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光电检测报告
大纲
设计了一种应用于微光夜视仪检测设备中低噪声的光电检测系统,解析了电路中产生的主要噪声,并提出了控制方法。
系统采用光敏二极管作为光电检测器件,并利用单片机实现了光照度的实时显示与超差报警以及与上位机的通信。
要点词:
单片机;光电检测电路;光电二极管
Abstract
A low noise light monitoring system is designed for a night vision testing equipment.Weanalyze the noises existing in circuit and study how to check them.In the monitoring system,photodiode is used as photoelectric detector,and a microcontroller is applied to realize the real-timedisplay of illumination,alarm and communication with the host computer.
Key words:
microcontroller;photoelectric detection circuit;photodiode.
0序言
夜视技术在军事、工业、农业、科学研究、医药卫生等领域有着广泛的应用,特别是在军事方面的需求是夜视技术发展的原动力。
在现代战争中,为了提升战争的突然性以及扩大战争的时间范围和空间范围,需要队伍在星光或月光等稍微光照度情况下对战场进行侦探和监控,这就必定依靠夜视技术,因此,微光夜视仪设备的可靠性将直接影响到军队的战斗力。
要保证每一个装备的夜视仪都是合格的,就对检测设备的技术指标提出了很高的要求。
为模拟实质中的夜天光环境,在微光夜视仪检测设备中的光源要求色温为2856K,光照度的变化不高出±10%。
光应力源可否吻合要求直接决定了整套系统工作的牢固性及判断结果的正确度,因此,为了保证检测设备的检测精度以及检测结果的正确性,要求对光源的照度变化进行实时监测。
当光源变化高出规定范围时,能够实时报警,提示进行设备维修或光源的更换。
1 系统设计与工作原理
系统主要包括:
光电检测电路、光照度显示模块、超差报警模块、串口通信模块。
详尽原理是经过光电检测电路将采集到的外界自然光变换为相应的直流电压信号,再经过ADC将电压信号变换为数字信号送入单片机,单片机将数据进行补偿算法获得精准的实质采样值,控制数码管显示实岁月照度,一旦光照度不吻合设计指标,则经过报警灯及蜂鸣器进行报警,同时,经过RS232串口与上位机进行通信。
系统原理框图如图1所示。
图1光应力源监测系统原理框图
2 光电检测电路
光电检测电路是经过将照射于光电探测器上的光通量转变成相应的光电流,再经过电流放大、电压变换等后续电路进一步优化适用信号,最后实现光信号获得的一种方法。
这种电路已被广泛用于军事、农业、民用等诸多领域在光电系统中,光电检测电路把接收到的光信号变换成电信号,并对电信号进行放大,再与后边的检测和运算系统对接。
光电检测电路在整个光电系统中是特别重要的,它的性能利害直接决定了整个系统的性能利害。
2.1 光电检测电路的设计
由于本电路中采用的光电探测器的输出信号为电流信号,因此,先要经过前置放大电路将接收到的光信号变换为电流信号再变换为电压信号,但由于光电探测器的输出电流信号比较稍微,因此,在经过前置放大电路后,还需要对电压信号进一步放大到便于下一步微办理器办理的范围。
但在测量信号获得放大的同时噪声也被放大,因此,为了测量的精准性,必定使用滤波电路限制噪声的频率范围,将大部分噪声滤除掉。
检测电路由前置放大电路、滤波电路和二级放大电路组成,光电检测电路结构框图如图2所示。
设计光电检测电路有3个规则:
一是降低电路噪声,提升输出信噪比;二是为防备出现频率失真,要保证电路通频带的范围足够宽;三是为保证输出信号功率大,后续电路的输入阻抗要与检测电路般配。
光电检测器件采用一般PN结硅光电二极管。
由于光电二极管自己拥有优越的光电线性特点和频率特点好、较小的暗电流、优异的牢固性,光电二极管的工作模式又能够分为两类:
1)光导模式,在光电二极管两端加反向偏置电压;2)光伏模式,在光电二极管两端不加电压直接与负载相连。
前一种模式的时间常数较小,造成这样结果的主要原因是外加反向偏置电压能够减小结电容,因此,能够用在脉冲和高频调制光的探测上。
光导模式的主要缺点就是暗电流的搅乱比较大。
与此相反,后一种模式中的暗电流影响特别小,因此电路噪声小,在恒定和低速调制稍微光的测量上有着更大的优势。
PN结光电二极管比PIN结光电二极管的输出电流大。
PIN结光电二极管更适合在反向偏压下工作。
前置放大器采用集成运算放大器。
光电二极管与集成运放的连接方法属于电流放大型,光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连,电阻R1作为反响电阻。
图3中,由于在光电二极管两端没有加反向偏置电压,因此暗电流特别小,这就减小了输出噪声。
输出电压:
式中:
Isc———光电二极管产生的光电流。
2.2 电路噪声的估计与降低方法
图3所示电路中,所产生的噪声主要包括光电二极管的散粒噪声,光电二极管内阻所产生的热噪声,反响电阻R1产生的热噪声以及运算放大器所产生的噪声。
设Ins为光电二极管的散粒电流,
为光电二极管的光电流,Δf为电路的通频带。
则:
△ƒ
设
为光电二极管内阻所产生的的热噪声电流,Rd为光电二极管的内阻,则:
设
为反响电阻R1产生的热噪声电压,则:
设
,
分别为放大器的等效输入噪声电压和等效输入噪声电流,则光电检测电路的输出总电压为:
输出电压
,因此输出噪声电压为:
光电检测电路的输出信噪比SNR为:
从上述公式能够看出,电路的信噪比与很多因素有关。
电路的光电流
越大,则信噪比越大,因此,应入选择矫捷性高的光电二极管以提升信噪比。
通频带Δf越小,则输出信噪比越大,因此,应该在后级电路使用滤波电路以限制通频带,但通频带又不能够过于狭窄,省得输出信号产生频率失真。
集成运放的等效输入噪声电压En和等效输入噪声电流In越小,则输出信噪比越大,因此,应入选择噪声小的低噪声高精度集成运放,能够有效地减小噪声提升信噪比。
别的电路的工作环境温度T越小,输出信噪比越大。
因此,要尽可能使检测电路在较低的温度环境下工作。
在实质应用中,能够在前置放大电路后边连接低通滤波器以过滤高频噪声,由于噪声以高频为主,因此,低通滤波器能够有效地提升输出信噪比二阶低通滤波器电路如图4所示。
传达函数为
其中
令
,得电压放大倍数
2.3 改进型的光电检测电路
为了降低噪声带宽,能够采用改进型光电检测电路,如图5所示。
运算放大器A1和A2组成的复合放大器对测量信号的频带没有影响,却能够降低噪声的带宽。
图3中的增益响应特点取决于由R3,R4,C8组成的内反响。
在经过直流电流时,由于C8的电容特点,反响断开。
这时电路的增益为A1·A2(A1,A2分别是A1,A2的开环增益)。
经过设置R3R4能够限制电路噪声的带宽。
此增益曲线共有两次下降,一次是由于放大器的开环增益极点而以致的,另一次是由于R3和C8组成的积分器响应极点。
当频率连续增大时,经过设置R3R4<<1,那么复合放大器总的开环增益A1R3R4<<A1,这样就可以减小复合放大器的频响范围。
从而使噪声的频带变小,而信号频带基本不受影响。
若是R2比较大,则简单产生直流误差,因此电路中加入R5进行补偿。
C10的作用是除掉R5的杂散噪声。
C7是消振电容,它的加入减小了噪声的带宽。
3 光照度显示与超差报警模块
3.1 硬件设计
此模块接收到前置光电检测电路直流电压信号后进行AD变换,其中的ADC采用单片机ATmega16集成的10位ADC,监测精度为1210=11024≈0.1%,能够充分满足我们的技术指标要求。
变换后的数据经单片机ATmega16进行补偿运算,再经过实验确定恢复实测光照度数据,由单片机控制数码管进行显示,当光照度变化高出技术指标要求时,单片机控制报警灯与蜂鸣器报警。
同时,经过串口将监测到的光照度数据与报警信息经过RS232串口发送到电脑的上位机上。
模块框图如图6所示。
3.2 单片机软件设计
本系统单片机程序设计主要包括以下几点:
uint mega16_ad():
AVR单片机依照接收到的直流电压信号进行AD变换,将接收到的模拟信号变换成数字信号;
uint mega16_ad_average():
为减小误差将连续几次测量的数据进行平均后再作为最后数据输出;
void show(uchar j,uchark):
数码管显示子程序,将光照度数据在数码管进步行显示;
void alert(uintp):
报警子程序,当光照度数据高出正常范围时,由单片机控制报警灯闪亮,同时蜂鸣器响起;
void uart_init(uintbaud):
串口通信初始化子程序;
void uart_send(uchardata):
串口发送数据到主机。
在程序中,接收到的模拟量是光电检测电路输出的直流电压信号,此信号由于光电二极管的线性特点,应与监测的光照度成正比,经过调治光源的输入电流大小,能够调治光照度,使用照度计记录不同样输出电压时的光照度,利用在实验中测量获得的数据能够得出比率常数,实验数据见表1。
经过表1能够得出,光照度与输出直流电压信号的比率常数约为171.2,能够在单片机中经过编程将监测信号还原成实质环境中的光照度。
4 系统测试记录
经过串口能够将监测系统监测到的光照度信息、报警信息与设定报警上下限,输入计算机,储藏进数据库进行记录和盘问,记录结果如图7所示。
经过现场测量与高精度的照度计的测量结果进行比较,误差在±2
以内,同时报警功能工作正常,系统吻合设计指标。
5 结 语
文中所述的光电监测与显示报警系统拥有精度高、成本低、合用性广的特点。
经过改进电路降低了噪声的影响,经实质测试,满足了信号测量的要求,只要改变单片机内的程序即可执行更多其他控制功能,有很大的发展远景。
本方法既合用于检测稍微信号,也合用于一般光信号的检测。
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