---在電子電路設(shè)計(jì)中,經(jīng)常需要放大微弱的直流信號(hào)或緩慢變化的信號(hào)。而一般集成運(yùn)算放大器都是利用參數(shù)補(bǔ)償原理的直接耦合或者阻容耦合放大器,它們的初始失調(diào)參數(shù)并不等于零,而是用調(diào)零電位器或精密修正技術(shù)的調(diào)節(jié)來進(jìn)行失調(diào)參數(shù)的補(bǔ)償。如此使得直接耦合放大器在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了溫漂,而阻容耦合放大器雖然能夠抑制溫漂,但不能用來放大微弱的直流信號(hào)或緩慢變化的信號(hào),它會(huì)把這種信號(hào)作為溫漂給抑制掉。使用斬波自動(dòng)穩(wěn)零就能很好解決抑制溫漂和放大微弱直流信號(hào)這個(gè)問題。 斬波技術(shù)基本原理
---如果將直流信號(hào)(或緩慢變化的信號(hào))轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)(它的幅值與直流信號(hào)的幅值成正比),然后用交流放大電路放大,再把它復(fù)原為直流信號(hào),便可以較好地解決抑制溫漂和放大微弱直流信號(hào)的矛盾。這就是斬波技術(shù)的基本指導(dǎo)思想,原理如圖1所示。
---輸入的直流信號(hào)經(jīng)過調(diào)制電路(或斬波電路)、放大電路、解調(diào)電路后,又恢復(fù)為直流輸出。當(dāng)然,這種電路由于調(diào)制型放大器的輸入頻帶很窄,并且模擬開關(guān)換向還產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)噪聲。所以這種電路不適用放大頻率較高的輸入信號(hào)。 自動(dòng)穩(wěn)零基本原理
---單片自動(dòng)穩(wěn)零集成運(yùn)算放大器的基本指導(dǎo)思想是：如果能把運(yùn)放兩個(gè)輸入端短路時(shí)或加共模輸入信號(hào)時(shí)的輸出電壓(誤差電壓)先用電容器寄存起來(將此過程簡(jiǎn)稱為采樣),再與運(yùn)放正常工作時(shí)的輸出電壓相減(將此過程簡(jiǎn)稱為校零),則可有效地減小失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫度變化和電源電壓波動(dòng)所引起的漂移,也可有效地抑制共模信號(hào)。
---圖2是自動(dòng)穩(wěn)零的基本原理圖,MAIN是主放大器(CMOS運(yùn)算放大器),NULL是調(diào)零放大器(CMOS高增益運(yùn)算放大器)。
---電路通過電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行兩個(gè)階段工作：第一是在內(nèi)部時(shí)鐘(OSC)的上半周期,電子開關(guān)A和B導(dǎo)通,A和C斷開,電路處于采樣階段,從而將運(yùn)放NULL的誤差電壓寄存在電容器CEXTA上;第二是在內(nèi)部時(shí)鐘的下半周期,電子開關(guān)A和C導(dǎo)通,A和B斷開,電路處于動(dòng)態(tài)校零和放大階段。將采樣階段寄存在電容器CEXTA上的誤差電壓與放大器NULL正常工作時(shí)所產(chǎn)生的誤差電壓相互抵消,進(jìn)而消除失調(diào)及其漂移和共模信號(hào)對(duì)放大器A2輸出的影響,并將A2的輸出送至運(yùn)放A1的第三輸入端N1,以加強(qiáng)A1輸出。 典型應(yīng)用芯片
---ICL7650是Maxim公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放,輸入偏置電流在25℃時(shí)為1.5pA、輸入失調(diào)電壓為1μV、失調(diào)電壓溫度系數(shù)為0.01μV/℃,輸入電阻可以達(dá)到1012Ω,此外其共模抑制比達(dá)到130dB。
---該芯片內(nèi)部晶振產(chǎn)生200Hz內(nèi)部節(jié)拍頻率,并且這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以從INT/CLK OUT管腳引出。為了穩(wěn)定運(yùn)算放大器輸出信號(hào)的直流分量,可將鉗位端(CLAMP)連接運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端,這樣芯片會(huì)在輸出達(dá)到飽和之前,在鉗位端和輸出端之間建立一個(gè)電流通道,從而防止電荷在校零和寄存電容上繼續(xù)積累,減少電容的充放電恢復(fù)時(shí)間,使得輸出電壓得到穩(wěn)定。 激光器平均光功率控制中的典型應(yīng)用
---由于ICL7650具有高增益、高共模抑制比、能夠放大微弱緩慢變化的信號(hào)等特點(diǎn),所以可以被用在激光器平均光功率控制的前置放大器中。
---在激光器中,隨著溫度的變化,光功率會(huì)不穩(wěn)定,平均光功率不穩(wěn)定會(huì)帶來許多問題。比如在光纖數(shù)字通信中,若激光器發(fā)出的光功率不穩(wěn)定,那么在接受端就會(huì)造成判決“1”、“0”時(shí)脈沖電流前后沿抖動(dòng),無法對(duì)光所攜帶的“1”、“0”信息進(jìn)行準(zhǔn)確判定。在實(shí)際的激光器組件中都含有一個(gè)能夠檢測(cè)激光器背向光的光探測(cè)器(光電二極管PD),將光電二極管PD探測(cè)到的激光器背向光和參考電平比較,放大后控制激光器的偏置電流,從而達(dá)到控制平均光功率的目的。這實(shí)際是一個(gè)閉環(huán)控制電路,見圖3。
---當(dāng)然,由于激光器輸出功率的變化是一個(gè)緩慢漸變過程,所以光電二極管PD探測(cè)到的后向光功率也是一個(gè)緩慢漸變的過程,此時(shí)使用一般的利用參數(shù)補(bǔ)償原理的直耦放大器就不能對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行適時(shí)的放大,可以使用ICL7650能夠放大微弱直流信號(hào)或變化十分緩慢的信號(hào)的特點(diǎn)來放大光電二極管探測(cè)到的后向光電流,進(jìn)而相應(yīng)地改變偏置電流,使輸出光功率恒定。圖4是實(shí)際的平均光功率控制電路原理框圖。
---若取光電二極管的響應(yīng)度為RI(A/W),則激光器輸出的檢測(cè)電流IP為
---IP=R1PLD (1),其中PLD為激光器的輸出光功率。
---經(jīng)取樣電阻后,
---U1=RS×IP=RS×R1PLD (2)
---射極跟隨隔離器的作用是增大帶負(fù)載的能力,隔離負(fù)載接入對(duì)輸入電壓的影響。
---則射隨電路輸出電壓
---U2=U1=RS×R1PLD (3)
---將U2與基準(zhǔn)電壓相比較進(jìn)行差分放大,并記減法器的增益系數(shù)為A1,則減法器輸出電壓
---U4=A1(U3-U2)=A1(U3-RS×R1PLD) (4)
---圖5是ICL760與控制電路和工作電路的連接圖。其中,IRFP460為MOSFET器件,用做壓控電流源。ICL7650可以放大直流和微弱變化的電壓信號(hào),這里記其增益系數(shù)為A2。其輸出電壓
---U6=A2[A1(U3-RS×R1PLD)-U5] (5)
---Q1柵源之間的電壓決定了激光器的最大工作電流,通過調(diào)節(jié)電位器R2可調(diào)整激光器的最大工作電流到一個(gè)合適的值,保證激光器的安全。記Q2 IRFP460的跨導(dǎo)為gm,則激光器LD的工作電流
---IS=gm×UGS=gm(U6-Up)=gm(U6-IS×R4) (6)
---又因?yàn)镮CL7650的反相端輸入電壓
---U5=UP=IS×R4 (7)
---把式(7)代入式(5),然后再代入式(6),可得
---分析式(8)可以看出,當(dāng)激光器的輸出功率PLD有微小的變化時(shí),其工作電路的電流IS會(huì)有相應(yīng)的反向變化,這樣會(huì)使得激光器的輸出功率很快穩(wěn)定到設(shè)定值。
---電路中,基準(zhǔn)電壓可以使用LM399加上外圍電路來提供,通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓可以得到不同的比較誤差電壓,于是得到不同的穩(wěn)定工作電流。ICL7650的外圍電路中,需要在電源電壓輸入端和地之間接入一個(gè)0.1μF的電容,用來濾除電源帶來的干擾。ICL7650的采樣電容C1、C2應(yīng)該使用漏電小、損耗小、吸附效應(yīng)小的高質(zhì)量產(chǎn)品;電路中在ICL7650的OUTPUT端接入濾波網(wǎng)絡(luò),用來濾去ICL7650模擬開關(guān)換向所帶來的斬波尖峰噪聲,減小輸出電壓中的過沖。在實(shí)際使用中,可以在P點(diǎn)接入一個(gè)三位半的顯示表頭,適時(shí)地監(jiān)測(cè)激光器的工作情況。這種光控系統(tǒng)在波長(zhǎng)為1550nm的激光器構(gòu)成的光端機(jī)中短時(shí)功率波動(dòng)小于0.05dBm。
---下面是利用使用ICL7650組成光控系統(tǒng)來穩(wěn)定激光器輸出光功率的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。
---光功率的采樣時(shí)間為1秒種,調(diào)節(jié)外圍電路使激光器輸出光功率為800μW,有意識(shí)增大偏置電流,使輸出光功率增大到850μW,從圖6(a)中可以看到,經(jīng)過該光控系統(tǒng)后,輸出的光功率先在 800μW上下波動(dòng),經(jīng)過大約20秒以后,輸出的光功率就穩(wěn)定在了800μW。以后監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)光功率雖有小的波動(dòng),但基本穩(wěn)定在設(shè)定值。
---當(dāng)有意識(shí)減小偏置電流,使得輸出光功率減小到750μW,從圖6(b)中也可以看到,ICL7650負(fù)反饋的作用,大約經(jīng)過18秒以后,輸出光功率也穩(wěn)定到了800μW。以后監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)光功率雖有小的波動(dòng),但也基本穩(wěn)定在設(shè)定值。這說明由ICL7650組成的負(fù)反饋在電路中能夠很好得起到穩(wěn)定激光器輸出光功率的作用。
---上述平均光功率控制電路已經(jīng)應(yīng)用于光纖數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,并且獲得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。
機(jī)器視覺在標(biāo)簽檢測(cè)中的應(yīng)用
---iLabel是一款光學(xué)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備,用于校驗(yàn)商品包裝上標(biāo)簽的位置及粘貼質(zhì)量。該設(shè)備配置簡(jiǎn)單、易用,既可以在線檢測(cè),也可以脫線檢測(cè)。iLabel采用專用的技術(shù)“show and learn",可通過觀測(cè)物體樣品自動(dòng)提取合格標(biāo)簽,并根據(jù)生產(chǎn)過程或?qū)嶋H生產(chǎn)環(huán)境的不同進(jìn)行檢驗(yàn),經(jīng)判斷模式檢測(cè)后判定標(biāo)簽是否合格。iLabel同時(shí)具有閱讀條形碼、判斷標(biāo)簽相對(duì)位置等功能。
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---iLABEL的主要應(yīng)用：
---● 校驗(yàn)標(biāo)簽的有無
---● 校驗(yàn)包裝上正確的標(biāo)簽
---● 校驗(yàn)包裝上的標(biāo)簽是否有破損、污點(diǎn)或瑕疵
---● 校驗(yàn)標(biāo)簽邊角是否折疊
---● 檢測(cè)標(biāo)簽的方位角是否在限定的范圍 |
