CN104344887B - 一种高速大动态光电检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速大动态光电检测装置，包括光电探测器、阵列式跨接电阻、多路选择开关、放大模块、组合逻辑模块和预判定模块；放大模块的输入端连接至光电探测器的输出端，预判定模块的输入端连接至放大模块的输出端，组合逻辑模块的输入端连接至预判定模块的输出端，多路选择开关的控制端连接至组合逻辑模块的输出端，多路选择开关的输入端通过阵列式跨接电阻连接至光电探测器与放大模块连接的连接端；多路选择开关的输出端连接至放大模块的输出端。微弱光信号通过高速光电探测器转换为相应的电流信号，电流信号通过放大模块和阵列式跨接电阻，输出相应的电压信号，电压信号经过预判定模块，输出数字信号给组合逻辑模块，经组合逻辑模块逻辑选择后，使高速多路选择开关一次性切换到相应量程。

Description

一种高速大动态光电检测装置

技术领域

本发明属于光电测试技术领域，更具体地，涉及一种光电检测装置。

背景技术

光电检测技术是我国科技领域内的前沿技术，已深入到众多科学领域。任何科学领域的进步无一不是依赖于对被研究对象的测量，光纤通信领域的快速发展也不例外，所以对光电测试仪器的需求也快速增加。作为检测光信号强弱的代表——光功率计，是一种精密的光学测量仪器，广泛用于光通信、光学实验、生物医学等众多高新技术领域，尤其在光纤通信领域中，它是测试光功率、光衰减量必不可少的测量仪器。

但现在国内所需的光功率计大多来自进口，而国外光功率计的价格昂贵，虽然国内也有此类产品，但有些指标满足不了需求。Newport公司生产的843-R功率计，动态范围从几nW到2W，达到了90dB，但是速度只能达到15次/秒，价格却达到几千美元；EXFO公司生产的高速功率计PM-1600的动态范围能到90dB左右，但是其速度也只能到ms量级。

现有技术提供了一种光功率计，是利用微控制单元(如单片机)控制程控量程切换电路，从而控制前置放大电路的放大倍数，获得大动态效果，但速度比较慢。

一般地，量程的切换，是通过对前端处理后的光信号，先进行模数转换，输出数字信号传给数字处理单元或微处理单元，再通过与内部软件设置的数据比较，才能切换到对应量程，有的或许要进行多次模数转换、软件比较和切换，所以很难达到高速效果。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光电检测装置，旨在解决现有技术由于采用软件的方式进行比较和切换导致无法达到高速的问题。

本发明提供了一种光电检测装置，包括光电探测器、阵列式跨接电阻、多路选择开关、放大模块、组合逻辑模块和预判定模块；所述放大模块的输入端连接至所述光电探测器的输出端，所述预判定模块的输入端连接至所述放大模块的输出端，所述组合逻辑模块的输入端连接至所述预判定模块的输出端，所述多路选择开关的控制端连接至所述组合逻辑模块的输出端，所述多路选择开关的输入端通过所述阵列式跨接电阻连接至所述光电探测器与所述放大模块连接的连接端；所述多路选择开关的输出端连接至所述放大模块的输出端；所述预判定模块用于直接判定放大模块输出的电压，输出数字信号用于控制多路选择开关一次性切换到相应量程；所述组合逻辑模块是将预判定模块输出的4位数字信号进行组合逻辑选择后，转化为3位数字信号，用于控制多路选择开关一次性切换到相应量程。

其中，在量程的判定方法上，采用预判定模块和组合逻辑块组成的纯硬件电路实现，延迟小，传输时间短。

其中，所述预判定模块包括：第一比较器、第二比较器、第一放大器、第三比较器、第二放大器、第四比较器、第一单刀单掷多路选择开关K1、第二单刀单掷多路选择开关K2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；所述第一比较器的第一输入端连接至所述放大模块的输出端，所述第一比较器的第二入端用于接收第一电压；所述第二比较器的第一输入端连接至所述放大模块的输出端，所述第二比较器的第二入端用于接收第二电压；所述第一放大器的正相输入端通过所述第一单刀单掷多路选择开关K1连接至所述第二比较器的第一输入端；所述第一放大器的反相输入端通过所述第一电阻R1接地，所述第一放大器的反相输入端还通过所述第二电阻R2连接至所述第一放大器的输出端；所述第三比较器的第一输入端连接至所述第一放大器的输出端，所述第三比较器的第二输入端用于接收第二电压；所述第二放大器的正相输入端通过所述第二单刀单掷多路选择开关K2连接至所述第一放大器的输出端；所述第二放大器的反相输入端通过所述第三电阻R3接地，所述第二放大器的反相输入端还通过所述第四电阻R4连接至所述第二放大器的输出端；所述第四比较器的第一输入端连接至所述第二放大器的输出端，所述第四比较器的第二输入端用于连接所述第二电压；所述第一单刀单掷多路选择开关K1的控制端连接至所述第二比较器的输出端，所述第二单刀单掷多路选择开关K2的控制端连接至所述第三比较器的输出端。

其中，所述第二电阻R2的阻值是所述第一电阻R1的阻值的9倍；所述第四电阻R4的阻值是所述第三电阻R3的阻值的9倍。

其中，所述第一电压的值是第二电压的值的10倍。

其中，所述组合逻辑模块包括非门、或门、第一与门和第二与门；所述第一与门的第一输入端用于连接所述第二比较器的输出端b，所述第一与门的第二输入端用于连接所述第三比较器的输出端c；所述第一与门的输出端连接至多路选择开关的第一控制端；所述第二比较器的输出端b连接至多路选择开关的第二控制端；所述非门的输入端用于连接所述第四比较器的输出端d，所述第二与门的第一输入端连接至所述非门的输出端，所述第二与门的第二输入端连接至所述第二比较器的输出端b，所述或门的第一输入端连接至所述第二与门的输出端，所述或门的第二输入端连接至所述第一比较器的输出端a；所述或门的输出端连接至所述多路选择开关的第三控制端。

其中，所述阵列式跨接电阻包括多个阵列布置的电阻，多个电阻的阻值依次按照10倍递增或递减。

本发明利用硬件预判定模块的高速判决、组合逻辑模块的逻辑选择、高速多路选择开关的高速切换和阵列式跨接电阻，实现高速大动态效果；用硬件判决代替软件判决，且从电流/电压放大模块放大后的电压信号，直接进入硬件预判定模块，不需要进行模数转换和软件比较去控制量程的切换。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光电检测装置的模块结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光电检测装置的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种高速大动态光电检测装置；利用硬件预判定模块的高速判决、组合逻辑模块的逻辑选择、高速多路选择开关的高速切换和阵列式跨接电阻，实现高速大动态效果；用硬件判决代替软件判决，且从电流/电压放大模块放大后的电压信号，直接进入硬件预判定模块，不需要进行模数转换和软件比较去控制量程的切换。

图1为本发明实施例的结构示意图，它包括高速光电探测器1、阵列式跨接电阻2、高速多路选择开关3、电流/电压放大模块4、预判定模块6和组合逻辑模块5；放大模块4的输入端连接至光电探测器1的输出端，预判定模块6的输入端连接至放大模块4的输出端，组合逻辑模块5的输入端连接至预判定模块6的输出端，多路选择开关3的控制端连接至组合逻辑模块5的输出端，多路选择开关3的输入端通过阵列式跨接电阻2连接至光电探测器1与放大模块4连接的连接端；多路选择开关3的输出端连接至放大模块4的输出端。

其中微弱光信号通过高速光电探测器1转换为相应的电流信号，电流信号通过电流/电压放大模块4和阵列式跨接电阻2，输出相应的电压信号，电压信号经过预判定模块6，输出数字信号给组合逻辑模块5，经组合逻辑模块5逻辑选择后，使高速多路选择开关3一次性切换到相应量程。

本发明实施例中，经电流/电压放大模块放大后的电压信号，直接经过硬件预判定模块处理，输出的数字信号快速传给组合逻辑模块，经组合逻辑模块逻辑选择后，使高速多路选择开关一次性切换到相应的阵列式跨接电阻上，而没有进行模数转换和软件比较去控制量程的切换，从而达到高速大动态的效果。

作为本发明的一个实施例，光电探测装置还包括连接在放大模块4的输出端的模数转换模块，用于将放大后的电压信号转换为数字信号，再做其他后续处理。

作为本发明的一个实施例，多路选择开关3采用高速多路选择开关，是一个多选一多路复用器，导通电阻小或几乎为0，切换时间为10ns量级。图2示出了本发明实施例提供的光电探测装置的具体电路，包括高速光电探测器1、阵列式跨接电阻2、高速多路选择开关3、放大模块4、组合逻辑模块5和预判定模块6。

预判定模块6包括：第一比较器61、第二比较器62、第一放大器63、第三比较器64、第二放大器65、第四比较器66、第一单刀单掷多路选择开关K1、第二单刀单掷多路选择开关K2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；第一比较器61的第一输入端连接至放大模块4的输出端，第一比较器61的第二入端用于接收第一电压；所述第二比较器62的第一输入端连接至所述放大模块4的输出端，所述第二比较器62的第二入端用于接收第二电压；所述第一放大器63的正相输入端通过所述第一单刀单掷多路选择开关K1连接至所述第二比较器62的第一输入端；所述第一放大器63的反相输入端通过所述第一电阻R1接地，所述第一放大器63的反相输入端还通过所述第二电阻R2连接至所述第一放大器63的输出端；所述第三比较器64的第一输入端连接至所述第一放大器63的输出端，所述第三比较器64的第二输入端用于接收第二电压；所述第二放大器6的正5相输入端通过所述第二单刀单掷多路选择开关K2连接至所述第一放大器63的输出端；所述第二放大器65的反相输入端通过所述第三电阻R3接地，所述第二放大器65的反相输入端还通过所述第四电阻R4连接至所述第二放大器65的输出端；所述第四比较器66的第一输入端连接至所述第二放大器65的输出端，所述第四比较器66的第二输入端用于连接所述第二电压；所述第一单刀单掷多路选择开关K1的控制端连接至所述第二比较器62的输出端，所述第二单刀单掷多路选择开关K2的控制端连接至所述第三比较器64的输出端。

其中，第二电阻R2的阻值是所述第一电阻R1的阻值的9倍；所述第四电阻R4的阻值是所述第三电阻R3的阻值的9倍。第一电压的值是第二电压的值的10倍。

在本发明实施例中，组合逻辑模块5包括非门、或门、第一与门和第二与门；所述第一与门的第一输入端用于连接所述第二比较器62的输出端b，所述第一与门的第二输入端用于连接第三比较器64的输出端c；第一与门的输出端连接至多路选择开关的第一控制端；第二比较器62的输出端b连接至多路选择开关的第二控制端；非门的输入端用于连接第四比较器66的输出端d，第二与门的第一输入端连接至非门的输出端，第二与门的第二输入端连接至第二比较器62的输出端b，或门的第一输入端连接至第二与门的输出端，或门的第二输入端连接至第一比较器61的输出端a；或门的输出端连接至多路选择开关的第三控制端。

在本发明实施例中，第一比较器61、第二比较器62、第三比较器64和第四比较器66都采用高速比较器，输出延时时间为ns级。

作为本发明的一个实施例，阵列式跨接电阻2包含5路电阻，量程按10倍递增，从1K到10M；预判定模块6由4个高速比较器、2个单刀单掷多路选择开关、2个放大器和4个电阻组成；组合逻辑模块包含1个非门、2个与门和1个或门。在预判定模块6中，高速比较器1的“+”端、高速比较器2的“-”端和单刀单掷多路选择开关1左端接放大模块的输出端；高速比较器1的“-”端接1V参考电压，高速比较器2的“+”端接0.1V；高速比较器1的输出端直接作为数字信号a输出；高速比较器2输出端，一方面作为数字信号b输出，另一方面作为单刀单掷多路选择开关1的控制端；单刀单掷多路选择开关1的右端接放大器1的“+”端，作为放大器1的正相输入端；放大器1的“-”端接电阻R和电阻9R，放大器1的输出端，一方面接高速比较器3的“-”端，另一方面接单刀单掷多路选择开关2的左端，同时接电阻9R，实现正相输入的10倍放大；高速比较器3的“+”端接参考电压0.1V，其输出端，一方面作为数字信号c，另一方面作为单刀单掷多路选择开关2的控制端，控制放大器1输出电压接到放大器2的“+”端；放大器2的“-”端接电阻R和电阻9R，其输出端接高速比较器4的“-”端和电阻9R，功能同放大器1；高速比较器4的“+”端接参考电压0.1V，其输出作为数字信号d。在组合逻辑模块中，数字信号b和数字信号c通过与门1后，输出数字信号A到高速多路选择开关；数字信号b作为单独一路直接输出到高速多路选择开关；数字信号d经过一个非门输出，再与数字信号b经过与门2，再与数字信号a经过一个或门，输出数字信号C到高速多路选择开关。

本发明实施例中，高速光电探测器1输出的电流从nA级到mA级，初始状态下，高速多路选择开关3接10K档，此时经放大模块放大后，得到的电压范围从几十uV到几十V，但是放大器的供电电压只有5V，所以电压范围缩小到几十uV到5V；经放大模块放大后的电压，输出至模数转换模块和预判定模块，模数转换模块的转换时间在几十ns以上，而预判定模块中，高速比较器处理时间只有几ns(如MAX9012只有5ns)，单刀单掷多路选择开关(如ADG901)切换时间和放大器需要时间也只有几ns，所以整个预判定模块需要时间小于模数转换模块的时间；在预判定模块中，输入电压每经过一个高速比较器，都会输出一个数字信号给组合逻辑模块，依次标号为a、b、c、d，组合逻辑模块通过abcd四位数字信号来控制高速多路选择开关，实现一次性切换到相应量程。下表为不同量程范围对应的预判定模块结果和高速多路选择开关需要切换到的最佳跨接电阻。

注：0代表低电平；1代表高电平；x代表不确定

下面以200uA和20nA为例阐述整个过程：

当高速光电探测器输出电流为200uA时，由于默认选择10K跨接电阻，此时经放大模块放大后电压为2V，优先进入预判定模块，经过高速比较器1和高速比较器2判定，结果为a＝1、b＝0，此时，经过组合逻辑模块逻辑选择后，高速多路选择开关切换到1K档，输出电压为0.2V，该电压经过模数转换模块转换数字信号后，再做后续处理；

当高速光电探测器输出电流为20nA时，经放大模块放大后电压为0.2mV，优先进入预判定模块，经过高速比较器1和高速比较器2判定，结果为a＝0、b＝1，此时单刀单掷多路选择开关1导通，电压传输给放大器1，放大10倍后，电压为2mV，和高速比较器3比较，结果为c＝1，此时单刀单掷多路选择开关2导通，经放大器1放大的电压传输给放大器2，放大10倍后，电压为20mV，和高速比较器比较，结果为d＝1，此时abcd四位数字信号经组合逻辑模块逻辑处理后，使高速多路选择开关快速切换到10M档，经放大模块放大的电压为0.2V，该电压经过模数转换模块转换数字信号后，再做后续处理。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种光电检测装置，其特征在于，包括光电探测器(1)、阵列式跨接电阻(2)、多路选择开关(3)、放大模块(4)、组合逻辑模块(5)和预判定模块(6)；

所述放大模块(4)的输入端连接至所述光电探测器(1)的输出端，所述预判定模块(6)的输入端连接至所述放大模块(4)的输出端，所述组合逻辑模块(5)的输入端连接至所述预判定模块(6)的输出端，所述多路选择开关(3)的控制端连接至所述组合逻辑模块(5)的输出端，所述多路选择开关(3)的输入端通过所述阵列式跨接电阻(2)连接至所述光电探测器(1)与所述放大模块(4)连接的连接端；所述多路选择开关(3)的输出端连接至所述放大模块(4)的输出端；

所述预判定模块(6)用于直接判定放大模块(4)输出的电压；所述组合逻辑模块(5)是将预判定模块输出的4位数字信号进行组合逻辑选择后，转化为3位数字信号，用于控制多路选择开关(3)一次性切换到相应量程；所述预判定模块(6)包括：第一比较器(61)、第二比较器(62)、第一放大器(63)、第三比较器(64)、第二放大器(65)、第四比较器(66)、第一单刀单掷多路选择开关K1、第二单刀单掷多路选择开关K2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；

所述第一比较器(61)的第一输入端连接至所述放大模块(4)的输出端，所述第一比较器(61)的第二入端用于接收第一电压；

所述第二比较器(62)的第一输入端连接至所述放大模块(4)的输出端，所述第二比较器(62)的第二入端用于接收第二电压；

所述第一放大器(63)的正相输入端通过所述第一单刀单掷多路选择开关K1连接至所述第二比较器(62)的第一输入端；所述第一放大器(63)的反相输入端通过所述第一电阻R1接地，所述第一放大器(63)的反相输入端还通过所述第二电阻R2连接至所述第一放大器(63)的输出端；

所述第三比较器(64)的第一输入端连接至所述第一放大器(63)的输出端，所述第三比较器(64)的第二输入端用于接收第二电压；

所述第二放大器(65)的正相输入端通过所述第二单刀单掷多路选择开关K2连接至所述第一放大器(63)的输出端；所述第二放大器(65)的反相输入端通过所述第三电阻R3接地，所述第二放大器(65)的反相输入端还通过所述第四电阻R4连接至所述第二放大器(65)的输出端；

所述第四比较器(66)的第一输入端连接至所述第二放大器(65)的输出端，所述第四比较器(66)的第二输入端用于连接所述第二电压；

所述第一单刀单掷多路选择开关K1的控制端连接至所述第二比较器(62)的输出端，所述第二单刀单掷多路选择开关K2的控制端连接至所述第三比较器(64)的输出端；

所述组合逻辑模块包括非门、或门、第一与门和第二与门；所述第一与门的第一输入端用于连接所述第二比较器的输出端b，所述第一与门的第二输入端用于连接所述第三比较器的输出端c；所述第一与门的输出端连接至多路选择开关的第一控制端；所述第二比较器的输出端b连接至多路选择开关的第二控制端；所述非门的输入端用于连接所述第四比较器的输出端d，所述第二与门的第一输入端连接至所述非门的输出端，所述第二与门的第二输入端连接至所述第二比较器的输出端b，所述或门的第一输入端连接至所述第二与门的输出端，所述或门的第二输入端连接至所述第一比较器的输出端a；所述或门的输出端连接至所述多路选择开关的第三控制端。