在現(xiàn)代傳感系統(tǒng)中，干涉型光纖擾動傳感器以其極高的靈敏度得到了廣泛關(guān)注。其中關(guān)鍵部分是信號調(diào)理電路，它用來檢測和預(yù)處理非常微弱并夾雜著噪聲的傳感信號。
關(guān)鍵詞：

　　在現(xiàn)代傳感系統(tǒng)中，干涉型光纖擾動傳感器以其極高的靈敏度得到了廣泛關(guān)注。其中關(guān)鍵部分是信號調(diào)理電路，它用來檢測和預(yù)處理非常微弱并夾雜著噪聲的傳感信號。一般來說，光電探測器的輸出信號要先經(jīng)過前置放大、濾波等預(yù)處理環(huán)節(jié)，最大限度地抑制噪聲，為信號的進一步處理打下基礎(chǔ)。本文主要討論了微弱傳感信號的調(diào)理電路設(shè)計，包括前置放大電路的設(shè)計，帶通濾波器的設(shè)計和運放的選擇，并用MuItisim 10對設(shè)計的電路進行了仿真。

　　1 信號調(diào)理電路設(shè)計

　　光電探測器接收到的光信號一般都非常微弱，而且光電探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中。因此，要先對這樣的微弱傳感信號進行預(yù)處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過前置放大電路、濾波電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。

　　其信號調(diào)理模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，完整的信號調(diào)理電路如圖2所示。

　　在圖2中，電源電壓輸入端和地之間接入1μF的電容C9，C10，用來濾除電源帶來的干擾。

　　2 光電探測器及其工作模式選擇

　　2.1 光電探測器的選擇

　　光電探測器是一種通過光電效應(yīng)探測光信號的器件。選擇光電探測器應(yīng)考慮；光電靈敏度要求足夠高；信噪比高；相應(yīng)峰值波長應(yīng)與發(fā)光器件的發(fā)射波長、光纖的低損耗窗口相匹配；響應(yīng)速度快；輸出光電流-照度特性曲線的線性度好。

　　光電探測器的種類很多。在干涉型光纖傳感器中，光電探測器通常采用PIN結(jié)型和雪崩型光電二極管。

　　PIN光電二極管響應(yīng)頻率高，響應(yīng)速度快，供電電壓低，工作十分穩(wěn)定。雪崩二極管靈敏度高，響應(yīng)快，但需要上百伏的工作電壓，且增益會引起噪聲，容易帶來電流失真�？紤]到該系統(tǒng)所據(jù)測的波長范圍和器件在0～40℃范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，決定采用InGaAs PIN photodiode G8371-03型光電二極管。該光電二極管在溫度特性方面也相當(dāng)出色，比其他光電二極管有著更好的特性曲線。

　　2.2 光電探測器的工作模式

　　光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖3所示為光電二極管兩種模式的偏置電路。

　　在光伏模式時，光電二極管可非常精確地線性工作；而在光導(dǎo)模式時，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流（暗電流）。而在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲。在反偏置時，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。該設(shè)計所針對的待檢測傳感信號是十分微弱的信號，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，所以該設(shè)計采用光伏模式。

　　3　 前置放大電路

　　3.1 電路設(shè)計

　　前置放大電路原理如圖4所示。通過PIN光電二極管輸入的信號經(jīng)過I／V變換將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，而后再將電壓信號經(jīng)中間放大電路進行電壓信號放大。電路分析：運放U1A及其外圍元件組成了I／V變換電路。其中R1是為了消除探測器輸出電流中的毛刺，R2為防止電路自激并提供直流通道，C1為隔直電容，C3和R4用于直流平衡及交流補償。R3為反饋電阻，C2用于減小噪聲帶寬以保證R3對電路噪聲的影響最小。由于加入電容C2后，電路的幅頻特性會發(fā)生改變，相當(dāng)于一個濾波器，所以在選取C2時要同時考慮PIN管探測信號的頻譜以免將有用信號過度衰減或者濾掉。運放U1D及其外圍元件 R5，R6，R7組成的反相放大器作為中間放大電路對電壓信號進一步放大。

　　電路中集成運放選擇也十分重要。對其輸入電阻、開環(huán)增益、轉(zhuǎn)換速率和增益帶寬、噪聲電壓都有較高要求。較大的開環(huán)增益和增益帶寬，極快的電壓轉(zhuǎn)換速率和極小的等效噪聲帶寬，是非常理想的前置放大用集成電路。本文在電路中選擇OPA132的四運放形式OPA4132，它大大減小了電路體積與配置的復(fù)雜程度，降低了噪聲引入。

　　3.2 電路仿真

　　搭建仿真電路，并用仿真軟件Multisim 10中兩通道示波器、波特圖示儀對設(shè)計的前置放大器分別仿真，得到如圖5所示仿真結(jié)果。從圖5可以看出，經(jīng)過前置放大電路后輸出信號相比輸入信號放大了約2×103倍，且基本無失真。

　　圖6為該電路的幅頻特性曲線�？梢钥闯鲈撉爸梅糯箅娐穼Ω哳l有一定的抑制作用，其主要是放大了低頻微弱信號。在圖中曲線的中間水平線中可以清楚得到電路的增益為65.284 dB，用鼠標(biāo)拖動讀數(shù)軸可得上限頻率fH=9.501kHz，下限頻率fL=194.486Hz，頻寬B=fH-fL=9.306 kHz。

　　4 　帶通濾波電路

　　4.1 濾波器設(shè)計

　　為使檢測電路具有良好的信噪比，還需要用帶通濾波器對信號進一步處理。該設(shè)計在前置放大電路之后加入帶通濾波電路，以除去有用信號頻帶以外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引入的噪聲。由于振動引起的信號頻率較低，經(jīng)過實驗確定其信號的有效頻率在2～5 kHz之間。該設(shè)計對濾波器要求為：中心頻率2 kHz，帶寬為500 Hz～8 kHz，帶增益G=2。

　　5 　結(jié)語

　　本文針對干涉型光纖傳感器輸入信號的特點設(shè)計了信號調(diào)理電路，并運用軟件Multisim 10進行了仿真。經(jīng)仿真，各參數(shù)基本上都達(dá)到了設(shè)計要求。該信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，對干涉型光纖擾動傳感器實際應(yīng)用具有一定的使用價值。

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