0 引言

　　隨著航天航空、軍事科技等高科技領(lǐng)域的飛速發(fā)展，被測(cè)物質(zhì)的光譜信息需要通過(guò)光譜的傅里葉變換得到[1]。彈光調(diào)制光譜儀可以克服掃描速度慢、光譜范圍窄、抗震性弱、信號(hào)處理慢等普通傅里葉變換光譜儀的缺點(diǎn)，使其快速獲取光譜信息。彈光調(diào)制干涉具由調(diào)制和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成，調(diào)制器件主要由輸出力的壓電石英和調(diào)制硒化鋅組成，晶體驅(qū)動(dòng)部分采用高負(fù)載的高壓諧振電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[2]。驅(qū)動(dòng)電壓越高，經(jīng)過(guò)雙折射后輸出的干涉信號(hào)頻率就越高并且通過(guò)數(shù)出干涉信號(hào)有效峰個(gè)數(shù)后計(jì)算得出的光程差也就越大。因此將高頻小信號(hào)無(wú)失真放大到A/D采集范圍顯得非常關(guān)鍵[3]。

1 彈光調(diào)制干涉具原理

　　彈光調(diào)制干涉偏振結(jié)構(gòu)如圖1所示，在高壓諧振驅(qū)動(dòng)下利用壓電石英逆壓電效應(yīng)通過(guò)施加交變電壓使得彈光晶體產(chǎn)生周期性形變，并且彈光調(diào)制器的光程延遲值與形變量成正比[4]。通過(guò)相應(yīng)的壓縮和拉伸，使晶體產(chǎn)生共振，形成了應(yīng)力駐波，晶體會(huì)出現(xiàn)周期性的雙折射，經(jīng)過(guò)起偏器和檢偏器，出現(xiàn)了周期性的調(diào)制光程差，從而最后實(shí)現(xiàn)了干涉調(diào)制[5]。

　　入射光A1經(jīng)過(guò)起偏器產(chǎn)生與x、y軸成45°偏振光，經(jīng)過(guò)彈光晶體發(fā)生雙折射被分成o光和e光，通過(guò)晶體后產(chǎn)生mn的光程差。n為折射率差，m為晶體中通光路徑厚度，然后再通過(guò)檢偏器后產(chǎn)生干涉。

　　式中B為雙折射率差的最大值，f為高壓諧振電路提供的頻率。因此得到的彈光調(diào)制干涉信號(hào)為：

2 小信號(hào)放大濾波電路設(shè)計(jì)

　　在分析彈光調(diào)制干涉信號(hào)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源為小信號(hào)放大電路穩(wěn)定地供電，最后通過(guò)低通無(wú)源濾波器進(jìn)行有效的濾波、降噪。通過(guò)PCB敷銅，減少電磁輻射干擾，將組件本身的噪聲抑制到最低程度，實(shí)現(xiàn)信號(hào)路徑的整體匹配[6]。

　　2.1 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

　　電源電路如圖2所示，整個(gè)電路的輸入電壓為+12 V。利用穩(wěn)壓電源芯片MORNSUN具有溫漂小、輸出過(guò)壓保護(hù)、電流保護(hù)以及效率高達(dá)88%的特性，通過(guò)MORNSUN使得輸出電壓轉(zhuǎn)換為±5 V。在芯片管腳與模擬地之間接入濾波電容C1、C2、C4、C5用來(lái)濾除低頻干擾，C3、C6用來(lái)濾除高頻交流雜波。使用示波器檢測(cè)電源管腳的交流電壓，得出電壓紋波只有5 mV左右，滿(mǎn)足放大電路的供電要求。

　　2.2 小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)

　　微弱的電信號(hào)進(jìn)入放大器輸入端之后，夾雜的噪聲同樣會(huì)被放大，這樣就會(huì)影響輸出信號(hào)的質(zhì)量，因此需要選擇低噪元件來(lái)解決這一問(wèn)題，TI公司生產(chǎn)的芯片OPA657作為電壓反饋運(yùn)算放大器具有高增益、低噪等特性，它的參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表格1。

　　電路設(shè)計(jì)如圖3所示，電源正負(fù)電壓首先通過(guò)LC濾波以減少失調(diào)電壓及其溫漂、低噪、共模電壓對(duì)運(yùn)算放大器的影響，運(yùn)算器電源端并聯(lián)10 F、0.1 F旁路電容用來(lái)濾除高頻噪聲并且防止其他電路信號(hào)進(jìn)入運(yùn)放造成振蕩。同相放大需要滿(mǎn)足在開(kāi)環(huán)增益足夠大時(shí)，不會(huì)讓運(yùn)放飽和，并且輸入兩端電壓差要非常小從而實(shí)現(xiàn)虛短、虛斷。根據(jù)正相比例電壓放大基本電路通過(guò)參考芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)正相電壓負(fù)反饋放大電路，得到電路增益為：

　　A(w)為開(kāi)環(huán)增益，是隨頻率增加而減小的函數(shù)[7]。負(fù)反饋電路調(diào)節(jié)電路的穩(wěn)定性，Ra作為負(fù)反饋電阻必須有足夠精度，且電路閉環(huán)增益要小，從而具有較高共模抑制比進(jìn)行共模信號(hào)抑制。隨著頻率的上升，首先附加相移會(huì)變大，反饋信號(hào)的相移會(huì)符合正反饋的條件發(fā)生自激振蕩[8]，需要通過(guò)補(bǔ)償電容C1=C2=0.1 pF進(jìn)行相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提高穩(wěn)定性。計(jì)算此時(shí)電路的零點(diǎn)頻率：

　　得出fz=48.2 MHz，可知補(bǔ)償電容的取值滿(mǎn)足信號(hào)帶寬理論范圍。其次放大電路的穩(wěn)定性會(huì)逐漸變差，這樣會(huì)使得兩級(jí)放大后各段頻率放大倍數(shù)不一致，造成嚴(yán)重失真，通過(guò)RC電路能夠在放大要求帶寬內(nèi)延長(zhǎng)頻率響應(yīng)平穩(wěn)度，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算并且調(diào)試電路得出當(dāng)反饋電阻R1=R2=330 ，放大器輸入負(fù)端-IN接入電阻R7=R12=33 ，+IN輸入端連接電阻R=Ra//Rb即R10=R11=30 時(shí)，在所需頻率范圍內(nèi)前置放大倍數(shù)均為12倍，使得信號(hào)在0～50 MHz頻率范圍內(nèi)放大倍數(shù)趨于穩(wěn)定，避免發(fā)生失真[9]。

　　120 MHz高速A/D轉(zhuǎn)換器采集量程為600 mV～4 V，因此需要采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式來(lái)提高放大倍數(shù)。當(dāng)級(jí)聯(lián)兩級(jí)放大電路輸出阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)就會(huì)發(fā)生反射，而阻抗匹配可以使兩級(jí)的阻抗為純阻性，消除電抗影響，使得信號(hào)無(wú)損傳輸。通過(guò)在前級(jí)運(yùn)放的輸出近端串聯(lián)50 電阻進(jìn)行串行匹配后，信號(hào)在后置運(yùn)放輸入點(diǎn)會(huì)有一次反射，由于反射信號(hào)做了阻抗匹配，反射回來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗均勻的導(dǎo)線，則信號(hào)就不會(huì)再反射回去。

　　2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

　　干涉信號(hào)從探測(cè)器出來(lái)時(shí)會(huì)伴隨著噪聲，并且在示波器與信號(hào)發(fā)生器連接的同時(shí)也會(huì)引入干擾等，通過(guò)頻譜儀觀察到整個(gè)干涉信號(hào)帶寬為50 MHz左右，因此設(shè)計(jì)了在-3 dB處截止頻率為50 MHz的低通無(wú)源濾波器[10]。圖4所示設(shè)計(jì)紋波系數(shù)0.1在二倍頻處衰減大于40 dB的五階無(wú)源低通橢圓濾波器。輸入輸出電阻阻抗匹配各為50 。為了使得輸入信號(hào)失真最小，在濾波器工作頻率范圍內(nèi)，將典型值設(shè)為6 dB，使其得到固定的延遲。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

　　3.1 濾波電路結(jié)果仿真及測(cè)試

　　利用Filter Solution 10.0對(duì)橢圓低通濾波器幅頻特性進(jìn)行仿真，如圖5所示。當(dāng)頻率大于50.15 MHz時(shí)信號(hào)開(kāi)始大幅度衰減，在90 MHz時(shí)頻率衰減接近40 dB，與理論分析相差不大，并且通過(guò)信號(hào)發(fā)生器給濾波電路一個(gè)1 V正弦激勵(lì)，將信號(hào)源接入濾波器的輸入端，示波器接入測(cè)試濾波器的輸出端，輸出阻抗為50 。逐步調(diào)試信號(hào)源的頻率，記錄示波器的信號(hào)幅度，當(dāng)示波器測(cè)試幅度為0.707 V時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)濾波器的帶寬，當(dāng)示波器信號(hào)幅度極小時(shí)，此時(shí)信號(hào)源的頻率對(duì)應(yīng)濾波器的截止頻率。

　　3.2 兩級(jí)放大電路實(shí)驗(yàn)

　　圖6所示以18 W碳硅棒作為光源，在諧振頻率為49.401 kHz、幅值為270 V正弦高壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，干涉信號(hào)峰峰值Vin為21.6 mV，將其接入兩級(jí)放大濾波電路后輸出得到無(wú)失真電壓放大信號(hào)峰峰值Vout為2.64 V，放大增益為41.7 dB，滿(mǎn)足A/D采集量程。

4 結(jié)論

　　針對(duì)干涉信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有高信噪比和較高帶寬的小信號(hào)放大濾波電路。實(shí)驗(yàn)證明，該電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶寬范圍內(nèi)微弱電信號(hào)的有效放大并且整體趨于平穩(wěn)，為后續(xù)的傅里葉變換和光譜還原反演等處理提供了可靠依據(jù)。在信號(hào)發(fā)生器、示波器和射頻線之間傳輸時(shí)，高頻信號(hào)易發(fā)生微弱衰減，造成輸出幅值略減小，因此需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

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