一种基于电子斩光的微弱光信号检测电路

技术领域

本发明涉及微弱光信号检测电路，尤其是涉及一种基于电子斩光的微弱光信号检测电路。

背景技术

在光学研究中，待测的光信号可能很微弱，而且受到噪声干扰，甚至出现噪声信号强度远高于待测光信号的情况。微弱光信号是一个相对量，相对于噪声信号而言，光信号被淹没于噪声信号之中，难以被检测到。将光信号从噪声中检测出来是当前微弱光信号检测电路的技术关键。噪声的本质和特性决定了微弱光信号检测电路的检测灵敏度与检测下限，微弱光信号检测电路的关键在于抑制噪声并提高信噪比。斩波调制电路能将微弱光信号调制成交变光信号，能够回避1/f噪声并得到与调制频率同步的交变光信号。利用相敏检测电路和低通滤波电路构成的锁定放大器能够改善信噪比，提高微弱光信号检测电路对噪声干扰的抵抗能力。

文献1(胡振德,管轶华,谢建军,金庆辉.一种基于锁定放大的微弱荧光检测仪研制[J].无线通信技术,2021,30(02):50-55+62.)中提出一种斩波调制电路,其电路图如图1所示。该斩波调制电路包括光电倍增管、AD4530构成的电流/电压转换电路、斩波调制电路和同向交流放大电路，通过采用单片机产生的TTL方波控制模拟开关HC4053对运算放大器A1和A2输出的两路信号实现平衡斩波调制。该斩波调制电路的工作原理是：硅光电倍增管D1检测到微弱荧光信号并将其转换为电流信号输出至电流/电压转换电路，电流/电压转换电路由ADI公司的fA级输入偏置电流放大器ADA4530、R2构成将电流信号转换为直流电压信号输出至斩波调制电路，斩波调制电路将直流电压信号转换为交流方波信号输出至同向交流放大电路，实现频谱的搬移，同向交流放大电路由电压串联负反馈和电容耦合的方式构成，交流方波信号通过同向交流放大电路可以被放大并有效抑制直流低频噪声的影响。虽然该斩波调制电路实现了小型化，但是仍然存在前级放大器的漂移、暗电流、直流低频噪声等带来的误差，从而使得检测灵敏度低、检测下限高。

近年来，出现了一种光学斩波器，该光学斩波器的斩波机械图如图2所示，光学斩光器是一种电子控制的风扇式轮叶，主要由主机箱、斩波机械和连接线三大部分组成，主机箱是速度控制电子学系统，斩波机械包含斩波座和机械斩光片等部分，主机箱通过连接线控制机械斩光片的转速。该光学斩光器的工作原理是：机械斩光片在速度控制电子学系统控制下，以特定转速转动，将被测光(连续光)斩断成一定频率的周期性断续光，且遮断时间等于透光时间，从而将恒定光源改成交变的方波光源，使直流辐射信号变成交流辐射信号，便于后续电子学处理。上述光学斩光器除了能对被测光进行调制外，同时输出与调制频率同步的参考电压方波，用作锁定放大器的参考信号，因此，特别适用于采用锁定放大器的激光、光学或微波测量系统。上述光学斩光器还采用了专门的控制系统(即速度控制电子学系统)，能方便地连续调节斩光器的斩光频率，并保证斩光频率具有很高的稳定性。当一束连续光通过机械斩光片形成的孔盘时即被斩成一段一段的脉冲光时，该光学斩波器虽然避免了前级放大器的漂移、暗电流、直流低频噪声等带来的误差，检测灵敏度较高、检测下限较低，但是由于速度控制电子学系统采用电机机械调制控制机械斩光片速度，整体体积较大，不易操作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在实现小型化的同时，检测灵敏度高、检测下限低的基于电子斩光的微弱光信号检测电路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于电子斩光的微弱光信号检测电路，包括斩光模块、光电转换电路、高通滤波电路、同相放大电路、带通滤波电路、相敏检测电路、低通滤波电路和微控制器，所述的斩光模块用于在所述的微控制器控制下，将微弱光信号调制为微弱交变光信号，所述的光电转换电路用于将所述的斩光模块调制的微弱交变光信号转换为电压信号输出至所述的高通滤波电路，将所述的光电转换电路输出的电压信号记为V1，V1包含直流电压信号和交变电压信号V2，所述的高通滤波电路用于滤除电压信号V1中的直流电压信号得到交变电压信号V2输出至所述的同相放大电路，所述的同相放大电路用于放大所述的高通滤波电路输出的交变电压信号V2得到交变电压信号Vs输出至所述的带通滤波电路，所述的带通滤波电路用于对所述的同相放大电路输出的交变电压信号Vs进行滤波得到交流正弦电压信号Va输出至所述的相敏检测电路，所述的相敏检测电路通过参考信号Vc实现幅值为1的方波信号与交流正弦电压信号Va相乘得到交变电压信号Vd输出至所述的低通滤波电路，所述的参考信号Vc由所述的微控制器提供，所述的低通滤波电路用于对所述的相敏检测电路输出的交变电压信号Vd进行滤波，得到用于反映所述的微弱光信号强度的直流电压信号VOUT在其输出端输出，所述的微控制器能够读取所述的低通滤波电路输出的直流电压信号VOUT，实现了微弱光信号的检测；所述的微控制器产生频率和幅值均相同的两路方波信号，将一路方波信号记为Vr，方波信号Vr用于控制所述的斩光模块将微弱光信号调制为微弱交变光信号，其中微弱交变光信号的频率与方波信号Vr相等，另一路方波信号作为参考信号Vc输出至所述的相敏检测电路。

所述的高通滤波电路、所述的同相放大电路、所述的带通滤波电路和所述的低通滤波电路分别具有输入端和输出端，所述的相敏检测电路具有输入端、输出端和控制端，所述的微控制器分别与所述的斩光模块、所述的低通滤波电路的输出端和所述的相敏检测电路的控制端连接，所述的光电转换电路的输出端与所述的高通滤波电路的输入端连接，所述的高通滤波电路的输出端与所述的同相放大电路的输入端连接，所述的同相放大电路的输出端与所述的带通滤波电路的输入端连接，所述的带通滤波电路的输出端与所述的相敏检测电路的输入端连接，所述的相敏检测电路的输出端与所述的低通滤波电路的输入端连接。

所述的斩光模块包括液晶玻璃，所述的微控制器与所述的液晶玻璃连接，所述的方波信号Vr用于控制所述的液晶玻璃中电流的通断，进而控制所述的液晶玻璃的透光与不透光状态，使照射在所述的液晶玻璃处的微弱光信号调制为微弱交变光信号。该结构中，采用液晶玻璃实现斩光模块，当液晶玻璃断电时，液晶玻璃里面的液晶分子会呈现不规则的散布状态，此时液晶玻璃呈现不透光的外观状态，当液晶玻璃通电后，液晶玻璃里面的液晶分子呈现整齐排列，光线可以自由穿透，此时液晶玻璃呈现透光的外观状态，由此，通过控制与液晶玻璃通电或者断电，实现微弱光信号的调制，得到微弱交变光信号，有效避免后续取代微弱光信号作为待测信号的交变电压信号V2受到1/f噪声等干扰，液晶玻璃体积较小，容易操作。

所述的光电转换电路包括硅光电倍增管、第一电阻和第二电阻，所述的第一电阻的一端接27V电压，所述的第一电阻的另一端与所述的硅光电倍增管的阴极端连接，所述的硅光电倍增管的阳极端与所述的第二电阻的一端连接且其连接端为所述的光电转换电路的输出端，所述的第二电阻的另一端接地。该光电转换电路中直接利用第二电阻将电流信号(光电流信号和暗电流信号)转换为电压信号(光电流信号产生的交流电压信号和暗电流信号产生的直流电压信号)，不需要采用额外的电流/电压转换电路，从而不会存在因为引入额外的电流/电压转换电路而产生的的其他直流电压信号(即失调电压)，减少失调电压的影响，后续高通滤波电路采用简单的电路结构就可以滤除电压信号中的直流电压信号，从而得到精度较高的交流电压信号，光电转换电路和高通滤波电路的配合，整体结构简单、价格低廉、克服了暗电流产生的电压以及器件失调电压等直流量的干扰，降低了检测下限，滤除带外噪声以提高信号的信噪比，提高了检测灵敏度。

所述的高通滤波电路包括第一电容和第三电阻，所述的第一电容的一端为所述的高通滤波电路的输入端，所述的第一电容的另一端与所述的第三电阻的一端连接且其连接端为所述的高通滤波电路的输出端，所述的第三电阻的另一端接地。

所述的同相放大电路包括第一运算放大器、第四电阻和第五电阻，所述的第一运算放大器具有同相输入端、反相输入端和输出端，所述的第一运算放大器的同相输入端为所述的同相放大电路的输入端，所述的第一运算放大器的反相输入端、所述的第四电阻的一端和所述的第五电阻的一端连接，所述的第五电阻的另一端接地，所述的第四电阻的另一端和所述的第一运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的同相放大电路的输出端。

所述的带通滤波电路包括第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻和第十四电阻，所述的第二运算放大器、所述的第三运算放大器和所述的第四运算放大器均具有同相输入端、反相输入端和输出端，所述的第二电容的一端为所述的带通滤波电路的输入端，所述的第二电容的另一端与所述的第六电阻的一端连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第七电阻的一端、所述的第三电容的一端和所述的第四电容的一端连接，所述的第七电阻的另一端接地，所述的第三电容的另一端、所述的第八电阻的一端和所述的第二运算放大器的反相输入端连接，所述的第二运算放大器的同相输入端接地，所述的第八电阻的另一端、所述的第四电容的另一端、所述的第二运算放大器的输出端和所述的第九电阻一端连接，所述的第九电阻的另一端、所述的第十电阻的一端、所述的第五电容的一端和所述的第六电容的一端连接，所述的第十电阻的另一端接地，所述的第五电容的另一端、所述的第十一电阻的一端和所述的第三运算放大器的反相输入端连接，所述的第三运算放大器的同相输入端接地，所述的第十一电阻的另一端、所述的第六电容的另一端、所述的第三运算放大器的输出端和所述的第十二电阻一端连接，所述的第十二电阻的另一端、所述的第十三电阻的一端、所述的第七电容的一端和所述的第八电容的一端连接，所述的第十三电阻的另一端接地，所述的第七电容的另一端、所述的第十四电阻的一端和所述的第四运算放大器的反相输入端连接，所述的第四运算放大器的同相输入端接地，所述的第十四电阻的另一端、所述的第八电容的另一端和所述的第四运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的带通滤波电路的输出端。该带通滤波电路中，第二运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三电容和第四电容构成第一个二阶滤波器，第三运算放大器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第五电容和第六电容构成第二个二阶滤波器，第四运算放大器、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第七电容和第八电容构成第三个二阶滤波器，由此采用三个结构简单的二阶滤波器级联实现高达六阶的滤波器，在交变电压信号Vs输入时，第二电容先进一步滤除交变电压信号Vs中的直流电压，提高检测精度，再通过高达六阶的滤波器进行滤波，带通滤波效果更好。

所述的相敏检测电路包括反相器电路和模拟开关，所述的反相器电路包括第五运算放大器、第十五电阻和第十六电阻，所述的第五运算放大器具有同相输入端、反相输入端和输出端，所述的模拟开关具有第一输入端、第二输入端、控制端和输出端，所述的模拟开关的第一输入端和所述的第十五电阻的一端连接且其连接端为所述的相敏检测电路的输入端，所述的第十五电阻的另一端、所述的第十六电阻的一端和所述的第五运算放大器的反相输入端连接，所述的第五运算放大器的同相输入端接地，所述的第十六电阻的另一端、所述的第五运算放大器的输出端和所述的模拟开关的第二输入端口连接，所述的模拟开关的输出端为所述的相敏检测电路的输出端。该相敏检测电路利用第一模拟开关实现幅度为±1的方波信号与交流正弦电压信号Va相乘的功能，输出信号幅度不受参考信号幅度的影响，没有非线性的问题，其电路简单、运行速度快、有利于降低成本和提高电路运行速度。

所述的低通滤波电路包含第十七电阻和第九电容，所述的第十七电阻的一端为所述的低通滤波电路的输入端，所述的第十七电阻的另一端与所述的第九电容的一端连接且其连接端为所述的低通滤波电路的输出端，所述的第九电容的另一端接地。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过微控制器产生方波信号Vr控制斩光模块中电流的通断，实现微弱光信号的斩波调制，得到与微弱光信号强度一致的微弱交变光信号，光电转换电路将微弱交变光信号再进行转换，得到包含直流电压信号和交变电压信号V2的电压信号V1输出，将交变电压信号V2作为待测信号输出至同相放大电路，同相放大电路放大交变电压信号V2得到交变电压信号Vs输出至带通滤波电路，带通滤波电路将交变电压信号Vs进行滤波得到交流正弦电压信号Va输出至相敏检测电路，相敏检测电路通过参考信号Vc实现幅值为1的方波信号与交流正弦电压信号Va相乘得到交变电压信号Vd输出至低通滤波电路，参考信号Vc由微控制器提供，低通滤波电路用于对相敏检测电路输出的交变电压信号Vd进行滤波，得到用于反映微弱光信号强度的直流电压信号VOUT在其输出端输出，微控制器能够读取低通滤波电路输出的直流电压信号VOUT，实现了微弱光信号的检测，本发明采用交变电压信号V2取代微弱光信号作为待测信号，避免了光电转化电路直接将微弱光信号(直流信号)转化成待测信号(直流电压)时导致的暗电流、器件失调电压、1/f噪声带来的干扰，使微弱的待测信号很容易淹没其中，难以进行测量的问题，高通滤波电路滤除电压信号V1中的直流电压信号留下交流分量(即交变电压信号V2)，克服了暗电流产生的电压以及器件失调电压等直流量的干扰，从而降低检测下限，滤除带外噪声以提高信号的信噪比，提高检测灵敏度，保证检测得到的能够体现微弱光信号强度的直流电压信号VOUT，由此本发明仅通过斩光模块、光电转换电路、高通滤波电路、同相放大电路、带通滤波电路、相敏检测电路、低通滤波电路和微控制器来实现，在实现小型化的同时，检测灵敏度高、检测下限低。

附图说明

图1为现有技术中文献1公开的一种微弱荧光检测的斩波电路图；

图2为现有技术中公开的一种光学斩波器的斩波机械图；

图3为本发明的基于电子斩光的微弱光信号检测电路的结构框图；

图4为本发明的基于电子斩光的微弱光信号检测电路的光电转换电路、高通滤波电路和同相放大电路的电路图；

图5为本发明的基于电子斩光的微弱光信号检测电路的带通滤波电路的电路图；

图6为本发明的基于电子斩光的微弱光信号检测电路的相敏检测电路和低通滤波电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图3所示，一种基于电子斩光的微弱光信号检测电路，包括斩光模块、光电转换电路、高通滤波电路、同相放大电路、带通滤波电路、相敏检测电路、低通滤波电路和微控制器，斩光模块用于在微控制器控制下，将微弱光信号调制为微弱交变光信号，光电转换电路用于将斩光模块调制的微弱交变光信号转换为电压信号输出至高通滤波电路，将光电转换电路输出的电压信号记为V1，V1包含直流电压信号和交变电压信号V2，高通滤波电路用于滤除电压信号V1中的直流电压信号得到交变电压信号V2输出至同相放大电路，同相放大电路用于放大高通滤波电路输出的交变电压信号V2得到交变电压信号Vs输出至带通滤波电路，带通滤波电路用于对同相放大电路输出的交变电压信号Vs进行滤波得到交流正弦电压信号Va输出至相敏检测电路，相敏检测电路通过参考信号Vc实现幅值为1的方波信号与交流正弦电压信号Va相乘得到交变电压信号Vd输出至低通滤波电路，参考信号Vc由微控制器提供，低通滤波电路用于对相敏检测电路输出的交变电压信号Vd进行滤波，得到用于反映微弱光信号强度的直流电压信号VOUT在其输出端输出，微控制器能够读取低通滤波电路输出的直流电压信号VOUT，实现了微弱光信号的检测；微控制器产生频率和幅值均相同的两路方波信号，将一路方波信号记为Vr，方波信号Vr用于控制斩光模块将微弱光信号调制为微弱交变光信号，其中微弱交变光信号的频率与方波信号Vr相等，另一路方波信号作为参考信号Vc输出至相敏检测电路。

本实施例中，高通滤波电路、同相放大电路、带通滤波电路和低通滤波电路分别具有输入端和输出端，相敏检测电路具有输入端、输出端和控制端，微控制器分别与斩光模块、低通滤波电路的输出端和相敏检测电路的控制端连接，光电转换电路的输出端与高通滤波电路的输入端连接，高通滤波电路的输出端与同相放大电路的输入端连接，同相放大电路的输出端与带通滤波电路的输入端连接，带通滤波电路的输出端与相敏检测电路的输入端连接，相敏检测电路的输出端与低通滤波电路的输入端连接。

实施例二：本实施例与实施例基本相同，区别在于：

本实施例中，如图4所示，斩光模块包括液晶玻璃，微控制器与液晶玻璃连接，方波信号Vr用于控制液晶玻璃中电流的通断，进而控制液晶玻璃的透光与不透光状态，使照射在液晶玻璃处的微弱光信号调制为微弱交变光信号。光电转换电路包括硅光电倍增管SiPM、第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端接27V电压，第一电阻R1的另一端与硅光电倍增管SiPM的阴极端连接，硅光电倍增管SiPM的阳极端与第二电阻R2的一端连接且其连接端为光电转换电路的输出端，第二电阻R2的另一端接地。高通滤波电路包括第一电容C1和第三电阻R3，第一电容C1的一端为高通滤波电路的输入端，第一电容C1的另一端与第三电阻R3的一端连接且其连接端为高通滤波电路的输出端，第三电阻R3的另一端接地。同相放大电路包括第一运算放大器A1、第四电阻R4和第五电阻R5，第一运算放大器A1具有同相输入端、反相输入端和输出端，第一运算放大器A1的同相输入端为同相放大电路的输入端，第一运算放大器A1的反相输入端、第四电阻R4的一端和第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端接地，第四电阻R4的另一端和第一运算放大器A1的输出端连接且其连接端为同相放大电路的输出端。

如图5所示，带通滤波电路包括第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第二运算放大器A2、第三运算放大器A3、第四运算放大器A4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第十四电阻R14，第二运算放大器A2、第三运算放大器A3和第四运算放大器A4均具有同相输入端、反相输入端和输出端，第二电容C2的一端为带通滤波电路的输入端，第二电容C2的另一端与第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的一端、第三电容C3的一端和第四电容C4的一端连接，第七电阻R7的另一端接地，第三电容C3的另一端、第八电阻R8的一端和第二运算放大器A2的反相输入端连接，第二运算放大器A2的同相输入端接地，第八电阻R8的另一端、第四电容C4的另一端、第二运算放大器A2的输出端和第九电阻R9一端连接，第九电阻R9的另一端、第十电阻R10的一端、第五电容C5的一端和第六电容C6的一端连接，第十电阻R10的另一端接地，第五电容C5的另一端、第十一电阻R11的一端和第三运算放大器A3的反相输入端连接，第三运算放大器A3的同相输入端接地，第十一电阻R11的另一端、第六电容C6的另一端、第三运算放大器A3的输出端和第十二电阻R12一端连接，第十二电阻R12的另一端、第十三电阻R13的一端、第七电容C7的一端和第八电容C8的一端连接，第十三电阻R13的另一端接地，第七电容C7的另一端、第十四电阻R14的一端和第四运算放大器A4的反相输入端连接，第四运算放大器A4的同相输入端接地，第十四电阻R14的另一端、第八电容C8的另一端和第四运算放大器A4的输出端连接且其连接端为带通滤波电路的输出端。

如图6所示，相敏检测电路包括反相器电路和模拟开关K1，反相器电路包括第五运算放大器A5、第十五电阻R15和第十六电阻R16，第五运算放大器A5具有同相输入端、反相输入端和输出端，模拟开关K1具有第一输入端、第二输入端、控制端和输出端，模拟开关K1的第一输入端和第十五电阻R15的一端连接且其连接端为相敏检测电路的输入端，第十五电阻R15的另一端、第十六电阻R16的一端和第五运算放大器A5的反相输入端连接，第五运算放大器A5的同相输入端接地，第十六电阻R16的另一端、第五运算放大器A5的输出端和模拟开关K1的第二输入端口连接，模拟开关K1的输出端为相敏检测电路的输出端。低通滤波电路包含第十七电阻R17和第九电容C9，第十七电阻R17的一端为低通滤波电路的输入端，第十七电阻R17的另一端与第九电容C9的一端连接且其连接端为低通滤波电路的输出端，第九电容C9的另一端接地。

本实施例的基于电子斩光的微弱光信号检测电路的工作原理为：当进行微弱光信号检测时，斩光模块外接电源，微控制器产生方波信号Vr和参考信号Vc，方波信号Vr控制斩光模块中电流的通断，斩光模块在方波信号Vr控制下，将输入其内的微弱光信号调制为微弱交变光信号，微弱交变光信号的频率与方波信号Vr相等，微弱交变光信号的强度与微弱光信号的强度成正比。在微弱交变光信号频率不变时，微弱交变光信号的强度和单位时间内微弱交变光信号的光子数成正比，则微弱交变光信号的光子数与微弱光信号的强度成正比。而硅光电倍增管SiPM捕获到微弱交变光信号产生的光子时会产生相应的光电流信号，微弱交变光信号的光子数与硅光电倍增管SiPM产生的光电流信号大小成正比，即微弱光信号的强度与硅光电倍增管SiPM产生的光电流信号也成正比，硅光电倍增管SiPM产生的光电流信号的大小间接反映出微弱光信号的强度。当光电转换电路没有接收到斩光模块调制的微弱交变光信号时，硅光电倍增管SiPM只产生直流电流信号输出，将该直流电流信号称为暗电流信号，当光电转换电路接收到斩光模块调制的微弱交变光信号时，硅光电倍增管SiPM同时将微弱交变光信号转换为对应光电流信号输出，此时，硅光电倍增管SiPM输出包括光电流信号和暗电流信号的电流信号，该电流信号流过第二电阻R2时得到了电压信号V1在光电转换电路的输出端输出，光电转换电路输出的电压信号V1包含直流电压信号和交变电压信号V2，直流电压信号与暗电流信号和1/f噪声相对应，交变电压信号V2与光电流信号I1相对应且两者成正比，电压信号V1输出至高通滤波电路，高通滤波电路通过第一电容C1和第三电阻R3滤除电压信号V1中的直流电压信号，得到交变电压信号V2输出至同相放大电路，同相放大电路的主要作用是放大交变电压信号V2得到足以推动相敏检测器工作的交变电压信号Vs，同相放大电路输出的交变电压信号