一种双色探测器信号放大控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及双色探测器技术领域，尤其设及一种双色探测器信号放大控制系统及 方法。
【背景技术】
[0002] 在近红外光谱分析仪中，为使仪器的工作波段能够覆盖600nm~1700nm，通常采 用Si-InGaAs双色光电探测器。双色探测器采用两种不同的探测器组合，从结构上来看，双 色探测器采用上下结构，上层探测器响应短波长，下层探测器响应透过上层探测器的长波 长。使用Si-InGaAs双色探测器，将整个测试波段分段并分别用相应响应波段的光电探测 元件进行接收，能够保证整个测量光谱范围内都有比较高的光谱响应率。探测器接收到光 信号后输出电流信号，经前置放大电路转换为电压信号，再经放大电路进行电压放大，最后 经过A/D电路转换为数字信号。由于探测器的Si-PIN和InGaAs-PIN具有不同的光谱响应 曲线W及强弱不同的暗电流，因此需要针对两种不同波段来控制探测器后端的信号放大处 理电路，并且该信号放大控制系统还需要具有速率高、噪声低、分辨率高等特点。双色光电 探测器的信号放大控制系统直接关系着光谱分析仪的信噪比、动态范围、最小可测功率等 指标参数。
[000引发明专利"一种InGaAs短波红外探测器信号处理系统"（【申请号】 201510119537.4)公开了一种由InGaAs短波红外探测器、差分单端转换电路、信号调理滤 波电路、模数转换电路、数据处理电路等部分组成的信号处理系统。InGaAs短波红外探测 器将探测到的光信号转换为差分电信号送至信号输入端，信号输入端包括第一源端电阻R1 和第二源端电阻R2。该系统通过差分单端转换电路实现信号的阻抗匹配、放大、主备份接口 支持，信号再经过信号调理滤波电路处理得到模数转换电路输入动态范围内的模拟差分信 号，进入模数转换电路输出并行的数字信号，最终传入数据处理电路中实现数字滤波然后 进行并串转换，得到相应的串行数据，并将该数据打包成所需的数据格式。
[0004] 发明专利"一种光电探测器系统增益稳定的控制电路"（【申请号】201410559435. 讶公布了一种由放大电路、脉宽整形电路、电压甄别电路和控制电压动态调节电路组成的 光电探测器系统增益稳定的控制电路。放大电路对光电探测器阳极输出的电流脉冲信号进 行放大并将其转换成电压信号，脉宽整形电路去除无用脉冲信号并将尖峰脉冲信号转换成 固定脉宽的方波频率信号，电压甄别电路通过上口限比较电压和下口限比较电压监控放大 电路输出脉冲的增益，控制电压动态调节电路通过积分电容的充放电调节控制电压并调整 光电探测器的工作电压，实现光电探测器工作时的增益稳定控制。 阳0化]Si-InGaAs双色探测器具有Si-PIN和InGaAs-PIN两个光电探测元件，运两个探测 元件分别工作在不同波段，在每个波段上的光谱响应曲线也是不一样的。另外，光学系统的 杂散光和探测器自身的暗电流造成的背景噪声经过多次放大W后，会对信号采集造成严重 影响，尤其是在微弱光信号检测时，背景噪声会将信号淹没。
[0006] 上述两种专利公开的技术均没有考虑两个波段的光谱响应率不同的问题，采用单 一的放大控制电路来对两个波段的信号进行放大，更加无法在双色探测器的两个工作波段 间快速切换。同时，无法满足两种波段下不同档位时的多级调零偏移电压，无法有效地消除 探测器暗电流噪声影响。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种双色探测器信号放大控制系统 及方法，该系统及方法能够适应两种波段的选择信号、放大倍数组合及滤波带宽的控制，并 提供多个档位选择和视频带宽设定。同时该信号放大控制系统具有四级调零偏移信号补偿 电路，通过D/A引入到放大器输入端，有效抑制噪声来增大微弱信号的幅度，提高仪器的信 噪比、动态范围、最小可测功率等指标参数。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 一种双色探测器信号放大控制系统，包括：依次串联连接的双色探测器工作波段 选择开关、前置放大电路、滤波电路、多级放大电路、A/D转换电路、微处理器W及上位机；
[0010] 所述多级放大电路的每一级放大电路均通过D/A转换电路连接调零偏移信号，用 于为多级放大电路提供调零模拟信号；
[0011] 所述微处理器通过控制前置放大控制信号锁存器实现对双色探测器工作波段的 选择、前置放大电路的放大倍数的选择W及抗混叠模拟滤波电路滤波带宽的选择；所述微 处理器通过控制放大输出信号锁存选择输出放大后的信号。
[0012] 所述多级放大电路的每一级放大电路均与视频带宽控制电路连接，用于控制多级 放大电路的模拟信号带宽。
[0013] 所述调零偏移信号的大小根据每一级放大电路输出噪声电压值的大小确定。
[0014] 所述视频带宽的档位包括VBW1~VBW6。
[0015] 所述微处理器通过控制多级放大控制信号锁存器来选择多级放大电路的放大档 位及其带宽控制电路的视频带宽。
[0016] 所述多级放大电路为四级放大电路。
[0017] 所述前置放大电路为电流转电压放大电路，所述前置放大电路的放大倍数选择档 位包括：IkΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ、10MΩ和100MΩ;所选档位通过前置放大控制信号锁存 送入前置放大电路中。
[0018] 所述多级信号放大电路为电压放大电路，所述多级信号放大电路的放大倍数选择 档位包括：X1倍、X10倍、X100倍、X1000倍、X10000倍；所选档位通过多级放大控制 信号锁存送入多级级放大电路中。
[0019] 一种双色探测器信号放大控制系统的方法，包括：
[0020] 双色探测器输出的电流信号经前置放大电路转换为电压信号，经过抗混叠模拟滤 波电路滤除高频噪声后，再经多级放大电路放大，最后经过A/D转换电路上传到上位机中；
[0021] 微处理器对各个控制端口进行寻址访问，控制端口包括：前置放大控制信号锁存 端口、多级调零偏移信号端口、放大控制信号锁存端口、放大输出信号锁存端口；
[0022] 微处理器为每个端口分配一个固定的地址，对相应的地址进行读写操作，通过数 据总线，将控制信号分别送入前置放大电路、滤波电路和多级放大电路；将放大后的模拟信 号转换数字信号后，送往上位机的数据总线；上位机根据噪声电压大小计算调零偏移电压 值，通过数字模拟转换器将调零偏移电压数字信号转换为模拟信号反馈给多级放大电路。
[0023] 输入光功率为零时，微处理器分别检测多级放大电路中每一级放大电路在两种工 作波段W及不同档位时的输出噪声电压值，根据所述电压值计算每一级放大电路的调零偏 移信号；
[0024] 所述调零偏移信号为每一级放大电路提供直流信号偏移电压，当再次检测到多级 放大电路的输出电压为零时，表明已经消除了由于光学系统的杂散光和探测器自身的暗电 流噪声的背景噪声。
[00巧]本发明的有益效果是：
[00%] (1)本发明的16位高速微处理器通过寻址方式对16位前置放大控制信号锁存端 口、12位调零偏移信号Va端口、12位调零偏移信号Ve端口、12位调零偏移信号Vε端口、12 位调零偏移信号Vd端口、16位放大控制信号锁存端口、16位放大板输出信号选择开关控制 端口进行读写操作，上位机通过数据总线对电路进行选择信号、放大倍数组合及滤波带宽 的控制。
[0027] (2)本发明的档位控制信号用于控制前置放大电路、抗混叠模拟滤波电路和多级 放大电路，系统共有6X5X6 = 180种可选的档位组合选择方案。本发明在切换双色探测 器的工作波段选择开关时，及时调整档位并更新控制信号，W便适应两种工作波段。
[0028] (3)本发明的信号放大控制系统具有四级调零偏移信号补偿电路，根据检测到的 不同波段不同档位时的噪声电压值，设置不同的调零偏移电压值，通过D/A引入到放大器 输入端，为四级放大电路的运算放大器提供四级直流信号偏移电压，在增大微弱信号的幅 度的同时有效地抑制噪声，提高仪器信噪比和灵敏度，能够满足微弱光信号输入时的光谱 分析。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明双色探测器信号放大控制系统结构示意图；
[0030] 图2为本发明档位组合选择方法示意图。
【具体实施方式】：
[0031] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
[0032] 一种双色探测器信号放大控制系统，包括：依次串联连接的双色探测器工作波段 选择开关、前置放大电路、滤波电路、多级放大电路、A/D转换电路、微处理器W及上位机；
[0033] 多级放大电路的每一级放大电路均通过D/A转换电路连接调零偏移信号，用于为 多级放大电路提供调零模拟信号；调零偏移信号的大小根据每一级放大电路输出噪声电压 值的大小确定；
[0034] 微处理器通过控制前置放大控制信号锁存器实现对双色探测器工作波段的选择、 前置放大电路的放大倍数的选择W及抗混叠模拟滤波电路滤波带宽的选择；微处理器通过 控制放大输出信号锁存选择输出放大后的信号；微处理器通过控制多级放大控制信号锁存 器来选择多级放大电路的放大档位及其带宽控制电路的视频带宽。
[0035] 一种双色探测器信号放大控制系统的方法，包括：
[0036] 双色探测器输出的电流信号经前置放大电路转换为电压信号，经过抗混叠模拟滤 波电路滤除高频噪声后，再经多级放大电路放大，最后经过A/D转换电路上传到上位机