谐振式红外探测器闭环自激/检测电路设计与探测性能测试

摘要

微谐振式红外探测器的输出信号为频率信号,具有较强的抗干扰能力,能够在常温下实现红外辐射的测量,因此引起了一些科研工作者的关注和研究。微谐振式红外探测器的输出信号幅值小、耦合干扰严重、信噪比低,需要研制闭环自激/检测电路以提高谐振器的表观品质因数、测量精度和速度,从而实现对被测信号的实时、动态测量。闭环自激/检测电路的研制是微谐振式红外探测器研究领域的一个重要内容。
　　论文利用锁相环(PLL)的精确选频和跟踪特性,经过多次改进,研制出由低噪声前置放大器、四阶巴特沃斯型线性带通滤波器、-180o~180o移相器、正弦波-方波波形变换器、二分频器、无相差频率跟踪锁相环、幅值调整等环节组成的微谐振器闭环自激/检测电路。优化设计的巴特沃斯带通滤波器在通带具有最大平坦特性和近似线性的优点,提高了闭环电路的稳定性。设计的移相器能够实现在-180o~180o范围移相,扩展了移相范围。通过对锁相环模块中一阶环路滤波电路参数的合理设计,实现了无相差频率跟踪的功能。
　　其次,设计了红外光源驱动电路和谐振频率采集系统以实现对基于负电阻温度系数多晶硅电阻电热激励、压阻检测微桥谐振器的非制冷红外探测器的探测性能的测试。闭环自激/检测电路输出的频率信号通过FPGA频率采集系统传送给计算机中的Labview上位机界面,该频率采集系统的相对误差在10-6数量级,可满足红外探测器对频率采集的高精度要求。
　　最后,通过设计的红外光源驱动电路调制JSIR350-22-R红外薄膜辐射源辐射的红外光的周期和占空比,实现了对器件的红外探测性能测试,最终测得基于微桥谐振器的非制冷红外探测器对红外辐射的响应率为-12.02ppm/μW。

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1 引言

1.1 谐振式红外探测器概述

1.2 微谐振式传感器闭环自激与检测电路实现方法

1.3 论文的主要研究内容

2电热激励/压阻检测微桥谐振器振动特性与开环测试

2.1 微桥谐振器谐振特性

2.2 微桥谐振器开环谐振特性测试

2.3 本章小结

3 谐振式微机械红外探测器闭环自激/检测电路设计

3.1谐振式传感器闭环自激/检测电路总体设计方案

3.2线性带通滤波器设计

3.3 锁相环电路参数设计

3.4 基于锁相环的闭环自激/检测系统相位分析

3.5 本章小结

4 红外探测特性测试系统设计与探测性能测试

4.1 基于Agilent 34401A万用表的谐振频率采集系统

4.2 基于FPGA的谐振频率采集系统

4.3 红外探测器探测特性测试系统设计

4.4 红外探测器探测性能测试

4.5 本章小结

5 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

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