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【摘要】

由于紅外成像設備在日益復雜的環境中廣泛應用，不可避免會帶來噪聲和干擾。前端模擬電路處理紅外探測器輸出的原始模擬信號，是紅外成像設備重要組成部分。本文通過前端模擬電路的硬件設計，重點討論降噪抗干擾的方法，提高設備的可靠性。

【關鍵詞】

紅外；降噪；抗干擾

1引言

隨著紅外探測器成像技術的發展，人們對紅外圖像質量的要求也越來越高。同時由于系統集成化的趨勢，系統可能會同時裝備紅外、激光、電視等設備，這些設備運行產生的電磁場可能會使紅外設備產生不應有的響應，表現為圖像噪聲大、干擾等現象，嚴重時甚至影響設備的功能。在紅外成像設備中，前端模擬電路連接紅外探測器的輸出和圖像處理單元的輸入，直接處理探測器輸出的最原始模擬信號。加強和優化前端模擬電路的降噪和抗干擾設計，對提高設備整體的穩定性和抗干擾能力具有十分重要的意義。

2前端模擬電路設計

紅外熱像儀前端模擬電路部分主要實現的功能有：探測器工作偏壓的產生；對探測器輸出的模擬信號前置放大；高速模數轉換和數據的合成排序等。

2.1探測器偏壓供給電路設計由于探測器是敏感器件，尤其是長波探測器，電壓波動影響其性能，探測器偏壓供給電路給探測器提供嚴格的低噪聲工作電壓。探測器正常工作所需的偏壓包括讀出電路所需的模擬電壓VDDA、數字電壓VDDL和光電二極管偏壓Gpol。模擬電壓和數字電壓均為固定值5V，而不同探測器的Gpol值并不完全一樣，因此Gpol偏壓可采用電阻分壓方式，通過調節不同的電阻值實現不同的Gpol電壓輸出。我們采用REF195ES芯片生成模擬電壓和數字電壓。REF195ES最大輸出電流30mA，電壓輸入范圍從5.1V到15V，固定輸出5V，輸出精度±2mV，很好滿足了探測器對模擬電壓和數字電壓的要求。輸出電壓可經過低通噪聲濾波器電路，進一步降低噪聲。低通噪聲濾波器電路通常采用串聯RL電路或串聯RC電路，基本電路結構形式如圖1、圖2所示[1]。從式(1)、(2)可以看出，只要適當選擇R和L的參數，截止頻率可以設置成任何值，因此可以設計出具有任意截止頻率的低通濾波器。為了提高電路的抗干擾性，本文設計一個RC濾波器，其電容值要求遠大于A/D轉換器的輸入電容。這個電容為采樣電容提供電荷，從而消除瞬變。RC濾波器同時也減小放大器地驅動容性負載時產生穩定性問題概率。與電容串聯小電阻有助于防止自激和震蕩。負載電容較大時，交流性能由負載電容和隔離電阻控制。

2.2信號放大電路設計紅外探測器輸出的模擬信號在送入A/D轉換器處理前，經過兩級放大：第一級是噪聲濾波電路，它的作用是濾除探測器CMOS讀出電路的噪聲，同時提供與探測器匹配的輸出阻抗。第二級放大電路是反相放大電路，它將輸入的模擬信號反相放大，同時對信號進行偏置調節。（1）第一級濾波電路。濾波器按照電氣指標一般分為無源濾波器和有源濾波器。由于無源濾波器存在濾波易受系統參數的影響、對某些次諧波有放大的可能、體積大等缺點，此設計中著重考慮應用有源濾波器。與無源濾波器相比，有源濾波器有如下優點：1）信號在無源器件上的損失可以在有源器件上得到補充。2）由于運算放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、高增益、高穩定性和閉環增益等參數調整靈活的優點，因此使用有源濾波器的設計較為方便[2]。壓控電壓源二階濾波電路是一種常用的有源二階濾波電路。壓控電壓源二階濾波電路的特點是：運算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當于一個電壓源。其優點是：電路性能穩定，增益容易調節。（2）第二級反向放大電路。放大器的負極輸入端接上級信號，正極輸入端接可調正電平。增加反向偏置的原因是，紅外探測器的輸出是探測器響應電壓疊加上直流分量，減少直流電平的大小以便于下一步信號放大。正相輸入的參考電平的好壞對輸出有影響，設計中采用可調電阻分壓來提供正相輸入的參考電平。

2.3A/D轉換電路設計A/D轉換器作為前端模擬電路最重要的組成部分，直接影響到后端信號的處理，因此選擇合適的A/D轉換器十分重要。選擇A/D器件主要考慮以下三種因素：l采樣位數，即精度要求；l采樣頻率，取決于模擬信號的變化快慢；l信噪比。以某型探測器為例，其模擬視頻輸出信號動態范圍大于74dB，最大輸出速率5MHz。根據輸出模擬信號的動態范圍可以計算出，A/D轉換器的轉換位需大于12位。由于探測器數據輸出最大速率是5MHz，因此A/D轉換器的轉換速率也必須得大于5MHz。為了滿足某型號探測器性能指標的要求，我們選用AD9240。AD9240是美國AD公司生產的一種14位、10MSPS高性能模數轉換器，它具有片內高性能采樣保持放大器和電壓參考。在單一+5V電源下，它的功耗僅有285mW，信噪比與失真度為77.5dB，信噪比（f=5MHz）為78.5dB。AD9240的模擬輸入范圍非常靈活，可以是DC或AC耦合的單端或差分輸入[3]。AD9240內部結構框圖如圖4所示。其中VINA與VINB是信號輸入端，CLK提供采樣時鐘，VREF提供參考電平，SENSE控制AD9240的采樣電壓幅度和參考電平來源。紅外探測器的輸出電壓范圍為1.6V~4.6V，為了使A/D轉換器發揮最佳分辨率，需將A/D轉換器的動態范圍覆蓋紅外探測器的輸出范圍。同時為了減少溫度飄移與內部噪聲，提高參考電壓精度，此設計中采用了單端輸入的外部參考源。當使用外部參考方式時,還應當在CAPT與CAPB之間加一個電容網，如圖6所示。該電容網有三個作用：一是與內部參考放大器一起在大頻率范圍下提供一個低阻抗源以驅動A/D內部電路。二是提供內部參考放大器需要的補償。三是限制由參考電源產生的噪聲干擾。

3結論

紅外產品在系統應用過程中，容易受外部干擾，影響圖像質量。論文從紅外產品前端模擬信號處理著手，在原有設計的基礎上，著重探討進一步降低噪聲，提高抗干擾能力的一種設計方法，為后續的設計提供參考。

作者：劉坤 朱志強 單位：華中光電技術研究所—武漢光電國家實驗室