辨向和乘以倍率后, 变成代表位移的测量脉冲。经频率---电压变换器变成正比于频率的电压, 作为速度反馈信号, 供给速度控制单元, 进行速度调节。

5、结语

数控检测系统的种类比较多, 这里给出了光电脉冲编码器的电路原理图, 介绍了编码器的结构及工作原理, 详细分析并画出了正转时电路中个点的信号波形。从光源、光电元件到信息处理电路, 都从原理上作了细致的分析。力求达到了通俗易懂的目的。

摘要：本文以光电编码器为例介绍了数控检测系统的种类, 详细分析了光电编码器的结构原理。分析SZLF-102.4BM-C05L光电脉冲编码器电路原理, 把机械转角通过光电转换元件将变化的光信号转换成近似正弦波的电信号, 然后由放大电路、整形电路、经频率---电压变换器变成正比于频率的电压, 作为速度反馈信号, 供给速度控制单元, 进行速度调节。

关键词：编码器,增量式,圆光栅,莫尔条纹,光电效应

参考文献

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[4]王爱玲.现代数控原理及控制系统[M].北京:国防工业出版社, 2005.1.

光电集成电路篇7

多个文献论述了多光轴不平行性的室内测量方法[1,2,3]。高文静等研究了大口径平行光管在光轴平行性测量的应用[4]。史学舜等提出了一种光电跟踪仪光轴一致性测量装置[5]。在野外环境下,李建超等设计了激光可见光两光轴检测装置[6]。文中设计利用集成化光电靶标,对光电跟踪设备的空间分辨角度、光轴一致性和最大作用距离等参数的外场标校进行了研究。

1 集成化光电靶标的组成和原理

集成化光电靶标包括电视无源标、电视有源标、红外有源标、激光无源标和激光有源标等,主要用于远场对准和标校,精度和稳定度较高,可以对电视、红外、激光等光电设备进行标校。

图1为集成化光电靶标的组成及原理图[7]。其中,红外有源标相当于一个可以精确调节温度的黑体。激光无源标相当于角反射体,电视有源标一般由带定向反射镜的可见光源构成,激光有源标发射激光引导信号,对被测设备进行引导,使其对准靶标。以红外有源标为基准,其光轴作为系统光轴,几个分靶标之间光轴平行。各靶标固定级联在伺服转台上,可以实现不同角度的调节。

2 利用光电靶标对光电跟踪设备的标校

集成光电靶标按照严格的标准进行安装,其水平度、光轴一致性等指标要求严格。一般这种靶标是为了远场光电设备的校准设立,通常建在海拔高、视野开阔、可视性好的位置。

2.1 最小可分辨温差MRTD

针对红外热像仪的最小可分辨温差检测,通常采用标准的周期测试图案,4杆,每杆纵横比7:1。图2为周期测试靶示意图。

红外靶标的研究比较成熟[8,9]。采用一种可进行温度调节的标准黑体靶板,形状为正方形,温度调节精度为1o。采用在辐射面覆盖周期测试板的方法测量,距离选择为500 m。周期测试板采用杆镂空的绝缘不透明材料,调节红外靶标温度,使其与周期测试板温差由负到正逐渐变化。光电跟踪设备红外热像仪对准周期测试板,用小视场测量,使测试板在红外热像仪上成比较大的像,红外图像处理后能分辨出测试杆时,这个温差即为最小可分辨温差。

2.2 空间分辨角

测量空间分辨率在近场一般采用如图3所示的逐次加宽的方形杆,采用百分比分辨率表示空间分辨特性。百分比分辨率的定义:R=Ab/A,Ab为对某一特定尺寸的杆,仪器测出它与背景板之间的峰-峰值;A为环境板和目标源之间仪器测出的峰-峰值。改变被测系统与靶板之间的距离,就可以得到百分比分辨率和瞬时视场之间的关系,θ=S/L,S为靶标尺寸。

在外场测试中,近距离测量,选择空间分辨率板,材质选择不透明的绝缘材料,其中的方形杆用镂空孔替代。镂空分辨率板固定在红外有源标的前面,方形杆和周围形成温度差。光电跟踪设备对准靶标,对获得图像进行处理,得到最小可分辨间隔S,并以高度仪记录设备布站高度,以激光测距测出与靶标距离L,就可以得到最小可分辨率θ=S/L。改变与靶标之间的距离,可以得到不同的θ。理论上,最小分辨率不随距离变化,但是由于测量误差等原因,在较远距离测得的最小分辨率准确度高。空间分辨率测试布站示意图如图4所示。

2.3 光轴一致性标校

设红外视场中心与系统轴重合。以红外热像仪的视场中心作为基准,采用质心方式,图像中心对准红外有源标并稳定跟踪;记录红外图像,同时记录电视图像,以电视通道测量红外有源标和电视标之间的角度;测量系统对激光无源标可以稳定测距,靶标激光探测器可准确探测测距信号,则认为激光轴与红外轴平行。布站方式与分辨率测试相同。

以最小视场为例,容易计算得红外有源标与电视标都在视场内,于是两个标在各视场都能成像。如图5所示。

当d=0.3 m,R=3 km,α=0.005 7o=0.1mard,β也是这个量级。电视最小视场为1°,582个像素,所以红外和电视通道光轴平行时测量目标位置相差

l=11d,即β=10α时,红外和电视标垂直距离为36个像素,此时两光轴平行。如图6所示。

不同距离测得数据如表1所示。

从以上理论计算可知,在较近距离,电视和红外通道对同一目标的位置测量差别明显,距离越远,这种差别越小。

2.4 最大作用距离

对于光电跟踪设备,其通过红外成像或电视跟踪目标,其作用距离取决于目标的辐射能量和目标的大小,分为探测距离和识别距离。

目标对红外系统光学入瞳中心的张角小于系统的瞬时视场角时,可视为点源,对于热成像系统,只要目标像占据探测器的一个像元,并且信号足够大就可予以探测。无背景辐射下的作用距离为[10]

均匀背景下的作用距离表示为

其中,Lt为目标辐射亮度;At为目标的有效辐射面积;A0为红外光学系统有效接收面积;Ad为探测器光敏面积;D*为探测器探测率;D*max为探测器最大探测率;Δf为探测器电路带宽;Us为信号幅度;Un为均方根噪声幅度;k为红外系统对实际辐射体辐射功率的利用系数,正比于大气透过率;Lb为背景辐射亮度;kb为背景辐射功率的利用系数;(噪声等效功率)。到达最大作用距离探测时,信号幅度达到一个最小值。式中的变量仅仅是R和Ltk-Lbkb,可以得到

背景辐射在目标面和探测器面可以看作是相等的,即Lbkb为不变量。目标辐射在探测器上的能量可以用本身的能量辐射与大气透过率的乘积来表示

对固定探测器,目标成像灰度H与辐射量Ltk-Lbkb的关系确定。

实际测量时,首先确定透过率与距离的关系。固定红外有源靶标的温度,结合图所示,探测距离由小到大,每隔一个距离测量一个灰度,直至目标与背景不能分辨。红外有源标在图像上随距离成像灰度不同,每个距离上的接收能量即可得到,可以根据接收能量与距离关系,进行曲线拟合得到透过率与距离的关系。

固定测试距离,改变红外有源靶的温度,根据探测到的辐射量的变化可以确定背景辐射Lbkb

不同的目标有不同的辐射特性,其红外表征由温度决定。调节红外有源标的温度,在每个温度上,按照距离由小到大进行探测,直到目标和背景不能分辨,得到每个温度辐射下的作用距离。测试红外热像仪在不同目标辐射下的作用距离。

作用距离包括探测距离和识别距离。探测距离是指在某一个像元上能够有能量响应时的距离,识别距离则是在多个像元上有响应时的距离,响应的像元能够表达出某型目标红外特征[11]。

3 结论

文中利用集成光电靶标,在外场条件下,对光电跟踪设备的多种指标的标校方法进行了研究。对于实际测量误差做了修正。测量采用了像素分析的方法,光轴平行度测量精度优于0.2 mrad。

摘要：为了提高光电跟踪设备测量精度,设计利用集成化光电靶标,对光电跟踪设备的多个参数的外场标校方法进行研究。标校涉及电视、红外、激光测距等多个部分,采用像素分析的方法,可以较精确地对光电跟踪设备的多个指标进行标校和误差修正,并给出了某些参数的修正结果。其多光轴平行性优于0.2 mrad。外场标校贴近实际,具有较高置信度。

关键词：光电靶标,光电跟踪设备,标校方法,误差修正,光轴一致性

参考文献

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[6]李建超,高明,苏俊宏.外场激光可见光光轴检测装置[J].激光与红外,2011,41(3):293-297.

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新型光电检测电路的设计与研究篇8

光电检测电路是一种获得光信号的重要方法, 其已经被当前广泛的适用于各个领域。如军事、民用、农业等。具体在大米色选机、火灾探测、辐射计等仪表和仪器当中得到使用。传统的光电检测电路包括了三种, 分别是电压放大型、电流放大型以及阻抗变换型。

其中电流放大型是在弱光检测中作为常用的。主要原理是通过对电阻的反馈, 实现光电二极管和运算放大器之间的连接, 进而将所产生的微弱电流通过较大的反馈电阻形成压降。但是其存在着一定的问题。输入阻抗低会使得响应的速度下降, 而过大的反馈电阻, 又会出现输入失调电流对输出的影响, 出现系统不稳定的现象。

为了能够实现系统的稳定性, 有研究者对传统电路进行了改进研究, 在放大器的输出以及检测电路输出之间增加一个RC滤波电路, 一方面限制了放大器输出信号的带宽, 另一个方面滤掉了放大器的噪声。

不过, 这种方法导致频带减小, 因此响应的速度也变得缓慢, 并不适用于检测需要。本文为了解决上述的问题, 提出了一种新型光电转化电路, 是三极管电流放大加运放电压转换方式。从对其系统频率响应函数和噪声模型的建立方面分析其可靠性。

二、电路改进

传统的电流放大型电路设计, 是主要通过将电容和反馈电阻进行并联, 以及将运算放大器和光电二极管进行连接, 从而使得微弱的光电流通过反馈电阻产生压降。本文是对其进行了改进, 在传统的基础上, 给放大器的输入和光电二极管之间增加三极管, 这样使得电流前置放大。主要目的是为了保证同一型号的输出增益是相同的。在放大区工作的三极管, 如果Vce是某个值的时候, 会有唯一的输出电流相对应。而其中运算放大器既可以对电信号实现放大, 又可以保证三极管的Vce不会发生改变。

三、频率响应分析

首先需要对系统进行假设, 其没有受到外界环境的影响, 则光电检测电路是一阶系统。光电二极管产生的光电流是相同的, 假设是i (s) , 则传统电路传递函数是:

通过频率特性的定义, 可以进一步得出传统电路系统频率响应函数是:

新型电路的传递函数是:

由此得出新型电路系统频率响应函数是:

对传统和新型电路中的反馈电阻, 分别假设R1=2MΩ, R=20kΩ, 电容是C=10p F, 三极管的放大倍数 β 的值是100, 那么通过仿真计算, 最终可以得到频率响应函数曲线。

由此得出的结论是:第一, 在两个截止频率点处, 输出信号的幅值都在减少到0.707 倍。也就是新型的电路要比传统电路的带宽宽的多, 带宽越宽则系统的响应速度更快;第二, 在输入高频信号的时候, 新型电路在输出信号幅值衰减方面要比传统的低很多。传统和新型的截止频率相差了100倍。

因此, 通过对光电检测电路系统频率函数的分析, 可以看到从频率响应方面, 新型光电转换电路在响应速度方面比传统的速度提升了 β 倍。

四、噪声模型分析

通常对光电检测电路的噪声分析, 包括了内部的噪声和外部的噪声。其中外部的可以通过电气屏蔽和电干扰滤波等进行消除, 而内部噪声人为难以进行消除, 只能够通过电路进行改善。主要是散粒噪声和热噪声两种。

散粒噪声是由于光生载流子形成和流动密度涨落产生的, 是一种与频率没有关系的噪声。其电流均方值是:

公式中, Is是光电二极管产生的光电流, Rd是内阻, q是电子电荷量, △ f是同频带。

热噪声是通过自由电子在电阻材料之中运动时形成的。其电流均方值是:

公式中, T是热力学温度, Rd是热噪声的电阻, K是玻尔兹曼常数, △f是同频带。

由此可以看出, 噪声源对电路会产生一定程度的影响, 使得电路输出噪声变大, 这样对微弱光强信号的探测进行了限制。噪声之间不相关联, 使得最终的综合影响力单独存在的时候, 是均方根值。所以得出放大器最终的噪声等效输出电压值是:

由此可以得出, 传统光电检测的电路信噪比公式:

在新型检测电路中, 同样也会有噪声。不过三极管中的热噪声电流Id2的来源是出自基极电阻Rh, 该电阻处于输入回路, 数值较大。因此, 新型检测电路的信噪比公式是:

通过上边的公式分析, 可以看出, 新型光电转换电路在信噪比方面有着显著的提升。

五、总结分析

新型光电转换电路在响应方面拥有着速度快的优势, 在信噪比方面也有了显著的提升。对此可以通过对静态光强信号和高速运动干涉条纹信号进行相关的分析。可以清晰的看到在两种电路接收信号的时候, 幅值方面衰减的情况现象以及静态光强下信噪比的大小情况。由此可以看到, 当干涉条纹信号的频率变化增大的时候, 传统电路会出现明显的衰减的情况, 而新型的基本上保持着比较稳定的现象。同时在静态光强之下, 通过两种不同的方式对光信号进行采样, 可以通过信噪比近似公式来进行比较分析:

其中, N是采样数据个数, y1是光强数据

通过对两种采样数据的比较分析, 可以看到新型光电转换电路方面的信噪比有了显著的提升, 其达到了数倍以上。

本文通过对传统检测电路的分析以及对改进过程的分析, 从而通过使用三极管电流放大加运放电压转换的方式, 来实现新型光电转换电路的设计和利用。并且通过利用频率响应函数和噪声模型两种方式进行对应的分析。最终通过静态光强信号和告诉运动干涉条纹信号进行比较分析, 从而得出来最终的结论。在新型光电转换电路方面, 其拥有着巨大的优势。不仅可以实现反应的快速性, 而且还能够使得信噪比拥有了显著的提升。

参考文献

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