高速四元探测器峰值保持电路的设计*

2010-12-07胡永宏张喜和

弹箭与制导学报 2010年3期

胡永宏,张喜和

(长春理工大学理学院,长春 130022)

0 引言

高频调Q激光器作为发射光源进行目标定位,根据四元光电探测器各象元接收到光能量的大小,确定目标光斑位置。相比较连续激光器,纳秒激光脉冲光源作为发射光源具有峰值功率高、抗干扰能力强、可使用时间编码等优点而被广泛采用。但是,探测接收部分需要采用响应速度快的光电探测器,探测器输出4路纳秒级脉冲信号,由于脉冲很窄,后续电路在信号采集之前,需要对窄脉冲信号进行峰值保持处理。峰值保持可在同一时刻将4通道的信号峰值保存起来,在一段时间内不丢失,等待模数转换器采集。

1 四元探测峰值保持电路的原理

四元探测器接收能量变化范围较大的纳秒激光信号,转换为纳秒级的电脉冲信号,流入跨阻放大电路,将信号放大。放大后的信号分送两路;一路流入四元采样保持电路;另一路流入峰值检测电路,甄别脉冲信号的峰值时刻,触发四元采样保持电路;四元采样保持电路未接到触发信号前跟踪输入信号;接到触发信号后保持当前信号的电压值,且保持一段时间等待后续电路读取(见图1)。

图1 四元探测器保持电路基本结构

为了适应不同背景环境下随机脉冲信号所附加的背景噪声特征不同的特点,峰值检测电路设计了基准阈值自适应配置模块进行基准阈值设置[1];跨阻放大电路为4路放大器并联,共用相同的增益调节,增益调节会根据前一个脉冲信号的幅度自动调节增益大小,适应不同幅度脉冲的放大。四元探测器具有4路独立的保持单元模块且共用一个触发信号,可同时保持4路脉冲信号[2]。

2 电路设计

2.1 跨阻放大电路设计

接收激光探测器采用GT3541T,它是响应波长900nm到1700nm,在激光定位、精细加工、导航等方面应用广泛。

跨阻放大器类型选为NE5210高速跨阻放大器,四元探测器等效为一个高速脉冲电流源,放大器最高增益跨阻为7kΩ,25MHz带宽[3]。放大器增益可自动换挡切换,0dB,-20dB,-40dB,-60dB,-80dB,-100dB;增益的改变根据当前放大器输出电压而变化,当输出电压低于0.2V时,放大器增益提高20dB;当增益高于2V时,放大器增益下降20dB,使得输出电压能够动态的适应探测器在不同距离上接收能量大小不同产生的电压脉冲。设计的电路图见图2。

图2 跨阻放大器电路

D1为四元探测器,外加HV反向偏置电压,信号流入跨阻放大器;U1为单端跨阻放大器,具有同向和反向输出端,反向端作为U1的反馈端,同向端作为U1的输出端;C1、C2、C3和C4为放大器U1的反馈元件,选择不同容值,其交流阻抗不同,得到放大器增益大小不同;J1、J 2、J 3和J 4是半导体开关,通过开关的选通,调整U1的增益大小。C5和R1组成高通滤波器,可消除放大器直流分量和低频分量。

2.2 峰值检测电路设计

峰值检测电路将放大后的信号进行峰值时刻检测,在信号达到峰值前将输出触发信号给四元采样保持电路(见图3)。

图3 峰值检测电路

放大器输出的四路脉冲信号经过R2 、R3、R4和R5耦合为一路信号。U2、D2、R8 和C6组成基准阈值自适应配置电路,保持U2反向输入端的背景噪声电压;R6和D3组成0.3V的偏值电压,叠加于噪声电压之上,作为U3的参考比较电压。U3为MAX913,将U3的反向输入端和同向输入端的电压进行比较。当接收到激光脉冲时,U3反向输入端电压高于同向输入端电压,输出低电平脉冲;R7、C7组成定时电路,连接点接在U3的使能端,使触发电路输出脉冲宽度满足模数转换所需要的时间。将低电平脉冲做200μ s时间的延时,作为四元电压保持器的触发信号。

2.3 四元采样保持电路设计

四元采样保持电路将放大器的输入信号,在触发信号触发之时,保存当前瞬间电压数值。4路信号的输出在没有触发信号之前,跟踪输入电压;为了将输出与输入跟踪得更为精准,这里采用输出端接低通滤波器的结构。R9、C8,R10、C9,R11、C10,R12、C11构成4路低通滤波器;该滤波器在没有保持信号触发时,由于输入信号的频率较高,滤除噪声信号;当有200μ s保持信号到来时,保持的电压信号为低频信号,可很好的通过滤波器(见图4)。