文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.012
中文引用格式： 亢帥，王志斌，張敏娟，等. 彈光調制干涉信號放大濾波電路設計[J].電子技術應用，2015，41(11)：45-47，50.
英文引用格式： Kang Shuai,Wang Zhibin，Zhang Minjuan，et al. Amplifying filter circuit design for interference signal of photoelastic modulated interferometer[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：45-47，50.
0 引言
隨著航天航空、軍事科技等高科技領域的飛速發展，被測物質的光譜信息需要通過光譜的傅里葉變換得到[1]。彈光調制光譜儀可以克服掃描速度慢、光譜范圍窄、抗震性弱、信號處理慢等普通傅里葉變換光譜儀的缺點，使其快速獲取光譜信息。彈光調制干涉具由調制和驅動控制系統組成，調制器件主要由輸出力的壓電石英和調制硒化鋅組成，晶體驅動部分采用高負載的高壓諧振電路進行驅動[2]。驅動電壓越高，經過雙折射后輸出的干涉信號頻率就越高并且通過數出干涉信號有效峰個數后計算得出的光程差也就越大。因此將高頻小信號無失真放大到A/D采集范圍顯得非常關鍵[3]。
1 彈光調制干涉具原理
彈光調制干涉偏振結構如圖1所示，在高壓諧振驅動下利用壓電石英逆壓電效應通過施加交變電壓使得彈光晶體產生周期性形變，并且彈光調制器的光程延遲值與形變量成正比[4]。通過相應的壓縮和拉伸，使晶體產生共振，形成了應力駐波，晶體會出現周期性的雙折射，經過起偏器和檢偏器，出現了周期性的調制光程差，從而最后實現了干涉調制[5]。
入射光A1經過起偏器產生與x、y軸成45°偏振光，經過彈光晶體發生雙折射被分成o光和e光，通過晶體后產生mn的光程差。n為折射率差，m為晶體中通光路徑厚度，然后再通過檢偏器后產生干涉。
式中B為雙折射率差的最大值，f為高壓諧振電路提供的頻率。因此得到的彈光調制干涉信號為：
2 小信號放大濾波電路設計
在分析彈光調制干涉信號特點的基礎上，設計直流穩壓電源為小信號放大電路穩定地供電，最后通過低通無源濾波器進行有效的濾波、降噪。通過PCB敷銅，減少電磁輻射干擾，將組件本身的噪聲抑制到最低程度，實現信號路徑的整體匹配[6]。
2.1 直流穩壓電源設計
電源電路如圖2所示，整個電路的輸入電壓為+12 V。利用穩壓電源芯片MORNSUN具有溫漂小、輸出過壓保護、電流保護以及效率高達88%的特性，通過MORNSUN使得輸出電壓轉換為±5 V。在芯片管腳與模擬地之間接入濾波電容C1、C2、C4、C5用來濾除低頻干擾，C3、C6用來濾除高頻交流雜波。使用示波器檢測電源管腳的交流電壓，得出電壓紋波只有5 mV左右，滿足放大電路的供電要求。
2.2 小信號放大器設計
微弱的電信號進入放大器輸入端之后，夾雜的噪聲同樣會被放大，這樣就會影響輸出信號的質量，因此需要選擇低噪元件來解決這一問題，TI公司生產的芯片OPA657作為電壓反饋運算放大器具有高增益、低噪等特性，它的參數指標見表格1。
電路設計如圖3所示，電源正負電壓首先通過LC濾波以減少失調電壓及其溫漂、低噪、共模電壓對運算放大器的影響，運算器電源端并聯10 F、0.1 F旁路電容用來濾除高頻噪聲并且防止其他電路信號進入運放造成振蕩。同相放大需要滿足在開環增益足夠大時，不會讓運放飽和，并且輸入兩端電壓差要非常小從而實現虛短、虛斷。根據正相比例電壓放大基本電路通過參考芯片數據手冊進行設計正相電壓負反饋放大電路，得到電路增益為：
A(w)為開環增益，是隨頻率增加而減小的函數[7]。負反饋電路調節電路的穩定性，Ra作為負反饋電阻必須有足夠精度，且電路閉環增益要小，從而具有較高共模抑制比進行共模信號抑制。隨著頻率的上升，首先附加相移會變大，反饋信號的相移會符合正反饋的條件發生自激振蕩[8]，需要通過補償電容C1=C2=0.1 pF進行相位補償網絡提高穩定性。計算此時電路的零點頻率：
得出fz=48.2 MHz，可知補償電容的取值滿足信號帶寬理論范圍。其次放大電路的穩定性會逐漸變差，這樣會使得兩級放大后各段頻率放大倍數不一致，造成嚴重失真，通過RC電路能夠在放大要求帶寬內延長頻率響應平穩度，最后經過計算并且調試電路得出當反饋電阻R1=R2=330 ，放大器輸入負端-IN接入電阻R7=R12=33 ，+IN輸入端連接電阻R=Ra//Rb即R10=R11=30 時，在所需頻率范圍內前置放大倍數均為12倍，使得信號在0～50 MHz頻率范圍內放大倍數趨于穩定，避免發生失真[9]。
120 MHz高速A/D轉換器采集量程為600 mV～4 V，因此需要采用兩級級聯方式來提高放大倍數。當級聯兩級放大電路輸出阻抗不匹配時，信號就會發生反射，而阻抗匹配可以使兩級的阻抗為純阻性，消除電抗影響，使得信號無損傳輸。通過在前級運放的輸出近端串聯50 電阻進行串行匹配后，信號在后置運放輸入點會有一次反射，由于反射信號做了阻抗匹配，反射回來的信號經過阻抗均勻的導線，則信號就不會再反射回去。
2.3 濾波電路設計
干涉信號從探測器出來時會伴隨著噪聲，并且在示波器與信號發生器連接的同時也會引入干擾等，通過頻譜儀觀察到整個干涉信號帶寬為50 MHz左右，因此設計了在-3 dB處截止頻率為50 MHz的低通無源濾波器[10]。圖4所示設計紋波系數0.1在二倍頻處衰減大于40 dB的五階無源低通橢圓濾波器。輸入輸出電阻阻抗匹配各為50 。為了使得輸入信號失真最小，在濾波器工作頻率范圍內，將典型值設為6 dB，使其得到固定的延遲。
3 實驗結果及數據分析
3.1 濾波電路結果仿真及測試
利用Filter Solution 10.0對橢圓低通濾波器幅頻特性進行仿真，如圖5所示。當頻率大于50.15 MHz時信號開始大幅度衰減，在90 MHz時頻率衰減接近40 dB，與理論分析相差不大，并且通過信號發生器給濾波電路一個1 V正弦激勵，將信號源接入濾波器的輸入端，示波器接入測試濾波器的輸出端，輸出阻抗為50 。逐步調試信號源的頻率，記錄示波器的信號幅度，當示波器測試幅度為0.707 V時，此時對應濾波器的帶寬，當示波器信號幅度極小時，此時信號源的頻率對應濾波器的截止頻率。
3.2 兩級放大電路實驗
圖6所示以18 W碳硅棒作為光源，在諧振頻率為49.401 kHz、幅值為270 V正弦高壓信號驅動下，干涉信號峰峰值Vin為21.6 mV，將其接入兩級放大濾波電路后輸出得到無失真電壓放大信號峰峰值Vout為2.64 V，放大增益為41.7 dB，滿足A/D采集量程。
4 結論
針對干涉信號特點，設計具有高信噪比和較高帶寬的小信號放大濾波電路。實驗證明，該電路實現了對帶寬范圍內微弱電信號的有效放大并且整體趨于平穩，為后續的傅里葉變換和光譜還原反演等處理提供了可靠依據。在信號發生器、示波器和射頻線之間傳輸時，高頻信號易發生微弱衰減，造成輸出幅值略減小，因此需要進一步的優化。
參考文獻
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