一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路
阅读说明：本技术 一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路 (Four-quadrant detector signal conditioning circuit for displacement feedback system ) 是由 王颖颖 高晓文 朱绍冲 许世东 陈杏藩 胡慧珠 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路,包括四象限探测器、电流隔直模块、跨阻放大模块和模拟运算模块。四象限探测器将激光信号转换为电流信号,电流隔直模块提取出电流信号中包含位移信息的交流分量；跨阻放大模块接入电流隔直模块的输出信号,将其转换为电压信号并放大后输出；模拟运算模块接入跨阻放大模块输出的电压信号进行模拟运算和低通滤波,解算出目标的三维动态位移信息。本发明可实现高精度三维动态位移测量,适用于位移反馈系统的搭建,具有高增益兼具高带宽、电路结构简单、低噪声的优点。(The invention discloses a four-quadrant detector signal conditioning circuit for a displacement feedback system, which comprises a four-quadrant detector, a current blocking module, a transimpedance amplification module and an analog operation module. The four-quadrant detector converts the laser signal into a current signal, and the current blocking module extracts an alternating current component containing displacement information from the current signal; the transimpedance amplification module is connected with an output signal of the current blocking module, converts the output signal into a voltage signal, amplifies the voltage signal and outputs the amplified voltage signal; the analog operation module is connected to the voltage signal output by the transimpedance amplification module to perform analog operation and low-pass filtering, and three-dimensional dynamic displacement information of the target is calculated. The invention can realize high-precision three-dimensional dynamic displacement measurement, is suitable for building a displacement feedback system, and has the advantages of high gain, high bandwidth, simple circuit structure and low noise.)
技术领域
本发明涉及光电探测领域，尤其涉及一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路。
背景技术
四象限探测器的工作原理如下：四象限探测器是由四个完全相同的光电探测器按照四个象限排列而成。通常照射到四象限探测器光敏面的激光束用圆形光斑且能量分布均匀，当光束照射到四象限探测器表面时，若光束中心位于四象限探测器中心，各象限接收到的光功率相同，输出相等的光电流；若光束中心偏于四象限探测器中心，四个象限上由于光斑面积不同，接收到的光能量也会发生变化，从而产生不同强度的光电流，所以光电流的变化可以解算出光斑中心相对于探测器中心的位移变化。一般根据经典的和差算法，可以得到：
其中IA、IB、IC、ID分别为四象限探测器四个象限生成的光电流，IREF为初始位置时四象限探测器生成的光电流总和；IX、IY可表示为光斑在X轴、Y轴上的能量变化，IZ可表示为光斑总强度的变化，通过IX、IY、IZ可以解算出目标在X轴、Y轴和Z轴上的位移信息。
四象限探测器具有对称性好、共模噪声抑制强、频谱响应范围广、灵敏度高的优点，被广泛应用于光镊力谱技术、激光准直技术、运动目标跟踪技术等动态测量领域。这些动态测量领域一般需要位移反馈系统对目标的三维位置信息进行实时反馈，从而作为调节量的依据，比如在激光自动准直技术中，需要根据动态目标在三个空间轴上的位移信息控制步进电机转动，使激光自动对准动态目标中心。在位移反馈系统中，目标的位移变化往往是快速的、微弱的，所以经四象限探测器转换后的光电流信号特征为：微弱（µA量级）、高频的交流量上叠加了大的直流量（mA量级），只有交流分量中包含了位移变化信息。因此用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路要求具有高增益、高响应带宽、低噪声的特点。
然而现有技术中，一般是将四象限探测器生成的光电流通过跨阻放大器转换成电压信号后再做信号调理，存在以下问题：
1)采用跨阻放大器等有源器件，光电流中的高直流分量会极大地限制跨阻放大电路的增益，导致运算放大器饱和。所以这种方法需要在跨阻放大电路后级再添加多级电压放大结构实现高增益，电路结构复杂，单级电压放大电路受增益带宽积限制，高增益下难以实现高带宽。
2)若直接利用电容实现电流交流耦合，如中国专利申请201910331254.4公开的一种四象限探测器信号放大电路，利用接地电阻R1和电容C1交流耦合去除电流信号中的直流分量，这种方案光电二极管两端的压差会随光电流直流分量幅值的变化而改变，影响光电二极管性能的稳定性，并且最大入射光功率受光电二极管最大反向压差限制。
所以现有技术难以精密提取光电流中的微弱交流信号，需要先将光电流直接转换成电压再做信号调理，存在电路结构复杂，易引入电路噪声，高增益下难以实现高带宽的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路，用于解决现有技术难以精密提取光电流中的微弱交流信号，需要采用多级放大结构，电路结构复杂，易引入电路噪声，且高增益下难以实现高带宽的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路，包括四象限探测器，其特征在于：还包括与所述四象限探测器依次连接的电流隔直模块、跨阻放大模块和模拟运算模块；所述四象限探测器将激光信号转换为电流信号，所述电流隔直模块提取出电流信号中包含位移信息的交流分量，所述跨阻放大模块接入所述电流隔直模块的输出信号，将电流信号转换为电压信号并放大后输出，所述模拟运算模块接入所述跨阻放大模块输出的电压信号进行模拟运算和低通滤波，解算出目标的三维动态位移信息。
进一步地， 所述电流隔直模块由可编程电流源芯片U1、可调电阻R1、电容C1、电阻R2组成；所述四象限探测器经光电转换后产生的电流接入所述可编程电流源芯片U1的输入端，所述可调电阻R1与所述电容C1并联后一端连接所述可编程电流源芯片U1的设置端，另一端连接-5V的偏置电压，所述电阻R2一端连接所述可编程电流源芯片U1的输出端，另一端连接-5V的偏置电压。
进一步地，所述可编程电流源芯片U1输入端的电流IB1= ,其中Ibase为所述可编程电流源芯片内部参考电流，通过调节所述可调电阻R1的阻值可以调节所述可编程电流源芯片U1输入端的电流IB1的大小。
进一步地，所述跨阻放大模块由运算放大器U2、可调电阻R3和电容C2组成；所述可调电阻R3和所述电容C2并联后，一端连接所述运算放大器U2的负输入端，另一端连接所述运算放大器U2的输出端，所述运算放大器U2的正输入端接地，负输入端连接所述可编程电流源芯片U1输入端。
进一步地，所述跨阻放大模块的输出VB=IB2 × R3，其中IB2=IB-IB1，IB为四象限探测器单个象限产生的光电流，通过调节所述可调电阻R3的阻值从而调节所述跨阻放大模块的输出增益。
进一步地，所述模拟运算模块包括X轴模拟运算电路、Y轴模拟运算电路和Z轴模拟运算电路，分别用于解算X轴、Y轴和Z轴三个空间轴上的位移信息。
进一步地，所述X轴模拟运算电路的输出信号VX=KX（VA+VB-VC-VD）,其中Kx为所述X轴模拟运算电路的增益系数；所述X轴模拟运算电路具有低通滤波功能。
进一步地，所述Y轴模拟运算电路的输出信号VY=KY（VA+VD-VB-VC）,其中KY为所述Y轴模拟运算电路的增益系数；所述Y轴模拟运算电路具有低通滤波功能。
进一步地，所述Z轴模拟运算电路的输出信号VZ=KZ（VA+VB+VC+VD）,其中KZ为所述Z轴模拟运算电路的增益系数；所述Z轴模拟运算电路具有低通滤波功能。
本发明公开一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路，首先采用电流隔直模块，从光电流中提取包含位移信息的微弱交流信号，再通过跨阻放大模块将交流信号转换成电压信号并放大，跨阻放大模块的增益可通过可调电阻调节，最后通过模拟运算模块进行模拟运算和滤波，解算出目标的三维动态位移信息。与现有技术相比，由于滤除了电流中不含位移信息的直流分量再转换成电压信号，仅通过一级跨阻放大电路即可实现105量级高增益，不需要增加后级放大电路，简化了后级电路结构，减少了噪声的引入，而且在跨阻放大电路中，单级放大结构在实现105量级高增益的同时可以达到1MHz以上高带宽。本发明可实现高精度三维动态位移测量，适用于位移反馈系统的搭建，具有高增益兼具高带宽、电路结构简单、低噪声的优点。
附图说明
图1是四象限探测器工作原理示意图；
图2是本发明用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路原理框图；
图3是本发明的具体实施例中电流隔直模块和跨阻放大模块的具体电路示意图；
图4是本发明的具体实施例中模拟运算模块的具体电路示意图；
图5是本发明具体实施例中跨阻放大模块输入信号IB2的LTspice仿真波形图；
图6是本发明具体实施例中跨阻放大模块输出信号VB的LTspice仿真幅频特性曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
本发明所提供的一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路，包括四象限探测器和与四象限探测器依次连接的电流隔直模块、跨阻放大模块和模拟运算模块。四象限探测器将激光信号转换为电流信号，经过电流隔直模块提取出电流信号中包含位移信息的交流分量；跨阻放大模块接入电流隔直模块的输出信号，将电流信号转换为电压信号并放大后输出；模拟运算模块接入跨阻放大模块输出的电压信号进行模拟运算和低通滤波，解算出目标的三维动态位移信息。
在一实施例中，如图3，电流隔直模块由可编程电流源芯片U1、可调电阻R1、电容C1、电阻R2组成，它们之间的连接关系描述如下：四象限探测器经光电转换后产生的电流接入可编程电流源芯片U1的输入端，可调电阻R1与所述电容C1并联后一端连接可编程电流源芯片U1的设置端，另一端连接-5V的偏置电压，电阻R2一端连接可编程电流源芯片U1的输出端，另一端连接-5V的偏置电压。
其中，可编程电流源芯片U1的型号为LT3092，U1输入端的电流IB1= , Ibase为U1内部参考电流，大小为10µA。通过调节可调电阻R1的阻值可以控制U1输入端的电流IB1。根据基尔霍夫电流定律，流入跨阻放大模块的电流IB2=IB-IB1，将IB1大小调节到等于四象限探测器单个象限产生的电流IB中的直流分量，则IB2大小等于IB中的交流分量，从而实现了滤除不包含位移信息的光电流直流分量，只提取光电流交流分量的功能。并且这种方法可以减少微弱信号的衰减和失真，实现µA级别交流信号的提取。
在本实施例中，如图3，跨阻放大模块由运算放大器U2、可调电阻R3和电容C2组成，它们之间的连接关系描述如下：可调电阻R3和电容C2并联后，一端连接运算放大器U2的负输入端，另一端连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U2的正输入端接地，负输入端连接可编程电流源芯片U1输入端。其中R3为反馈电阻，决定电流电压的转换增益，通过调节R3的阻值可以调节跨阻放大模块的输出增益。电容C2为负反馈电容，用于提高电路稳定性。运算放大器U2的输出VB=IB2× R3，由于IB2中只包含了光电流中的微弱交流量，所以跨阻放大模块的电流电压转换增益可以很大而不至于运算放大器饱和。
本实施例中，跨阻运算放大器U2的型号选用低噪声高带宽的LT1226，跨阻反馈电阻R3的阻值选为100KΩ，反馈电容C2容值选为1pF，光电流信号设置为10mA直流分量和电流幅值1µA、频率10kHz的交流分量叠加，可编程电流源芯片U1输入端电流IB1调节为10mA。本实施例跨阻放大电路输入信号IB2的LTspice仿真波形如图5，跨阻放大电路输出信号VB的LTspice仿真幅频特性曲线如图6，仿真波形表明本实施例可以实现在光电流大直流分量中精密提取µA级别的交流分量，并且跨阻放大电路能够实现105量级的高增益兼具1MHz以上的高带宽。
在本实施例中，如图4，模拟运算模块由X轴模拟运算电路、Y轴模拟运算电路和Z轴模拟运算电路组成，分别用于解算X、Y、Z三个空间轴上的位移信息。X轴模拟运算电路由电阻R4至电阻R10、电容C3至电容C7以及运算放大器U3组成，它们之间的连接关系描述如下：R4至R7的一端分别连接跨阻放大模块的输出VA、VB、VC、VD；R4、R5另一端短接后连接R9、R8和C3，R9的另一端连接运算放大器U3的负输入端，R8的另一端连接U3的输出端，C3的另一端接地；C4的一端连接U3的负输入端，另一端连接U3的输出端；R6、R7另一端短接后连接U3的正输入端，R10和C6并联后一端接地，另一端连接U3的正输入端；C5一端连接U3的正电源端，另一端接地；C7一端连接U3的负电源端，另一端接地。C3、C4、R8和R9构成低通滤波网络，通过调整这4个器件的值可以调整X轴输出带宽。
X轴模拟运算电路的输出VX=KX（VA+VB-VC-VD）,其中Kx为X轴模拟运算电路的增益系数，KX由电阻R4、R5、R6、R7、R8以及R10的比例关系决定。根据运算放大器虚短、虚断的特性，可以得到：
本实施例中R4=R5=R6=R7=R8=R10 ，为了提高4个象限的相应均匀度，这6个电阻采用0.1%精度电阻，由上述式（4）和式（5）可以得出：
Y轴模拟运算电路的输出VY=KY（VA+VD-VB-VC）,其中KY为Y轴模拟运算电路的增益系数, KY由R11、R12、R13、R14、 R15以及R17的比例关系决定。Y轴模拟运算电路的组成结构和X轴模拟运算电路一致。在本实施例中R11=R12=R13=R14=R15=R17, 为了提高4个象限的相应均匀度，这6个电阻采用0.1%精度电阻, Y轴模拟运算电路的输出：
本实施例中，Z轴模拟运算电路由电阻R18至电阻R24、电容C13至电容C16以及运算放大器U5组成，它们之间的连接关系描述如下：R18至R21的一端分别连接跨阻放大模块的输出VA、VB、VC、VD，另一端短接后连接R22、R23、C13，R22另一端连接U5的输出端，R23的另一端连接U5的负输入端，C13的另一端接地；C14的一端连接U5的负输入端，另一端连接U5的输出端；R24的一端连接U5的正输入端，另一端接地；C16一端连接U5的正电源端，另一端接地，C15一端连接U5的负电源端，另一端接地。C13、C14、R22和R23构成低通滤波网络，通过调整这4个器件的值可以调整Z轴输出带宽。
Z轴模拟运算电路的输出VZ=KZ（VA+VB+VC+VD）,其中KZ为Z轴模拟运算电路的增益系数，KZ由R18、R19、R20、R21以及R22的比例关系决定。根据运算放大器虚短、虚断的特性，可以得到：
本实施例中，R18=R19=R20=R21=4×R22, 为了提高4个象限的相应均匀度，这5个电阻采用0.1%精度电阻, 由上述式（8）可以得出：
本发明的四象限探测器信号调理电路，采用电流隔直模块先提取电流中包含位移信息的微弱交流量，再转换为电压信号的方法，能够实现105量级高增益的同时达到1MHz以上高带宽，并且仅需一级跨阻放大电路，简化了后级电路结构，有利于减少输入噪声。本发明的技术方案可实现高精度三维动态位移测量，适用于位移反馈系统的搭建，具有高增益兼具高带宽、电路结构简单、低噪声的优点。
上述具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明的保护范围内。
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