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紅外密集度光電立靶中放大電路的設計
摘要：提出了一種紅外光電立靶測試系統(tǒng)中前置放大電路的設計方案。該方案打破了傳統(tǒng)設計中采用超大β管或利用儀表放大器增益可編程性來獲取所需放大倍數(shù)的方法，選用低噪聲運算放大器和儀表放大器組成電路。同時簡單論述了噪聲放大電路設計中的屏蔽和接地措施。關鍵詞：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重要指標。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，最先進的方法是采用光電靶進行測量。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，當彈丸穿過四個不同不幕時產(chǎn)生相應的脈沖序列，通過對這四個時間值的解算可得到彈丸的著靶坐標，進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，而此設計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)設計方法的弊端，簡化了設計，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，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：當有物體穿過光幕時，會引起接收光電管的光通量發(fā)生變化，此時，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設計要求
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設計方案
該前置放大器電路的設計要從以下幾個方面考慮：首先應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)的放大器電路設計方法是采用超大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會影響輸入信號的質(zhì)量；若采用場效應管組成放大電路，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，同時不管采用晶體管和還是場效應管，均使得整個電路設計比較復雜，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行高增益單級放大，則不能使儀表放大器達到最佳性能。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，應選擇合適的源電阻，因為源電阻的大小是選以一級放大元件的重要依據(jù)。源電阻小于100Ω時，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1kΩ至1MΩ之間可以選用運放，源電阻在1kΩ至1GΩ之間多采用結(jié)型場效應管（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、運算放大器、結(jié)構(gòu)場效應管均可。相比較而言，運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的抑制能力，因此適用于放大微北信號，同時采用運算放大器也可使電路設計簡化、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新型方案實現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)要求，光電管輸出的原始信號應被放大800倍左右，若采用單級放大電路，則當放大倍數(shù)較高時，可能會導致電路自激，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，本設計采用低噪聲運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公司的低噪聲運算放大器AD829，并設計為負反饋放大電路。AD829是一種高速、低噪聲運算放大器，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1.5pA/(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)理想運算放大器的特點和虛短、虛新的概念，可知運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1nV/(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。
本設計采用了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=100kΩ、R4=R5=50kΩ。該方法能提供補償電壓同時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行耦合。阻容耦合方法中放大電路的靜態(tài)工作點是獨立的，即前、后級無關，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，在實際應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，適當時候還可采用電池供電。在電路板制作中導線應盡量加寬，同時在功耗不是首要因素時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，會被強大的噪聲所淹沒，因此要設計這樣的放大電路，應采用合理的屏蔽和接地技術，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于一個屏蔽罩，從而起到了屏蔽作用。在電路連接中應該注意以下兩點：第一，導線屏蔽層應在信號接地處與零信號參考電位點相連。這樣，屏蔽可看成不需要電流返回接地點的泄露通道；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，同時盡量避免使用很長的接地線。通常，當工作頻率低于1MHz時，可采用一點接地方式；當頻率在1~10MHz之間時，如用一點接地，其地線總長度不得超過波長的1/20，反之，則應使用多點接地；當頻率高于10MHz時，應采用多點接地。根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率，本設計采用了多點接地形式。多點接地示意圖如圖3所示。此外，還應注意整個電路電源線、地線的走向應與數(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上，應盡量加密地線以降低地線的阻抗。
5實驗測試
本文所介紹的放大電路經(jīng)長時間通電測試，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，可知當氣槍彈丸穿過光幕時，光電管會輸出一個由小到大再由大到小的漸變信號。氣槍彈進行射擊時放大電路的實驗數(shù)據(jù)如表1所列。
表1放大電路實驗數(shù)據(jù)
Vi(mv)1.002.204.406.807.655.457.006.588.80Vo(mv)799.001750.03500.05425.06125.04375.05600.05250.07000.0Av799.0795.5795.5797.0800.6802.7800.0797.8795.5
其中：Av=798.8,ΔAv=7.2,ΔVv%=0.72%<1%
通過實驗發(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，能夠達到彈丸散布測試要求。由此可見，該放大電路完全符合設計要求，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，可廣泛應用于弱信號的放大。
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