光阻法成像儀的前端信號調理電路設計

黃敏松，雷恒池，陳家田，張曉慶

(1.中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點實驗室，北京 100029;2.中國科學院大學，北京 100049)

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光阻法成像儀的前端信號調理電路設計

黃敏松1，2，雷恒池1，陳家田1，張曉慶1

(1.中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點實驗室，北京 100029;2.中國科學院大學，北京 100049)

為了實現以光電二極管陣列為傳感器，以光阻法為原理對高速運動下的微粒進行精確成像和測量，設計了一種可對光電二極管陣列所生成的多路瞬變信號進行快速響應的前端信號調理電路。該前端信號調理電路包含有128個信號調理電路單元，每個信號調理電路單元均由互阻放大電路、后級信號放大電路、分壓射隨電路和比較電路組成。經試驗測試表明，對大小不同的粒子高速經過采樣區時光電二極管陣列因粒子對光源的阻擋所產生的微弱瞬變信號,該電路均能快速有效地進行處理,可滿足儀器對高速運動粒子進行成像測量的性能要求。

光阻法;成像儀;光電二極管陣列;前端信號調理電路

0 引言

光阻法(Light-Blockage),又稱為光障礙法或光遮擋法,是利用微粒對光的遮擋所發生的光強度變化進行微粒粒徑檢測的方法,檢測范圍可從μm到mm單位量級[1]。光阻法具有檢測速度快、抗干擾性強、精度高、重復性好等優點。以光阻法為測量原理的檢測技術廣泛應用于航天汽油、醫藥、氣象和環境等領域,但目前主要用在低速測量場合,對于高速粒子測量卻鮮有提及，而且測量時只注重粒子的維度,對粒子圖像關心很少。光阻法成像測量技術一般采用光電二極管陣列作為前端傳感元件[2]。在高速測量場合,主要考慮傳感器的快速響應能力,因此,選用分立型光電二極管陣列作為前端傳感元件。但分立型光電二極管陣列的應用需要對每個光電二極管單元進行信號調理電路的設計,因此對于由多傳感單元組成的光電二極管陣列，其前端信號調理電路必由多路并行的信號調理電路組成，而多路并行的高速信號處理必然對PCB電路板的信號完整性設計提出更高的要求，因此圍繞著光電二極管陣列所設計的前端信號調理電路是實現儀器功能的一個重要環節，是制約儀器測量準確性的一個關鍵性因素[3]。

1 光阻法成像測量原理

光阻法成像測量原理主要是利用一準直、光強分布均勻一致的激光光束直接照射到傳感器光電二極管陣列上。各傳感器單元均會產生一個與其自身所接收到的激光光強呈正比的電流值。當有粒子穿過激光光束區時，由于粒子的遮擋導致照射到傳感器光電二極管陣列上的激光強度發生了變化,從而導致傳感器單元產生的電流值發生變化。因此,變化的電流與粒子出現的事件是相對應的,而陣列中被遮擋的光電二極管數則表示著粒子的大小。利用電子電路檢測傳感器光電二極管陣列上每個光電二極管的光電脈沖變化并對變化的電流進行處理,將對整個光電二極管陣列處理一次生成的一組信號稱為slice,當粒子粒徑大于光電二極管陣列單元的寬度時，一個粒子將會生成多條slice，這樣當把多條slice按生成順序拼接起來時便可重構粒子圖像并測得粒子大小。

2 前端信號調理電路設計

2.1 互阻放大電路設計

在激光照射下,光電二極管陣列產生的物理量是電流,而一般信號的處理量是電壓,因此在對信號進行處理前有必要將傳感器產生的電流轉換為電壓。設計電流轉電壓電路(I/V電路)就是設計互阻放大器。目前,電流轉電壓的電路設計一般采用基于運算放大器(OPA)的電路設計方案。

在基于運算放大器的光電二極管信號檢測電路中,由于運算放大器以及光電二極管的非理想性,導致在進行I/V轉換時，在電路的環路特性中引入極點,從而增加系統的相移,引起光電二極管信號檢測電路的不穩定,在寬頻帶噪聲的干擾下產生振蕩,致使對光電二極管微弱光電流信號檢測的不準確。為了提高光電檢測電路工作的穩定性,本設計采用超前補償技術,對相位進行補償,確保電路在任何環路增益條件下工作時仍有足夠的相位裕度。采用超前補償技術改進的I/V電路如圖1所示。

圖1 改進的I/V電路

圖1中的CD是光電二極管在偏壓VB下的結電容,CCM是運放的共模電容，反饋電阻RF為互阻放大電路的增益,選用適當電阻值的電阻,可將μA級的電流量轉為mV級的電壓量,同時可保持電路的適當帶寬以滿足高速應用的場合。反饋電容CF并在反饋電阻RF兩端,它與RF形成一噪聲增益極點,適當的CF值可使噪聲增益極點與環路增益極點相抵,從而使電路的相位裕度達到45°,電路穩定正常工作。因此,選定適當的反饋電阻RF和確定反饋電容CF的值是整個互阻放大電路設計的關鍵。

2.1.1 反饋電阻RF值的確定

對于RF值的確定，樊振方和羅暉[4]經過推理計算得出選定的RF必須符合下列等式：

(1)

式中：f3dB為互阻放大器的3 dB帶寬;WGBP為放大器的增益帶寬積;CJ為二極管的結電容和運放的共模電容和。

式(1) 指出在源的結電容恒定的情況下,互阻放大器的增益與帶寬的平方乘積是一個常數,顯然在互阻放大器中,增益和帶寬仍是矛盾的。

考慮到運算放大器的增益帶寬積并未經過調理，變化范圍可能達到±40%，選擇WGBP為運放數據手冊規定參數的60%。因此,根據式(1)可定出容許的RF值范圍為

(2)

2.1.2 補償電容CF值的確定

對于補償電容CF，一般情況下會有CJ>>CF,且CF的值由式(3)確定。

(3)

2.2 后級放大電路

在高速應用場合,系統對電路的帶寬要求比較高時,有必要犧牲電路的增益,以換取系統對帶寬的要求。但系統對電路信號電壓處理的要求一般都要達到V量級,因此,在減小前置級的互阻增益時,應在互阻電路的輸出端外加一比例放大電路以增大信號幅度。

目前根據電路結構的不同,運算放大器可以分為電流反饋型(CFB) 和電壓反饋型(VFB) 運算放大器[5]?？紤]到CFB 運算放大器具有帶寬不受增益影響的優點，選用電流反饋型(CFB)運放芯片作為后級放大電路的運放芯片。具體的后級放大電路如圖2所示。圖中Vin是前級互阻電路的輸出電壓信號,該信號經過以電流反饋型(CFB)運放為核心的反相比例放大電路放大后,輸出信號Vout;R3、C1和可調電阻PT共同組成一個提供給CFB運放正相輸入端的一個輸入信號。在前級互阻電路沒有光照條件下該輸入信號可使放大電路的輸出為一個固定值,該值一般設定為200 mV左右。

圖2 后級放大電路

2.3 比較電路和分壓射隨電路設計

在模擬電路中,電壓比較器是對輸入信號電壓進行比較的電路,其輸出電壓只有2種可能狀態,高電平或者低電平,如果用1表示高電平,用0表示低電平,則比較器的輸出剛好和粒子是否出現遮擋的狀態對應起來。比較器電路設計中的一個關鍵因素是確定好閾值電壓的數值,根據前人的工作經驗[6]，是以激光直照時,光電二極管所接收到的光強產生電壓值的一半作為該傳感器單元支路比較電路的閾值電壓,即以光電二極管所接收到的激光光強被削弱一半以上時表示粒子出現事件。因此，通過設計分壓射隨電路獲取比較電路所需要的參考電平并輸入到比較電路。

根據上述分析，設計了電路系統所需要的比較電路，如圖3所示。該比較電路的參考電平由以OPA為核心的跟隨器電路提供,當后級放大電路將信號經Ra輸入時,因為Ra和Rb的阻值相等,因此Rb將分出輸入信號Va的一半電壓輸入運放OPA,因此跟隨器的輸出電壓Vr即為Va的一半,該電壓Vr作為比較器的參考電平輸入到比較器的參考輸入端,電阻Rc在此過程中起到穩定運放OPA輸出的作用。電容Ca并在電阻Rb兩端,起到電荷存儲的作用。在信號Va經電阻Ra輸入跟隨器的同時,它還經過電阻Rd輸入比較器,與參考電平Vr進行比較;一般比較器所自帶滯回回路的遲滯區域都太小,很容易受噪聲干擾影響,因此,在輸出端和同相輸入端直接加入正反饋電阻Re,它與電阻Rd一起構成比較器的外部滯回回路,該滯回回路可增大比較器的滯回空間,減緩比較器的頻繁跳變。

圖3 分壓射隨電路與比較器電路

3 試驗結果和討論

試驗中所選用的傳感器是由128個光電二極管單元組成的光電二極管陣列,每個傳感單元需要一路的信號調理電路,因此,總共需要128路的信號調理電路，這對整個電路板的信號完整性提出了比較高的要求。因此充分利用芯片的小封裝、高集成特性，盡量縮小信號的傳輸距離，合理安排各級芯片在PCB電路板上的位置，并充分利用多層電路板合理分層的抗干擾特性，最終，將整個128路光電二極管陣列的前端調理電路設計在6層印刷電路板上，如圖4所示。

圖4 前端信號調理電路板

為了對所設計的前端信號調理電路進行性能測試，利用恒定轉速標定轉盤進行試驗。該轉盤上均勻鍍著5個大小不同的小黑圓點，直徑分別為5 mm、3 mm、1 mm、0.5 mm和0.3 mm,其轉速相當于粒子以30 m/s的速度進行飛行，因此可以模擬在30 m/s的飛行速度條件下不同大小的粒子穿過儀器采樣區的情況。試驗所用光源是波長650 nm,輸出準直圓斑且輸出功率50 mW的半導體激光器,試驗時將激光器的輸出光斑對準電路板上的傳感器光電二極管陣列，并將轉盤置于激光器和傳感器之間的光路上,且使轉盤的透光孔垂直對準激光光束，這樣當轉盤轉起時可讓粒子垂直通過激光光束。將示波器的探針連在比較器的輸出端,當轉盤未通電時，傳感器直接接收激光照射，所接收的激光能量使得比較器輸出高電平信號；當轉盤通電轉起時，因為粒子對激光光線的遮擋，使得比較器輸出低電平信號。當轉盤恒速轉動時，粒子就周期性地對激光光束進行遮擋，這樣比較器就輸出高低電平相間的脈沖信號，如圖5所示。由于低電平脈沖的時長與小黑圓點的粒徑相對應,因此通過對每個支路向下凹陷的低電平脈沖采集就可重構出相應的粒子圖像形狀。

圖5 實驗中比較器的輸出波形

4 結束語

本文在介紹光阻法成像測量原理的基礎上，根據傳感器光電二極管陣列單元生成信號的特點，設計了適合于高速場合下微粒成像測量的前端信號調理電路。測試表明，該電路能快速有效地對傳感器產生的信號進行處理，并產生出與粒子大小相符合的、適合于實際應用的有效信號，可用于后端數字電路的后續處理,完全滿足高速條件下儀器對電路快速響應的要求，可用于高速場合下的微粒成像測量。

[1] 曲丹丹,羅詩金,薛劍英,等.光阻法智能微粒檢測儀的設計與研究.儀器儀表學報,2003(增刊2):156-158.

[2] 申爽,張慶合,李彤,等.基于USB的光電二極管陣列數據采集系統.儀表技術與傳感器,2006(5):37-39.

[3] BAUMGARDER D，KOROLEV A.Airspeed corrections for optical array probe sample volumes.Atmos.Oceanic Tech，1997，14:1224-1229.

[4] 樊振方,羅暉.互阻放大器帶寬計算方法.現代電子技術,2011,34(11):90-92,96

[5] 龐佑兵,梁偉.電壓反饋和電流反饋運算放大器的比較.微電子學,2003,33(2):132-135,139.

[6] KOROLEV A V，STRAPP J W,ISAAC G A.Evaluation of the accuracy of PMS optical array probes.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,1998,15:708-720.

Front-end Signal Conditioning Circuit Designed for Light-blockage Imaging Probe

HUANG Min-song1,2,LEI Heng-chi1,CHEN Jia-tian1,ZHANG Xiao-qing1

(1.Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;2.University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049，China)

In order to utilize photodiode array as sensor and use the light-blockage method to accurately image and measure the particles in high-speed movement,a front-end signal conditioning circuit was designed to fast respond to the multiple,weak and transient signals generated by the photodiode array.The front-end signal conditioning circuit includes 128 signal conditioning circuit units,each of which is composed of a transimpedance amplifier,a signal amplifier,a follower and a comparator.Experiment results show that the front-end signal conditioning circuit can fast and effectively process the signals generated by the sensor when particles of different sizes trans-through the sampling volume speedily,which indicates that the signal conditioning circuit can fully satisfy the performance requirements by the imaging probe.

light-blockage method;imaging probe;photodiode array;front-end signal conditioning circuit

公益性行業專項(氣象)基金資助項目(GYHY200806015)；國家重大科研儀器設備研制專項(41327803)

2014-04-12 收修改稿日期:2014-11-02

TP274.2

A

1002-1841(2015)04-0028-03

黃敏松(1983— )，工程師，碩士，在職博士研究生，主要研究領域為微弱信號檢測與處理，大氣探測儀器研發等。 E-mail：mission@mail.iap.ac.cn 雷恒池(1960—)，研究員，博導，主要研究領域為大氣遙感與大氣探測，云降水物理與人工影響天氣等。 E-mail：leihc@mail.iap.ac.cn