紅外密集度光電立靶中放大電路的設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：密集度 光電立靶 前放 干擾 噪聲
在靶場測試中，彈丸射擊密度是衡量低伸彈道武器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。到目前為止，國內(nèi)靶場在密度集度測量方面已有多種方法，最先進(jìn)的方法是采用光電靶進(jìn)行測量。筆者研制了一種四光幕交匯的光電立靶測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以四個無形的光幕（紅外光）為靶面，當(dāng)彈丸穿過四個不同不幕時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖序列，通過對這四個時(shí)間值的解算可得到彈丸的著靶坐標(biāo)，進(jìn)而換算出彈丸射擊密集度。
在測試中，光電靶的靈敏度直接影響整個系統(tǒng)的測試精度，而影響光電靶靈敏度的關(guān)鍵因素就是信號調(diào)度電路中放大電路的放大倍數(shù)和信噪比，而此設(shè)計(jì)性能良好的前置放大電路顯得尤為重要。本文介紹了一種采用低噪聲運(yùn)放和儀表放大器組成的前放電路，該電路不僅可以很好地放大微弱信號，而且克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的弊端，簡化了設(shè)計(jì)，也使得電路結(jié)構(gòu)更為緊湊。
1 測試系統(tǒng)工作原理
光電靶的測試以光電轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，以無形的光幕為靶面。圖1所示是光電靶測試的系統(tǒng)框圖，其測試原理如下：當(dāng)有物體穿過光幕時(shí)，會引起接收光電管的光通量發(fā)生變化，此時(shí)，光電管所在電路會產(chǎn)生一個正比于該光通量變化的電信號，處理電路將這個電信號放大、整形、最后以脈沖形式輸出，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到所要測量的物理量。
2 設(shè)計(jì)要求
該系統(tǒng)中，紅外光電管輸出的信號十分微弱，最大約為10mV，如果此輸出信號直接輸入到后續(xù)電路，則往往會被噪聲淹沒，要有效利用這個輸出信號，就必須對其進(jìn)行放大。在一般情況的光電檢測系統(tǒng)中，光電敏感器件的輸出端都緊密連接一個低噪聲前放大器，它的任務(wù)是：放大光電敏感器件所輸出的微弱電信號，并匹配后續(xù)調(diào)理電路與光電敏感器件之間的阻抗。根據(jù)該系統(tǒng)要求，由光電敏感器件輸出的微弱電信號應(yīng)被放大800倍左右，因此，對前置放大器的要求是：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負(fù)載能力、良好的線性和抗干擾能力、結(jié)構(gòu)緊湊、靠近光電敏感器件并具有良好的接地和屏蔽。
3 設(shè)計(jì)方案
該前置放大器電路的設(shè)計(jì)要從以下幾個方面考慮：首先應(yīng)滿足放大電路的高信噪比和信號源阻抗與放大器之間的噪聲匹配（所謂噪聲匹配是指信號源阻抗等于最佳源阻抗，使得放大電路的噪聲系數(shù)最?。?；其次，要考慮電路組態(tài)、形式等以滿足對放大器增益、頻響、輸入輸出阻抗等方面的要求；最后通牒，還應(yīng)采取一定的方法來減少噪聲，采取屏蔽以及接地措施以盡量避免信號受到外來的干擾。
3．1 傳統(tǒng)方法
傳統(tǒng)的放大器電路設(shè)計(jì)方法是采用超大β管或直接利用儀表放大器增益的可編程性來獲取所需要大倍數(shù)。按照傳統(tǒng)方法，若采用晶體管組成放大電路則輸入阻抗較低，尤其在放大微弱信號時(shí)會影響輸入信號的質(zhì)量；若采用場效應(yīng)管組成放大電路，雖然具有高的輸入阻抗，但相比較而言它的溫漂大、穩(wěn)定性差，同時(shí)不管采用晶體管和還是場效應(yīng)管，均使得整個電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，組裝和調(diào)試也不方便，結(jié)構(gòu)不夠緊湊；若直接采用儀表放大器進(jìn)行高增益單級放大，則不能使儀表放大器達(dá)到最佳性能。例如：則若輸入失調(diào)電壓為0.5mV，放大10000倍后可達(dá)5V。一般情況下，可利用儀表放大器作前級放大，然后再經(jīng)過后級放大，但采用儀表放大器組成多級放大電路，將會增加制作成本。
3．2 器件選擇
為了滿足低噪聲放大器對噪聲匹配的要求，應(yīng)選擇合適的源電阻，因?yàn)樵措娮璧拇笮∈沁x以一級放大元件的重要依據(jù)。源電阻小于100Ω時(shí)，可用變壓器耦合，源電阻在100Ω至1MΩ之間可選用晶體管，源電阻在1k Ω至1MΩ之間可以選用運(yùn)放，源電阻在1k Ω至1GΩ之間多采用結(jié)型場效應(yīng)管（JEFT），源電阻超過1MΩ也可選用MOSFET。
由于所選紅外光電管的輸出電阻為20kΩ,因此選用晶體管、運(yùn)算放大器、結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管均可。相比較而言，運(yùn)算放大器輸入阻抗高、失調(diào)和漂移較小、共模抑制比高、對溫度變化、電源波動以及其它外界干擾具有較強(qiáng)的抑制能力，因此適用于放大微北信號，同時(shí)采用運(yùn)算放大器也可使電路設(shè)計(jì)簡化、組裝調(diào)試方便、功耗低、體積小、可靠性高。
為了獲得低噪聲放大電路，應(yīng)選用低噪聲元器件。電阻選用金屬膜電阻，電容選用鉭電容或瓷介電容，信號輸入線應(yīng)采用盡量短的屏蔽電纜，電路板選用漏電流小的高絕緣電路板。
3．3 新型方案實(shí)現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)要求，光電管輸出的原始信號應(yīng)被放大800倍左右，若采用單級放大電路，則當(dāng)放大倍數(shù)較高時(shí)，可能會導(dǎo)致電路自激，而避免自激的常用方法就是壓低放大電路對信號的放大倍數(shù)。因此，本設(shè)計(jì)采用低噪聲運(yùn)算放大器和儀表放大器構(gòu)成兩級放大電路，前級由低噪聲運(yùn)放放大8倍，后級由儀表放大器放大100倍，兩級級聯(lián)即可獲得所需放大倍數(shù)。
圖2
光電靶測試系統(tǒng)中放大電路的原始圖如圖示所示，圖中，一級放大采用ADI公司的低噪聲運(yùn)算放大器AD829，并設(shè)計(jì)為負(fù)反饋放大電路。AD829是一種高速、低噪聲運(yùn)算放大器，它的等效輸入噪聲電壓密度較小，其最大值為2nV/(Hz )1/2，等效輸入噪聲電流密度的最大值為1.5p A/(Hz )1/2，電源電壓范圍為±5~±15V，具有0.04o的相位偏差為0.02%的增益偏差并具有良好的動態(tài)特性。根據(jù)理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)和虛短、虛新的概念，可知運(yùn)放兩輸入端電壓相等，即：U+=U -,又有Uin =U+,由此可得流過電阻R3的電流為：
IR3=U-/R3=U+/U3=Uin /R3
運(yùn)算放大器的輸出為：
Uout =IR3 (R2 +R3 )=Uin(R2+R3 )/R3
因一級放大倍數(shù)為8位，選擇電阻R2=7R3，由此可得到運(yùn)放輸出為：
Uout =Uin(R2+R3 )/R3 =Uin (7R3+R3 )/R3=8Uin
二級放大電路采用BB公司的INA103。INA103是低噪聲儀表放大器，它的等效輸入噪聲電壓密度最大為1n V /(Hz )1/2。電源電壓范圍為±9V~±25V，具有大于是100dB的高共模抑制比、好的動態(tài)特性和1~1000的增益變化范圍。
本設(shè)計(jì)采用了INA103的一種典型用法，只外接了電阻R4、R5和電位器RW，電阻R4與R5阻值相等且等于電位器RW阻值的一半，推薦最大使用值為RW=100 kΩ、R4=R5= 50kΩ。該方法能提供補(bǔ)償電壓同時(shí)使輸入端電流基本不變。
光電管輸出信號經(jīng)電容耦合到集成運(yùn)算放大器的輸入端，兩級放大電路之間采用阻容耦合方式進(jìn)行耦合。阻容耦合方法中放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是獨(dú)立的，即前、后級無關(guān)，也就是說它能隔離各級靜態(tài)之間的相互影響，使得電路總溫漂不會太大。
噪聲和干擾信號能夠通過多種渠道影響放大電路，在實(shí)際應(yīng)用中必須采取必要的措施以尺可能降低噪聲和干擾信號的影響。在電路中，為了防止電源波動帶來的干擾，在電源輸入端跨接了大小合適的陶瓷電容，適當(dāng)時(shí)候還可采用電池供電。在電路板制作中導(dǎo)線應(yīng)盡量加寬，同時(shí)在功耗不是首要因素時(shí)選用阻值較小的電阻來減小電阻帶來的噪聲。
4 屏蔽與接地措施
在微弱信號的檢測中，由于有用信號極其微弱，其量級通常非常低，會被強(qiáng)大的噪聲所淹沒，因此要設(shè)計(jì)這樣的放大電路，應(yīng)采用合理的屏蔽和接地技術(shù)，以最大限度地降低外部干擾、耦合等噪聲。
4．1 屏蔽措施
在本系統(tǒng)，放大電路和紅外光電管被共同放置在金屬盒中，金屬盒對整個放大電路來說相當(dāng)于一個屏蔽罩，從而起到了屏蔽作用。在電路連接中應(yīng)該注意以下兩點(diǎn)：第一，導(dǎo)線屏蔽層應(yīng)在信號接地處與零信號參考電位點(diǎn)相連。這樣，屏蔽可看成不需要電流返回接地點(diǎn)的泄露通道；第二，若要使靜電屏蔽罩有效，就必須將屏蔽罩內(nèi)電路的零信號參考電位點(diǎn)與屏蔽罩相連接。如果信號地或接大地，那么屏蔽罩也要接地或接大地。如果信號不接地或大地，則屏蔽罩也不能接地或大地。
4．2 接地措施
一般接地按其作用可分為保護(hù)接地和信號接地兩類。低噪聲放大器中的接地主要是指信號接地，接地的目的是希望放大器所有彼此連接的接地點(diǎn)對地的阻抗盡量小，從而降低地線電流對放大順的影響。為了降低地線阻抗，最簡單的辦法是電路就近接地，同時(shí)盡量避免使用很長的接地線。通常，當(dāng)工作頻率低于1MHz時(shí)，可采用一點(diǎn)接地方式；當(dāng)頻率在1~10MHz之間時(shí)，如用一點(diǎn)接地，其地線總長度不得超過波長的1/20，反之，則應(yīng)使用多點(diǎn)接地；當(dāng)頻率高于10MHz時(shí)，應(yīng)采用多點(diǎn)接地。根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率，本設(shè)計(jì)采用了多點(diǎn)接地形式。多點(diǎn)接地示意圖如圖3所示。此外，還應(yīng)注意整個電路電源線、地線的走向應(yīng)與數(shù)據(jù)傳遞方向一致。但要避免交叉。在滿足其它要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量加密地線以降低地線的阻抗。
5 實(shí)驗(yàn)測試
本文所介紹的放大電路經(jīng)長時(shí)間通電測試，表現(xiàn)出輸出電壓漂移小、信噪比高、穩(wěn)定度較高，線性度良好的特性。根據(jù)光電靶工作原理以及氣槍彈形狀，可知當(dāng)氣槍彈丸穿過光幕時(shí)，光電管會輸出一個由小到大再由大到小的漸變信號。氣槍彈進(jìn)行射擊時(shí)放大電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。
表1 放大電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
| Vi(mv) | 1.00 | 2.20 | 4.40 | 6.80 | 7.65 | 5.45 | 7.00 | 6.58 | 8.80 |
| Vo(mv) | 799.00 | 1750.0 | 3500.0 | 5425.0 | 6125.0 | 4375.0 | 5600.0 | 5250.0 | 7000.0 |
| Av | 799.0 | 795.5 | 795.5 | 797.0 | 800.6 | 802.7 | 800.0 | 797.8 | 795.5 |
其中：Av=798.8,ΔAv=7.2,ΔVv%=0.72%<1%
通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：光電管本身的熱噪聲和散粒噪聲以及外部光源（如日光）的影響會使得光電管的輸出產(chǎn)生1MHz以下的低頻干擾。由于AD829的INA103對聯(lián)MHz以下的信號不產(chǎn)生放大作用，因此能夠抑制這種噪聲信號，而晶體管和場效應(yīng)管通頻帶寬不能抑制這種噪聲信號，為此需附加硬件電路，這樣會使得電路結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，不利于調(diào)試和安裝，也影響了電路的穩(wěn)定性。
6 結(jié)論
紅外密集度光電立靶已經(jīng)在某靶場投入使用，而且工作穩(wěn)定，能夠達(dá)到彈丸散布測試要求。由此可見，該放大電路完全符合設(shè)計(jì)要求，它能夠較好地放大微弱信號，而且工作穩(wěn)定，具有較好的抗干擾和抑制噪聲能力，可廣泛應(yīng)用于弱信號的放大。
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