杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计
4 硬件设计
4.1 信号放大电路
在光电探测系统中，探测器输出的电信号非常微弱，一般为毫伏级。为记录每一次打靶的结果，信号放大与处理电路是打靶系统中不可或缺的。在探测器上直接进行信号处理十分困难，一种常用的解决办法是在探测器后接前置放大器，用来放大探测器的输出信号，然后成功地传输到信号处理系统的有关电路部分。前置放大器的设计要求是低噪声，高增益，低输出阻抗，大的动态范围，和较好的抗噪声能力。
在激光打靶系统中，对光电池产生的脉冲信号的具体大小值要求不高，只需检测出有效的脉冲信号，因此可选用集成运放来组成运算放大电路。
通过测试，得到光电探测器对的激光脉冲的响应幅度典型值约为5mv，若激光击中在两块或多块探测器边界处，则任何一块光电探测器的响应幅度会减少，因此所检测的脉冲幅度范围大约是3～5mv。为使每块光电探测器均能检测出信号，使之达到TTL电平要求，实现信号检测，必须对信号放大约1000倍。单级运放难以达到这么高的放大倍数，因此采用二级运放进行放大，第一级为前置放大器。为减少前级放大器的偏移对后级放大器的影响，设计其放大倍数A1?100；从而次级放大器的放大倍数A2?10。 4.1.1 集成运算放大器（LM324）
集成运算放大器是实现高增益放大功能的一种集成器件[9]，早期主要用来实现对模拟量进行数学运算的功能，目前随着器件性能的改进，它已成为通用的增益器件，应用范围非常广泛。
从电特性来看，集成运放接近理想的电压放大器件，它不仅有很大的输入电阻和很小的输出电阻，而且还有很高的电压增益，此外，静态工作时，它的输入和输出电位均为零，这样，在与其它集成运放连接时，就不需要考虑它们之间的电平配置问题。
LM324 是四通道的低功耗运算放大器，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，其性能参数有以下几个方面：
（1）单电源工作方式，工作电平3V～ 30V （2）低消耗电流：约0.8 mA
（3）低输入偏移：输入电压偏移：3 mv（Typ）；输入电流偏移：2 nA（Typ） （4）开环增益：100V/mv ＝ 100 dB（Typ） （5）宽响应频带
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图4-1 LM324内部结构
4.1.2 放大电路图
图4-2 运算放大器电路图
放大器电路如图4-2所示。它由两级结构相同的同相放大器组成，集成放大器选用LM324（图4-1）。信号经隔直流电容C1从第一级放大器的正端“＋”输入，经过放大后输出，再经过级间耦合电容C2输入第二级放大器的正端。前级的放大倍数A1?R2R1?100，后级的放大倍数A2?R6R5?10，R3和R7为输入匹配电阻。
4.1.3 电路原理
（1）同相放大器[10]（图4-3）
集成运放是一种十分理想的增益器件，性能好，使用方便。该电路采用2级放大器级联，每级的放大器均采用同相放大。
由集成运放构成的同相放大器，其特点是输入信号加在同相输入端，而反馈信号加在反相端。根据理想化条件，由于v??vs，因而v??vs。根据i?0（虚断），
v?又是v0在R1上的分压值，即:
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v??vo因而，放大器的增益：
R1 (4-1)
R1?RfAVf?RfvoR1?Rf (4-2) ??1?vSR1R1?AVf?0，所以 vo与vS同相。
图4-3 同相放大器
（2）外围电路
光电传感器对外部光线也有响应，因此必须滤除这种干扰。由于背景光线是持续信号，其响应主要是直流量，在第一级放大器输入端的前面设计接入一个1uf电容C1起到隔离直流作用，能起到很好的效果。第二级的1uf电容C2用于两级放大器的耦合。
第一级放大器输入端和地之间接R3；第二级放大器输入端和地之间接R7。使得:
?R3?R1//R2 (4-3) ??R7?R5//R6这样，运放的正、负输入端对地的等效电阻相等，从而降低运放的电压偏移。 4.1.4 电路参数
（1） 输入脉冲幅度： Ui?3~5mv （2） 输入电阻： Ri?10k?
（3） 输出电阻： Ro?1k?
（4） 放大倍数： A?A1?A2?10?100?1000 （5） 放大器级数： 两级，前级A1?100；后级A2?10 （6） 耦合方法： 电容耦合
4.2 整形电路[11]
光电池的输出脉冲并不是规则的矩形脉冲信号，而是类似升余弦信号。再经放大后也会产生失真，因此必须对信号进行整形。采用常用的CD4093 施密特触发器便可实现整形功能，改善脉冲波形，确保后续编码器的正常编码。
施密特触发器不仅可以进行波形整形，它的迟滞特性还可以有效地克服噪声
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和干扰的影响，只要噪声和干扰的大小处在迟滞宽度内，就不会有错误的输出。施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信号达到阈值电压时，电路状态发生转换，通过电路内部的正反馈过程使得输出电压的波形的边沿变得很陡峭。利用施密特触发器可以实现有效脉冲的识别见图4-5。
图4-4 施密特触发器的电压传输特性 （a）同相输出； （b）反相输出
图4-5 利用施密特触发器实现有效脉冲的识别
4.3 编码电路[11]
对于38路信号通道，必须对其进行编码以便于信号识别和传输。38路信号按照设计方案编码为1－38号，脱靶无信号记为0号。对多个探测器同时接收到信号的情况，对应于探测器的码号就是取码号大的探测器为有效，采用优先编码器便可实现编码的优先选择。
商用的单个优先编码器的编码输入最多只有8路，要构成更多路的优先编码器，可以采用6片8－3优先编码器进行扩展为40－6优先编码器。 4.3.1 编码电路图
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图4-6 40-6优先编码器电路图
4.3.2 电路原理
（1）优先编码器（74HC148）
8－3线优先编码器的功能表如图3-7。待编码的8条输入线 I7~I0采用8中取1码，逻辑0有效，编码后的输出A2A1A0 用反码表示。可以看出，编码器是以输入为0的最高优先编码的，而低位若同时输入0，则是无意义的。此外，电路还设有选通输入，即使能端EI，它也是逻辑0有效；输出还设有允许输出端Eo及允许扩展端Gs，利用它们可判断出A2A1A0是否有效，以及是否允许扩展编码。 根据真值表，写出编码器的逻辑表达式如下：
A2?EI?I7?EI?I7?I6?EI?I7?I6?I5?EI?I7?I6?I5?I4
?EI(I7?I7I6?I7I6I5?I7I6I5I4)
?EI(I7?I6?I5?I4) (4-3)
故： A2?EI(I7?I6?I5?I4) (4-4) 同理： A1?EI(I7?I6?I5I4I3?I5I4I2) (4-5)
A0?EI(I7?I6I?I6I4I3?I6I4I2I1) (4-6)
而允许输出为： EoE0?EI?I7I6I5I4I3I2I1I0 (4-7) 允许扩展端是： Gs?EI?EI?I7I6I5I4I3I2I1I0?EI?Eo (4-8)