极微弱光电流检测系统设计及频率锁定误差校正方法

发布时间：2020-09-19 11:09

　　光电流检测是对光电效应产生的微弱电流进行检测的技术,是一种重要的检测方法,其应用广泛,在电化学、天文学、空间科学等科研领域,及水质检测、大气检测等工业检测场景均有应用。在光电流检测中,微弱电流通常指10~(-6)A量级及其以下的电流,而pA级电流属于极微弱电流。由于极微弱光电流信号具有信噪比低,信号微弱的特点,因此微弱信号检测技术在光电流检测中被广泛应用。随着检测器件的发展和检测需求的增加,被检测的光电流信号越来越微弱,应用场景越来越多。但在应用中还有很多需求和问题需要满足和解决。第一,一般微弱光电流检测仪器价格昂贵,体积较大,不适用于工业现场检测环境,且无法批量生产和嵌入到工业检测系统;第二,对于基于锁定放大器的极微弱光电流检测系统,在一些检测场景中电流信号的调制频率会产生漂移,使锁定放大器产生频率锁定误差,对检测结果造成影响,限制了检测系统的应用。针对上述问题,本文对极微弱光电流检测系统进行设计和开发,使其可应用于室外或工业检测环境中;对于频率锁定误差问题,本文基于锁定放大器的工作原理,提出校正方法。本文的主要贡献和创新点包括:1.针对极微弱光电流检测系统小型化、工业应用化的问题。在极微弱光电流检测系统的设计中,将系统分为前端模拟部分和数字处理部分,在前端模拟部分中对光电流检测和调制驱动光源进行一体化设计,在检测部分中根据检测频率加入BPF提高信噪比,并利用电源隔离措施避免额外供电。在数字处理部分利用MCU实现锁定放大算法,减少系统复杂度。在实际测试中,该系统的检测灵敏度可达5fA,完全满足一般光电流检测的需要。2.针对频率锁定误差降低检测精度的问题,提出锁定放大器的改进方法。本文提出锁定频率跟踪法和平顶LPF法。锁定频率跟踪法是将锁定放大器的内部参考频率进行实时修正,使其与调制频率相等,从而对频率锁定误差进行校正,提高检测精度。平顶LPF法是将锁定放大器内部的LPF通带特性进行平顶化,来增加锁定放大器的检测带宽,使可接受的锁定频率误差范围增大。3.针对一般商用锁定放大仪器无法进行频率锁定误差校正的问题,本文基于锁定频率跟踪方法设计通用附件,使仪器增加频率锁定误差校正功能。该附件利用锁定放大仪器的RS-232通信接口,读取在检测过程中的测量参数,计算后对仪器的测量参数进行修正,可校正频率锁定误差,将检测精度提高到仪器的最大限度。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM933.1
【部分图文】：

磷化镓,光电二极管

TIA），以 TI 公司的 OPA657 型直接实现电流-电压转换。工业应用领域，由于工业环境的复杂性中的恒电流恒电位仪，集成光路的微弱CT 中的微弱电流检测量级一般在 μA 或应用较为少见，但检测需求一直存在。器件介绍电探测器将光信号转换为电流信号，其探测器对不同波长的光谱响应不同，不器。例如在检测人体的存在或移动时，段的光需要有较高响应。Thorlabs 公司产的 FGAP71 型磷化镓光电二极管为例

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图1.3 5402 型电流前置放大器大器，在最高增益 1G V/A 时，带宽最大限度的降低噪声，采用锂离子电福研究系统公司（Standford Resea京鸿宾微弱信号检测有限公司，均比如表 1.3 所示。.3 不同厂家前置电流放大器参数对比厂家增益阻值带宽al Recovery 1G V/A 100kHford Researchems1G V/A 200 Hzorporation 1G V/A 100kH

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J较大，不适用于高速应用。光伏模式如图 2.3 所示。图2.3 光电二极管光伏工作模式示意图光电二极管工作在光伏模式时，后续负载电阻不能过大，且在光电流产生过程中偏置电压需要保持为零，否则会降低整体电路的响应速率，对后续负载电阻和电容产生负载效应。因此，具有低输入阻抗、高增益的跨阻型电流-电压转换电路在对光电二极管电流信号的处理上具有得天独厚的优势。2.2.2 微弱电流信号电流-电压转换电路电流-电压转换（IV 变换）电路可以将微弱的电流信号放大为幅值可以进行检测的电压信号。IV 变换电路采样基于负反馈的电流输入放大器，其基本电路如图 2.4 所

【参考文献】