光电子变换电路输出的电压信号

来源:华文易迅 时间:2022-09-08 09:00:00

2.1.1近红外光源和驱动电路。

选择以1270.1310.1350.1410.1410.1450.1450.1450.1450.1510.1510.1550nm及1610nm共8个波段的近红外激光光源作为主动式单波段光源，用TO56封装，功率20mW。

近距离遥测时，由于聚光透镜的作用，土壤反射的自然光也会进入探测系统，严重干扰主动光信号的检测。天然光短时间变化不大，其对应的电信号可视为直流信号。为此，在设计激光光源驱动电路时，为了避免自然光的干扰，采用直流偏执保证二极管正常发光，将微弱的正弦波信号叠加起来，使激光光源的光束按一定频率发生微弱变化，实现激光光源的调制。利用光电检测电路中的锁相放大模块，对激光光源调制的土壤信号进行解调，只检测特定频率的交变信号，从而避免了自然光的干扰。以CD4051模拟开关为核心，实现对8路激光源的选择驱动与切换。

2.1.2光电检测器和光电转换电路。

针对近场遥测方法对土壤反射光进行探测的激光光束，土壤表面反射的激光信号较弱。所以在检测光信号时，选择高灵敏度.低暗电流.大感应表面InGaAs光电二极管探测器，感光区直径5mm，波长响应范围800~1700nm，封装方式为TO-8，暗电流为10nA。用聚光透镜把从土壤中反射的激光聚焦到光电探测器感应区，转化为电流信号。由光电检测器输出的电流信号经前置放大电路(跨阻放大器)转换为电压信号，以准备提取主动光信号。

2.1.3有源光信号提取电路。

光电子变换电路输出的电压信号，是自然光对应的直流电信号.激光光束对应的直流和交流电信号叠加。这样，为了提取出相应的有效激光光束，采用MLT04乘法提取相应的交流电信号，通过输入信号(自然光和激光光束对应的电信号)与参考信号相乘，实现锁相放大电路功能。相乘式输出的混合信号经滤波器，提取所需激光光束对应的交流信号，从而消除自然光对应的直流信号，避免自然光的干扰。被提取的激光束相应的交流信号进入信号调理电路，对其进行放大、滤波，放大到AD转换电路要求的幅度。

2.1.4　ADC转换电路。

ADC转换电路选择了MAX11410，它是一种24位ADC芯片，具有低功耗.多通道.高精度的特点，输入部分包括低噪声程控增益放大器(ProgrammableGainAmplifier)极高的输入阻抗和1~128倍可变增益，优化了系统的动态范围。即使是高阻源也很容易驱动，输入缓冲提供了在开关电容采样网络之间的信号输入隔离。ADC10通道输入多路转换器可灵活地实现复杂的传感器测量。单循环模式下，数字滤波器在一个转换期内保持稳定。FIR数字滤波器允许16ms内单周期稳定，同时提供超过90dB的50和60Hz电源噪声抑制。片上振荡器不需要外接元件，简化了高精度传感器的应用。

2.1.5数据采集、传输和供电电路。

采用STM32F103单片机进行数据采集与传输，以完成ADC转换数据的采集与传输，并提供以激光光束交变驱动信号和锁相放大参考信号为正弦波交变信号，控制选择激光光源的多路模拟开关控制。在HM-11串口蓝牙透传模块中，通过单片机将数据上传到智能手机上传模块。

该系统以8.4V锂电池供电，并用诸如LM2940.SP3819和ADR431等电源芯片来实现5.3.3和2.5V电压稳定、精密的直流电源，为各种芯片和模块供电。

2.2软件设计。

系统软件包括两大模块：一是基于单片机的嵌入式下位机软件设计；二是基于智能手机的应用软件设计，具体功能如下。

1)基于STM32F103单片机系统下位机嵌入式软件，包括特定频率的信号发生模块.ADC转换程序模块.模拟开关控制程序模块.串口-蓝牙通讯程序模块等，以STM32F103为主运行方式.激光光束对应的模拟电压采集.光源驱动所需的交变激励信号产生.模拟开关通断.8路激光二极管交替驱动.光谱反射率计算及数据传输等功能。

(2)基于智能手机的app软件主要是通过无线通讯与单片机进行交互，控制单片机执行相关操作，采集、存储由单片机上载的数据。

2.3光路设计。

光路系统主要包括激光发射及反射激光光束接收系统。有角度照射并最大限度地接收激光。为确保8个波段激光光束在20~50cm远距离(即激光光源端面到土壤表面的距离)对土壤表面进行一致照射，该激光器是通过具有一定角度限制的孔洞固定，且均匀地分布在聚光透镜周围，确保这些光源相对于反射激光光束接受系统的投射角.范围一致。由于受激光照射土壤后所反射的光信号较弱，设计反射式激光接受系统时，要使光电二极管接收土壤表面反射的光，在8波段激光束处的同心圆心位置聚焦聚焦透镜，以保证对反射光束信号的采集最大化，并将聚集的光信号发送到探测器表面。增加检测灵敏度。