Приемник оптического излучения с динамическим питанием

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПРИЕМНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ДИНАМИЧЕСКИМ ПИТАНИЕМ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Приемник оптического излучения с динамическим питанием, содержащий фотоприемный блок на основе балансного моста, в плечо которого включен фоторезистор, а выходы плеч балансного моста соединены со входами дифференциального усилителя, выход которого подключен к последовательно соединенным синхродетектору, интегратору, вычислительному блоку, отличающийся тем, что в него введены стабилизированный двухполярный источник питания, тактовый генератор и коммутатор, причем выходы коммутатора соединены со входами питания балансного моста, а входы коммутатора соединены с выходами двухполярного источника питания, тактовый вход коммутатора соединен с тактовым генератором, вход управления коммутатора соединен с вычислительным блоком, при этом балансный мост выполнен с возможностью раздельного динамического питания каждого из плеч моста, или к выходу опорного плеча балансного моста подключен интегрирующий конденсатор, соединенный с общей шиной. Фиг. 1 Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для приема и обработки оптического излучения ближней и средней инфракрасной (ИК) области спектра в системах спектральной лазерной диагностики. 47072008.10.30 Известно устройство для приема ИК-излучения 1, содержащее оптическую систему с приемником излучения, усилитель, суммирующий усилитель, датчик температуры фона,делитель напряжения, коммутатор. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерений, обусловленная обработкой информационного сигнала по постоянному току, в связи с чем снижается отношение сигнал/шум и невозможно применение оптимальных методов обработки, повышающих отношение сигнал/шум. Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для приема ИКизлучения 2, содержащее оптическую систему с приемником излучения, обтюратор,двигатель, оптронную пару, датчик температуры окружающей среды, синхродетектор с интегратором, сумматор. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений, а также сложность конструкции, большие габаритные размеры и большое энергопотребление, обусловленные использованием механического обтюратора, электродвигателя и оптронной пары. Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности измерений и упрощении конструкции устройства. При этом обеспечивается возможность контроля правильности балансировки измерительного моста фотоприемного блока в режиме измерения интенсивности оптического излучения и учета величины возможной разбалансировки при измерениях. Решение поставленной задачи позволит использовать устройство в системах прецизионной регистрации оптического излучении средней ИКобласти, например в пирометрических системах бесконтактного контроля температуры различных технологических процессов, в системах спектральной лазерной диагностики. Поставленная задача решается путем того, что в устройство 2, содержащее фотоприемный блок на основе балансного моста, в плечо которого включен фоторезистор, а выходы плеч балансного моста соединены со входами дифференциального усилителя, выход которого подключен к последовательно соединенным синхродетектору, интегратору, вычислительному блоку, введены стабилизированный двухполярный источник питания, тактовый генератор и коммутатор, причем выходы коммутатора соединены со входами питания балансного моста, а входы коммутатора соединены с выходами двухполярного источника питания, тактовый вход коммутатора соединен с тактовым генератором, вход управления коммутатора соединен с вычислительным блоком, при этом балансный мост выполнен с возможностью раздельного динамического питания каждого из плеч моста,или к выходу опорного плеча балансного моста подключен интегрирующий конденсатор,соединенный с общей шиной. Свойства, появляющиеся у заявляемого устройства, следующие повышение точности измерений, обусловленное тем, что в предлагаемом устройстве амплитуда информационного сигнала имеет в два раза большую величину по сравнению с известным. Кроме того, обеспечивается возможность проверки правильности балансировки измерительного моста в процессе измерений, при этом определяется величина разбалансировки (если она присутствует) и учитывается влияние величины разбалансировки на результат измерения, за счет чего достигается дополнительное повышение точности при непрерывных долговременных измерениях по сравнению с прототипом 2 упрощается конструкция и уменьшаются габаритныеразмеры устройства, а также уменьшается энергопотребление за счет исключения механического обтюратора, двигателя с тахогенератором, светодиода и фотодиода. Это позволит использовать предлагаемую полезную модель при разработке и создании миниатюрных приемных блоков оптического излучения в гибридно-интегральном исполнении. Сущность полезной модели поясняется с помощью фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, а на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Устройство содержит фотоприемный блок 1 на основе балансного моста (БМ), в плечо которого включен фоторезистор, а выходы плеч балансного моста соединены со входами дифференциального усилителя, выход которого подключен к после 2 47072008.10.30 довательно соединенным синхродетектору 2, интегратору 3, вычислительному блоку 4, а также тактовый генератор 5, коммутатор 6, стабилизированный двухполярный источник питания 7, причем выходы коммутатора соединены со входами питания балансного моста,а входы коммутатора соединены с выходами двухполярного источника питания, тактовый вход коммутатора соединен с тактовым генератором, вход управления коммутатора соединен с вычислительным блоком. Устройство работает следующим образом. В начале измерений балансный мост фотоприемного блока настраивается таким образом, что на входах дифференциального усилителя находятся нулевые уровни и на выходе, соответственно, также ноль. Напряжения питания балансного моста на входах 1 и 2 равны 12, а на входах 3 и 4 равны 34-, соответственно. Если поменять питание резистивного балансного моста на противоположное (при этом питание дифференциального усилителя (ДУ) остается неизменным), разбаланса моста не произойдет и на выходе ДУ будет также ноль. Тактовая частота генератора 5 (фиг. 2 а) управляет коммутатором 6, обеспечивающим динамический режим питания балансного моста с помощью коммутации сигнала со стабилизированного двухполярного источника питания 7. При отсутствии входного оптического сигнала на выходе ДУ находится нулевой уровень. Если на фоточувствительный резистор ф попадает оптическое излучение, произойдет разбаланс моста и на выходе ДУ появится напряжение сигнала с, характеризующее интенсивность оптического излучения (фиг. 2 б непрерывная линия). При изменении питания моста на противоположное, на выходе ДУ появится напряжение - (фиг. 2 б). Таким образом, при периодическом изменении напряжения питания БМ на противоположное, на его выходе будет переменный сигнал с амплитудой, характеризующей интенсивность оптического излучения. Динамический режим питания балансного моста позволяет получить переменный электрический сигнал, пропорциональный интенсивности оптического излучения, аналогичный сигналу с использованием механического обтюратора в прототипе 2, однако в предлагаемой полезной модели амплитуда сигнала будет в два раза больше. Далее переменный сигнал с частотой , равной частоте генератора 5, и амплитудой, равной удвоенному значению , поступает на вход синхродетектора 2. Синхродетектор 2 работает таким образом, что коммутирует фазу измеряемого сигнала в соответствии с частотой ,и на интегратор поступают только положительные полупериоды с амплитудой(фиг. 2 в). Выходной сигнал синхродетектора с интегратором за один период интегрирования Т будет где- амплитуда сигнала,- напряжение шума. Как видно из формулы (1), при использовании интегрирования запериодов тактового генератора, будет происходить когерентное накопление полезного сигнала, при этом шумы будут складываться в противофазе, за счет чего достигается значительное улучшение отношения сигнал/шум. Если вследствие каких либо причин, например при изменении условий окружающей среды, температуры, влажности, давления, а также при изменении напряжения питания, нагреве при протекании электрического тока и т.п. произошел разбаланс измерительного моста, то в выходном сигнале появится ошибка(фиг. 2,б,в - штриховые линии),обусловленная величиной разбаланса. Для измерения величиныпредлагаются два варианта. В первом варианте обеспечивается возможность раздельного динамического питания каждого из плеч балансного моста. На начальном этапе измерений напряжения питания обоих плеч совпадают 12, 34. В этом режиме выходной сигнал будет равен 1. Затем для измеренияс помощью коммутатора 6 динамическое питание на плечи подается в противофазе 1-2, 3-4. В режиме противофазного питания выходной сигнал будет равен 2- . Если разбаланс измерительного моста отсутствует 3, то при изменении режима питания величина выходного сигнала интегратора 4 не изменится. Если произошел разбаланс моста (на инвертирующем входе дифференциального усилителя появилось напряжение ), то в зависимости от знакавеличина выходного сигнала интегратора 4 увеличится или уменьшится на(фиг. 2,б,в - штриховые линии). Искомый сигнал, обусловленный только измеряемым оптическим излучением, будет равен 21(2) 2 Сигнал переключения режима питания моста подается с вычислительного блока 4 на вход управления коммутатора 6. Однако не всегда имеется возможность обеспечить раздельное динамическое питание каждого из плеч балансного моста, например, в случае гибридно-интегрального исполнения моста, когда выходы 1 и 2, 3 и 4, соответственно, соединены внутри микросхемы. Для измерения величиныв этом случае предлагается второй вариант решения этой задачи. К выходу опорного плеча балансного моста подключается интегрирующий конденсатор С. Сначала используется низкая частота 1 динамического питания моста, удовлетворяющая условию 11/. При этом интегрирующий конденсатор С не будет оказывать влияния на работу системы, так как постоянная времени интегрирующей цепочкибудет значительно меньше периода динамического питания Т, поэтому система будет работать как описано выше и выходной сигнал будет равен 1. Затем сигналом с вычислительного блока тактовый генератор увеличивает частоту динамического питания до уровня 21/. В этом случае интегрирующий конденсатор С будет оказывать влияние на работу системы, интегрируя величину разбаланса , так как постоянная временибудет больше периода динамического питания. В зависимости от полярности питания величина разбаланса может быть илив первый полупериод динамического питания, или - во второй полупериод, следовательно, на выходе опорного плеча моста будет среднее интегрированное нулевое значение. Следовательно, выходной сигнал системы в этом режиме будет 2. Как следует из алгоритма работы, если разбаланс отсутствует (0), то показания вычислительного блока в обоих режимах будут одинаковые. Если разбаланс присутствует, то его величина будет равна разности результатов вычислений в обоих режимах. Таким образом, использование режима раздельного динамического питания обеих плеч балансного моста или использование интегрирующего конденсатора на выходе опорного плеча позволяет повысить точность измерений и производить проверку правильности балансировки измерительного моста, не прерывая процесса непрерывной регистрации оптического излучения. При этом определяется величина разбалансировки (если она присутствует), и ее значение учитывается при вычислении сигнала. За счет этого достигается повышение точности при непрерывных долговременных измерениях. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4