1、第32頁 共32頁當(dāng)前電子技術(shù)的新領(lǐng)域是空間電子技術(shù)、固體電子技術(shù)、自由電子激光技術(shù)和光電子技術(shù)。電子技術(shù)在這些新領(lǐng)域的發(fā)展，將會(huì)對(duì)它本身帶來一場(chǎng)深刻的變革，而紅外、激光和光纖通訊是光電子技術(shù)的重要內(nèi)容。最近30年來，紅外技術(shù)已成為一門迅速發(fā)展的新興技術(shù)，廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。紅外技術(shù)是發(fā)展遙感技術(shù)和空間科學(xué)的重要手段。紅外輻射又稱為紅外線或紅外光，紅外光是人眼看不見的光，是一種電磁波。鑒于其靈敏度高工作效率高，近年來利用紅外作為探測(cè)、遙控、跟蹤系統(tǒng)的光源越來越受到廣大設(shè)計(jì)人員的青睞，紅外跟蹤器是廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境等諸多領(lǐng)域的一類器件。根據(jù)紅外跟蹤

2、器的探測(cè)原理的不同可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式是基于光電效應(yīng)，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)波長(zhǎng)的探測(cè)選擇性強(qiáng)，信噪比高，響應(yīng)速度快，因而已深入應(yīng)用于航空航天、導(dǎo)彈尋目的、紅外夜視等軍事領(lǐng)域，但其缺點(diǎn)是需要低溫工作，必須配置昂貴且笨重的制冷設(shè)備，高成本和難以小型化的缺點(diǎn)制約著其向民用領(lǐng)域應(yīng)用的擴(kuò)展；被動(dòng)式是基于熱敏材料吸收紅外輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)，根據(jù)熱效應(yīng)的機(jī)制不同還可進(jìn)行細(xì)分，它們的最大優(yōu)點(diǎn)是可在室溫工作，從而大大減少了器件的體積和成本。雖和在某一波長(zhǎng)敏感的主動(dòng)式的相比，其靈敏度較低，響應(yīng)時(shí)間也較長(zhǎng)，但20世紀(jì)90年代以來，隨著焦平面陣列、超大規(guī)模集成電路和微機(jī)電控系統(tǒng)以及信息處理等技術(shù)的發(fā)展，使得這種非制冷熱

3、紅外跟蹤器的探測(cè)率得到了極大的提高，響應(yīng)時(shí)間同時(shí)也滿足了成像要求，為其在軍用和民用兩大領(lǐng)域開拓了更廣闊的應(yīng)用前景。以軍事領(lǐng)域的應(yīng)用為例：偵查，搜索和預(yù)警；探測(cè)和跟蹤；全天侯前視和夜視；武器瞄準(zhǔn)；紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈；紅外成像相機(jī)；水下探潛、探雷技術(shù)。為了滿足紅外信息獲取技術(shù)發(fā)展需求，隨著多波段紅外探測(cè)、數(shù)據(jù)融合、各種高新科技的不斷發(fā)展，紅外預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、效能、定位精度會(huì)更高，探測(cè)距離會(huì)更遠(yuǎn)，而且虛警率也會(huì)更低。因此，紅外探測(cè)技術(shù)在未來軍事領(lǐng)域中的戰(zhàn)略地位是顯而易見的。紅外探測(cè)技術(shù)在天文上用于天文望遠(yuǎn)鏡來觀察天體運(yùn)行，安裝在衛(wèi)星上紅外探測(cè)技術(shù)可以讓人看到遙遠(yuǎn)的星球間發(fā)生的奇觀。此外還可以用于氣象

4、觀測(cè)天氣。九十年代以來,紅外測(cè)溫技術(shù)的飛速發(fā)展和它在國防、航空、航天等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值,使它成為當(dāng)今高科技發(fā)展的又一熱點(diǎn)。因此紅外技術(shù)具有廣泛的用途。1 紅外跟蹤器紅外跟蹤探測(cè)器按其工作方式可分為被動(dòng)跟蹤探測(cè)方式和主動(dòng)紅外跟蹤探測(cè)方式。1.1 被動(dòng)跟蹤探測(cè)方式被動(dòng)式：熱釋電紅外跟蹤探測(cè)器是利用紅外光敏器件將活動(dòng)生物體發(fā)出的微量紅外線轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，并進(jìn)行放大、處理，對(duì)被監(jiān)測(cè)的對(duì)象實(shí)施控制。它不需配置紅外發(fā)生源，而是利用紅外光敏器件來接收移動(dòng)的人輻射出的紅外線，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并作為控制信號(hào)對(duì)被控裝置（用電器、保安、防盜、自動(dòng)門啟閉等裝置）進(jìn)行自動(dòng)控制。換而言之，熱釋電紅外跟蹤探測(cè)器件不

5、需要附加紅外光源，而是利用熱釋電紅外器件直接探測(cè)來自移動(dòng)的生物體的紅外輻射，因此出現(xiàn)了被動(dòng)式跟蹤探測(cè)方式。它是當(dāng)前非常熱門的熱釋電紅外跟蹤探測(cè)方式，熱釋電紅外線傳感技術(shù)是在紅外探測(cè)、夜視裝置、仿入侵、安全防范、自動(dòng)門控制、自動(dòng)燈控制、交通管制、溫度檢測(cè)以及光電玩具等方面有著廣泛的應(yīng)用。它具有二維探測(cè)、識(shí)別特性。因?yàn)闈M足這種紅外探測(cè)報(bào)警的工作條件有兩個(gè)：一是存在具有一定體溫的生物體；二是必須有一定的移動(dòng)速度。它對(duì)人體有很高的靈敏度。熱釋電紅外跟蹤探測(cè)器既可以進(jìn)行直線型探測(cè)，也可以進(jìn)行空間探測(cè)，常用于室內(nèi)和空間的立體防范，其隱蔽性更優(yōu)于主動(dòng)式紅外跟蹤探測(cè)器。所以它能可靠地將運(yùn)動(dòng)著的生物體和飄落的物

6、體加以區(qū)別。同時(shí)，它還具有監(jiān)控范圍大、隱蔽性好、抗干擾性強(qiáng)和誤報(bào)率低等特點(diǎn)。因而，被動(dòng)跟蹤探測(cè)方式技術(shù)在自動(dòng)控制、自動(dòng)門啟閉、接近開關(guān)、自動(dòng)照明、遙控遙測(cè)等方面，特別是在保安、防火、報(bào)警方面越來越受到重視和得到應(yīng)用。檢測(cè)物體紅外輻射的敏感器件可分為熱釋電紅外光敏器件和量子型紅外光敏器件。熱釋電紅外傳感技術(shù)是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來的一門新型學(xué)科。熱釋電紅外傳感原理是基于：任何高于絕對(duì)溫度的物體都會(huì)發(fā)出電磁輻射紅外線，但各種不同溫度的物體所輻射的電磁能及能量隨波長(zhǎng)的分布式不同的，物體表面的溫度越高，它輻射的能量就越強(qiáng)。根據(jù)不同物體及不同溫度體發(fā)出的紅外光譜的不同，可對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行紅外檢測(cè)和判

7、別，如溫度的測(cè)定、火災(zāi)的預(yù)警、不同物體的識(shí)別、活動(dòng)目標(biāo)（人）的保安和防火防盜等。常在熱釋電紅外傳感探測(cè)元件前加一紅外濾光片，以抑制人體以外的紅外輻射干擾。利用這種傳感器件，就可以非接觸式對(duì)物體對(duì)物體輻射出的紅外線進(jìn)行檢測(cè)，察覺紅外線能量的變化，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，并以該信號(hào)作為控制信號(hào)，對(duì)電氣設(shè)備或保安防盜裝置進(jìn)行控制。熱釋電紅外探測(cè)報(bào)警的原理框圖如圖1.1所示。它主要由光學(xué)透鏡系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、放大器、信號(hào)處理器、報(bào)警控制器和聲光報(bào)叫電路等組成。由圖可見，熱釋電紅外跟蹤探測(cè)報(bào)警的核心部件是熱釋電紅外傳感器。通過光學(xué)透鏡系統(tǒng)的配合和紅外光能的集聚，它可以探測(cè)一個(gè)立體防范空間內(nèi)的熱輻射

8、的能量的變化。光學(xué)透鏡系統(tǒng)光學(xué)透鏡系統(tǒng)熱釋電紅外傳感器件放大器信號(hào)處理器報(bào)警控制器聲光報(bào)叫電路圖1.1熱釋電紅外探測(cè)防盜報(bào)警器的原理圖 熱釋電紅外跟蹤探測(cè)報(bào)警傳感原理是基于：任何高于絕對(duì)溫度零點(diǎn)的物體都會(huì)輻射出紅外線，輻射能量的大小與該物體的表面溫度有關(guān)。不同溫度的物體輻射的能量隨波長(zhǎng)的分布有相關(guān)資料可循，在此不累贅了。在靜止?fàn)顟B(tài)下，即無移動(dòng)體入侵的情況下，熱釋電探測(cè)器周邊的物體，如樹木、建筑物、家具等不動(dòng)物體，雖然也會(huì)發(fā)出熱紅外輻射，但這些輻射是穩(wěn)定不變的，并被稱為背景輻射。當(dāng)入侵的活動(dòng)體進(jìn)入被監(jiān)測(cè)的防范區(qū)域后，穩(wěn)定不變的熱輻射被破壞，產(chǎn)生一個(gè)變化的熱紅外輻射。熱釋電紅外傳感器能接收到這變化

9、的輻射能，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大、處理后去控制報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。但本設(shè)計(jì)以主動(dòng)式紅外跟蹤探測(cè)器為主旨，所以在此不對(duì)熱釋電紅外跟蹤探測(cè)器再作詳細(xì)說明。1.2 主動(dòng)紅外跟蹤探測(cè)方式主動(dòng)式：主動(dòng)式紅外跟蹤探測(cè)器屬于直線型探測(cè)報(bào)警器，紅外跟蹤器發(fā)出的紅外光束是一道人眼看不見的警戒線，當(dāng)有人穿越或阻擋這條光束時(shí)，其警戒狀態(tài)被破壞。紅外接收器輸出的電信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)信號(hào)處理后啟動(dòng)報(bào)警控制器發(fā)出警報(bào)信號(hào)。它是需要依靠被控對(duì)象（電氣設(shè)備、活動(dòng)體等）對(duì)紅外光源的光束的照射或遮蔽進(jìn)行控制的，這種方式常稱為主動(dòng)式紅外傳感、控制技術(shù)。主動(dòng)式紅外方式需要紅外發(fā)射源和相對(duì)應(yīng)的接收、檢測(cè)設(shè)備，紅外線

10、的發(fā)、收光路，或?qū)?zhǔn)，或依靠發(fā)射式進(jìn)行。為了加大監(jiān)控距離、要求發(fā)射功率較大。接受靈敏度較高。主動(dòng)式紅外方式的最大缺點(diǎn)是不能把運(yùn)動(dòng)的生物體和運(yùn)動(dòng)著的非生物體區(qū)別開來，只要將紅外光束或紅外光路遮擋，就會(huì)觸發(fā)誤報(bào)。如果有物體墜落或紙張、樹葉等因風(fēng)飄落，也會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)。但本設(shè)計(jì)考慮到這一點(diǎn)，特做相關(guān)特殊處理，以減少誤報(bào)的情況。詳情見下。2 主動(dòng)式紅外跟蹤器2.1 組成部分本設(shè)計(jì)的紅外跟蹤器是由發(fā)射端、接收端和控制端三大部分組成，主動(dòng)式紅外探測(cè)報(bào)警器的組成框圖如圖2.2所示。發(fā)射端接收端發(fā)射端接收端 控制端有損耗2.2 主動(dòng)式紅外跟蹤器的特點(diǎn)本設(shè)計(jì)將紅外線發(fā)射電路，接收電路，控制電路裝配在同一基座內(nèi)，當(dāng)紅

11、外光束覆蓋的區(qū)域內(nèi)有人走動(dòng)時(shí)，發(fā)射電路發(fā)出的紅外調(diào)制信號(hào)有部分被反射回來。經(jīng)接收電路接收后做相應(yīng)處理，從而發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，使得控制電路作出相應(yīng)的應(yīng)答。脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器載波調(diào)制紅外發(fā)射輸出級(jí)前置放大器脈沖解調(diào)器選通門輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)報(bào)警控制器報(bào)警電路圖2.2 主動(dòng)式紅外跟蹤探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的原理框圖它由紅外發(fā)射機(jī)、紅外接收機(jī)和報(bào)警控制器等組成。圖1.2所示原理框圖，實(shí)際上是載波調(diào)制式的紅外跟蹤探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，由于要進(jìn)行載波調(diào)制，紅外發(fā)射端包括一個(gè)低頻的脈沖發(fā)生器、載波發(fā)生器和紅外輸出級(jí)。低頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的低頻脈沖方波對(duì)高頻的載波進(jìn)行調(diào)制，使之產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)制波，然后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射輸出級(jí)發(fā)出紅外光束。傳

12、播過程：紅外輻射在傳播過程中，與空氣浮塵發(fā)生碰撞的散射和吸收過程具有隨機(jī)性，一部分輻射與空氣浮塵碰撞，被碰撞的輻射一部分被空氣浮塵吸收，另一部分被散射。被散射的輻射改變?cè)瓉淼姆较蚶^續(xù)向前傳播，重復(fù)以上的傳播過程，直到被被紅外探測(cè)器接收。這樣紅外探測(cè)器所接收到的來自目標(biāo)的輻射，由兩部分組成：一部分來自目標(biāo)經(jīng)過大氣直接到達(dá)紅外接收探測(cè)端，另一部分為鄰近目標(biāo)的輻射經(jīng)過大氣散射后到達(dá)紅外探測(cè)器的那部分輻射。接收端包括一個(gè)與發(fā)射端相配的前置放大器、解調(diào)器和輸出驅(qū)動(dòng)器等。解調(diào)器將已調(diào)載波的包絡(luò)解調(diào)出來，經(jīng)積累或處理后對(duì)后級(jí)的觸發(fā)電路進(jìn)行觸發(fā)或進(jìn)行繼電器控制。本設(shè)計(jì)將紅外線發(fā)射電路，接收電路，控制電路裝配在

13、同一基座內(nèi)，當(dāng)紅外光束覆蓋的區(qū)域內(nèi)有人走動(dòng)時(shí)，發(fā)射電路發(fā)出的紅外調(diào)制信號(hào)有部分被反射回來。這種依靠人體反射對(duì)返回信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、報(bào)警就是本設(shè)計(jì)采用的方案。要達(dá)到5到10米的探測(cè)距離，因?yàn)橛行Ь嚯x取決于發(fā)射二極管輻射的峰值功率，而峰值功率由饋給發(fā)光二極管的電流峰值功率所決定。峰值功率越大，驅(qū)動(dòng)電流的平均值越小，則發(fā)光效率就越高。為了提高紅外跟蹤器的作用距離，而又不使紅外發(fā)光管過載，采用脈沖發(fā)射方式。調(diào)制載波發(fā)射方式可使紅外發(fā)射管的平均功率減少，提高系統(tǒng)的有效距離且大大提高了紅外跟蹤探測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力。 3 發(fā)射部分3.1 發(fā)射部分的特點(diǎn) 使用紅外發(fā)光二極管獲得近紅外光，是相當(dāng)方便的。紅外發(fā)光二極

14、管是一種由PN結(jié)構(gòu)成的注入電流型發(fā)光器件，在加上合適的正向偏置電壓后，就可以發(fā)射出一定波長(zhǎng)的近紅外光。對(duì)紅外二極管采用脈動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)方式，為了提高紅外跟蹤系統(tǒng)的作用距離，而又不使紅外發(fā)射管過載，采用調(diào)制載波發(fā)射方式。它的有效距離取決于發(fā)射二極管輻射的峰值功率，而峰值功率由饋送給發(fā)光二極管的電流峰值功率所決定的。峰值功率越大，驅(qū)動(dòng)電流的平均值就越小，則發(fā)光效率就越高。調(diào)制載波發(fā)射方式可使紅外發(fā)射管的平均功率減少，提高系統(tǒng)的有效作用距離，且大大提高了紅外跟蹤器系統(tǒng)的抗干擾能力。因?yàn)橐鶕?jù)活動(dòng)目標(biāo)物體的不同特性，對(duì)于入侵者的防范和探測(cè)，可以選擇不同的檢測(cè)方式，3.1.1 載波調(diào)制本設(shè)計(jì)將目標(biāo)回波信號(hào)與

15、相干用的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較所以發(fā)射裝置采用脈沖調(diào)制，工作在脈沖狀態(tài)，故不能直接用發(fā)射機(jī)的高頻振蕩信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，只能采用輔助的基準(zhǔn)信號(hào)源作為基準(zhǔn)信號(hào)。圖2.2.1是紅外發(fā)射電路的電路框圖，編碼波形發(fā)生器產(chǎn)生一定占空比的脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)級(jí)放大后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管，使其發(fā)射出一系列等幅的紅外光脈沖信號(hào)。發(fā)射脈沖編碼信號(hào)可降低功耗，提高發(fā)射頻率。脈沖發(fā)生器 驅(qū)動(dòng)級(jí)脈沖發(fā)生器 驅(qū)動(dòng)級(jí)紅外發(fā)射這是最簡(jiǎn)單的紅外線遙控方式，是一種單光束、單通道的控制方式。采用脈沖編碼方式，可以大大提高紅外發(fā)光管的發(fā)射效率，降低對(duì)發(fā)射管功率的要求。對(duì)于紅外光束編碼探測(cè)系統(tǒng)來說，紅外光的有效探測(cè)距離是極其重要的參數(shù)。而對(duì)于紅外

16、光通信來說，調(diào)制頻率、調(diào)制帶寬是光通信發(fā)光二極管的重要參數(shù)。調(diào)制頻率關(guān)系到紅外發(fā)光二極管在光通信中的傳輸速度的高低，紅外發(fā)光二極管因受到注入PN結(jié)有源區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子壽命的限制，其調(diào)制的最高頻率會(huì)受限制，從而限制了紅外發(fā)光二極管在高比特速率系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過合理的脈沖編碼和優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路，可使紅外發(fā)光二極管有可能用于高速光通信系統(tǒng)。光輸出光輸出OI時(shí)間t光輸出波形圖3.1.2 發(fā)光二極管的數(shù)字調(diào)制示意圖為增加紅外光系統(tǒng)的探測(cè)距離，應(yīng)提高發(fā)射發(fā)光二極管的瞬時(shí)功率，降低其平均功率。它的有效距離取決于發(fā)射二極管輻射的峰值功率，而峰值功率由饋送給發(fā)光二極管的電流峰值功率所決定的。峰值功率越大，驅(qū)動(dòng)電流的平

17、均值就越小，則發(fā)光效率就越高。對(duì)于防盜報(bào)警系統(tǒng)來說，一個(gè)以正常速度行走的人在通過的人在通過任何一個(gè)給定的場(chǎng)地時(shí)，需要200ms，但這并不意味著要求紅外發(fā)光二極管一直處于發(fā)射狀態(tài)，而只需以遠(yuǎn)少于200ms的周期重復(fù)。持續(xù)1ms的20khz脈沖串持續(xù)1ms的20khz脈沖串50msI圖3.1.3 載波調(diào)制方式的編碼波形對(duì)于紅外光束跟蹤器探測(cè)系統(tǒng)，選取合適的遮光時(shí)間至管重要。若遮光時(shí)間選得過短，某些外界干擾會(huì)引起誤報(bào)；若遮光時(shí)間選得過長(zhǎng)，則可能導(dǎo)致漏報(bào)。若來犯者以10m/s的速度通過鏡頭的遮光區(qū)域，人體最小粗度為20cm,光束被遮擋超過20ms時(shí)，探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，而少于20ms時(shí)不會(huì)報(bào)警。這樣

18、，較小的活動(dòng)體，如動(dòng)物、昆蟲等不會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)。而紅外發(fā)光二極管的脈沖峰值電流I1與該管的所能承受的平均工作電流I2之間存在如下關(guān)系 I1=I2*exp(T/t)式中：I2為紅外二極管的平均工作電流，即手冊(cè)上給出的工作電流；T為編碼脈沖的周期；t為發(fā)射的光脈沖寬度。t/T為脈沖電流的占空比。因此，在I2為定值的情況下，占空比越小，則峰值電流I1越大，發(fā)射的紅外光峰值功率越大，紅外光的作用距離就越遠(yuǎn)。3.1.2相位法測(cè)距紅外發(fā)射系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，為了達(dá)到5-10米的探測(cè)距離的要求，相位法測(cè)距發(fā)射裝置主要包括：紅外發(fā)光器件、調(diào)制頻率發(fā)生芯片和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)三部分。根據(jù)相位法測(cè)距原理給出方案，設(shè)計(jì)出調(diào)制電路圖

19、，根據(jù)電路圖連接元器件發(fā)出調(diào)制紅外光，并對(duì)調(diào)制光進(jìn)行準(zhǔn)確的發(fā)射。用PIN管探測(cè)器件對(duì)調(diào)制光進(jìn)行接收放大分析，該系統(tǒng)對(duì)紅外進(jìn)行了較好的調(diào)制準(zhǔn)直發(fā)射。相位法測(cè)距就是利用發(fā)射的調(diào)制光和被測(cè)目標(biāo)反射的接收光之間光強(qiáng)的相位差包含的距離信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)距離的測(cè)量。相位法激光測(cè)距無論在軍事應(yīng)用，還是在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)方面都起著重要的作用。原理 ：相位法測(cè)距是將一調(diào)制信號(hào)對(duì)發(fā)射光波的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，利用測(cè)定“調(diào)制光波”往返于被測(cè)距離的相位差，間接求得待測(cè)距離D，如下圖所示。AADDA圖3.1.4 測(cè)距的原理圖在圖中，A 表示調(diào)制光波的發(fā)射點(diǎn)，A表示安置反射器的地點(diǎn)。AA兩點(diǎn)間的距離即是待測(cè)距離的2 倍。相

20、位式激光測(cè)距儀有著測(cè)距快、精度高的特點(diǎn)。相位式激光測(cè)距是通過間接測(cè)定調(diào)制光波信號(hào)在被測(cè)距離上往返一次所需要的時(shí)間來計(jì)算距離D，即2D=C式中：D為紅外跟蹤器所能探測(cè)的距離，C為光速，為在載波頻率。但由于發(fā)射機(jī)采用脈沖調(diào)制，工作在脈沖狀態(tài)，故不能直接用發(fā)射機(jī)的高頻振蕩信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，只能采用輔助的基準(zhǔn)信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)。脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器高頻振蕩器 功 放收/發(fā)開關(guān)接 收 機(jī)相位檢波器濾波放大器相干振蕩器Uco(t)Ui(t)Ua(t)侵入者圖3.1.5 用相干脈沖檢測(cè)法檢測(cè)活動(dòng)目標(biāo)的裝置的功能框圖用相干脈沖檢測(cè)法檢測(cè)活動(dòng)目標(biāo)的裝置的功能框圖如上所示。圖中的接受機(jī)包括混頻器、本振源和中頻放大器

21、。加至相位檢波器的信號(hào)有兩個(gè)，一個(gè)是探測(cè)信號(hào)Ui(t),另一個(gè)是作為基準(zhǔn)信號(hào)的相干振蕩信號(hào)Uco(t)。Ui(t)= Ui(t)cosw0(t-td)+a1+a2 Uco(t)= Uco(t)cos(w0cot+a3)在相位檢波器的一端接輸入信號(hào)Ui（t），另一端接比較信號(hào)UD（t）。相位檢波器可對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行相位比較，產(chǎn)生一個(gè)兩信號(hào)差成正比的電壓信號(hào)Uo（t），即Uo（t）=（i-D）OOui圖3.1.6 PD的鑒相特性由上圖可知，兩信號(hào)的相位差不同，其對(duì)應(yīng)的輸出電壓值就不同。從而5-10米的距離就可以得到對(duì)應(yīng)的輸出電壓值。aatTU0 cosaU0U01U01uo0(a) 只有靜態(tài)物體回

22、波時(shí)的差拍矢量圖和相位檢波器的輸出ttTToU1Uo1U1AUo1WdTU01 （b）有動(dòng)目標(biāo)回波時(shí)相位檢波器上的差拍信號(hào)矢量圖和隨時(shí)間變化的波形圖圖3.1.7 差拍信號(hào)矢量圖的波形圖特性3.2發(fā)射部分的電路圖及分析圖3.2.1 紅外發(fā)射電路的電路圖發(fā)射器部分電路如圖3.2.1所示，它由編碼脈沖發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)級(jí)和紅外發(fā)光二極管等組成。編碼脈沖發(fā)生器輸出的波形是調(diào)制信號(hào)1.92KhZ，編碼信號(hào)經(jīng)R1加至VT1的基級(jí)。當(dāng)編碼脈沖信號(hào)波形為高電平時(shí)，VT1飽和導(dǎo)通，VT2也導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管VD1發(fā)出紅外光；當(dāng)編碼脈沖信號(hào)波形呈低電平時(shí)，VT1、VT2均不導(dǎo)通，VD1不發(fā)光。這樣就可實(shí)現(xiàn)紅外光脈

23、沖的發(fā)射。VT1上端的LED為普通發(fā)光二極管。當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，LED發(fā)出綠光，以示發(fā)射電路正在工作，紅外發(fā)光二極管VD1發(fā)出的是人眼不可見的近紅外光束。三極管VT1使用的S8050,VT2采用S9012，紅外發(fā)光二極管VD1用是TSHG6200。紅外發(fā)光二極管的脈沖峰值電流Ipk與該管所能承受的平均工作電流If間的關(guān)系：Ipk=Ifexp(T0t) T0為編碼脈沖周期，t為發(fā)射脈沖的寬度。tT為脈沖電流的占空比，而Ipk越大，發(fā)射的紅外光峰值功率越大，紅外光的作用距離就越遠(yuǎn)，紅外系統(tǒng)的有效作用距離取決于發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)峰值功率，而峰值功率是由饋送給發(fā)射發(fā)光二極管的電流峰值所決定的，電流平均值越

24、小，其效率越高。TSHG6200的手冊(cè)上給出的工作電流If=100mA，UR=5V，P=250mW。從而算得R4=1000，此時(shí)Ipk=141.4mA。4 傳輸過程4.1 傳輸過程的介紹紅外輻射在傳播過程中，與空氣浮塵發(fā)生碰撞的散射和吸收過程具有隨機(jī)性，一部分輻射與空氣浮塵碰撞，被碰撞的輻射一部分被空氣浮塵吸收，另一部分被散射。被散射的輻射改變?cè)瓉淼姆较蚶^續(xù)向前傳播，重復(fù)以上的傳播過程，直到被被紅外探測(cè)器接收。這樣紅外探測(cè)器所接收到的來自目標(biāo)的輻射，由兩部分組成：一部分來自目標(biāo)經(jīng)過大氣直接到達(dá)紅外接收探測(cè)端，另一部分為鄰近目標(biāo)的輻射經(jīng)過大氣散射后到達(dá)紅外探測(cè)器的那部分輻射。所以發(fā)射端的峰值功率

25、要足夠，能夠滿足損耗及驅(qū)動(dòng)接收端的那部分功率。4.2 大氣的傳輸對(duì)紅外的作用分析目標(biāo)表面溫度、表面的紅外特性以及表面形狀決定了目標(biāo)所產(chǎn)生紅外輻射的大小。其中，目標(biāo)表面溫度隨外界天氣變化，目標(biāo)表面的紅外特性包括目標(biāo)的紅外發(fā)射率、目標(biāo)材料的對(duì)流導(dǎo)熱系數(shù)、目標(biāo)材料的比熱容等。在不同情況下，對(duì)于目標(biāo)的紅外輻射模型，需要建立目標(biāo)與周邊環(huán)境的數(shù)學(xué)模型，確定目標(biāo)溫度及目標(biāo)表面紅外特性與大氣參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。在研究大氣對(duì)測(cè)溫的影響時(shí)，也需要建立紅外輻射衰減等大氣傳輸作用的數(shù)學(xué)模型。本章將對(duì)以上影響因素逐一進(jìn)行研究。大氣分子和氣溶膠粒子對(duì)紅外輻射的吸收、散射，大氣湍流的散射和折射都將導(dǎo)致紅外輻射在傳播方向上的

26、衰減。紅外輻射的這種大氣衰減將降低目標(biāo)灰度，導(dǎo)致紅外能量下降。大氣分子和氣溶膠對(duì)紅外輻射的散射、大氣湍流引起的路徑變化使紅外光線偏離光路，對(duì)周邊光程較長(zhǎng)時(shí)，大氣湍流會(huì)引起相位變化和輻射強(qiáng)度起伏，使紅外信號(hào)變形、閃爍。通常一般從以下幾個(gè)方面對(duì)紅外傳輸過程中的大氣效應(yīng)進(jìn)行研究：（1） 大氣組成和紅外光學(xué)特性分析。主要介紹大氣主要成分，對(duì)紅外輻射傳輸影響較大的大氣吸收、大氣的瑞利散射和 Mie 散射、大氣湍流等。（2） 紅外傳輸過程大氣效果模型研究。從紅外傳輸機(jī)理出發(fā)，研究紅外輻射在大氣中的傳播機(jī)制、大氣對(duì)紅外傳輸?shù)挠绊懸约凹t外接受大氣效應(yīng)的模型研究方法。（3） 大氣衰減的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。討論利用一般氣象

27、參數(shù)計(jì)算紅外大氣透過率。4.2.1 大氣的組成及光學(xué)特性大氣由多種不同氣體混合組成，主要成份有氮?dú)?，氧氣，二氧化碳和水蒸氣。除了這些氣體成份之外，大氣中還含有大量固態(tài)和液態(tài)懸浮粒子。這些粒子構(gòu)成了氣溶膠分散系統(tǒng)，稱之為“大氣氣溶膠”粒子。紅外輻射衰減與以下三種現(xiàn)象有關(guān)：（1）大氣中氣體分子的吸收（2）大氣中分子、氣溶膠、微粒的散射（3）因氣象條件 (云、霧、雨、雪 )而產(chǎn)生的衰減在進(jìn)行紅外傳輸過程研究時(shí)，必須考慮上述三種不同現(xiàn)象。大氣由不同的氣體分子和氣溶膠粒子組成，成分不同其具有的光學(xué)性質(zhì)也不相同。對(duì)紅外輻射而言，紅外輻射在大氣中的衰減主要是由于大氣各種組成粒子的吸收和散射。大氣對(duì)紅外輻射的

28、吸收主要來自大氣分子的吸收、大氣的分子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)所形成吸收譜線。而這種對(duì)紅外輻射的吸收有很強(qiáng)的譜線選擇性。大氣對(duì)紅外輻射吸收占主導(dǎo)地位的分子有水蒸氣分子、CO 分子，臭氧分子、甲烷分子等。對(duì)紅外輻射散射占主導(dǎo)地位的是氣溶膠粒子的散射，由大氣中散射質(zhì)點(diǎn)半徑與濃度的表格可見，大氣分子的尺度參數(shù)小于0.1，因而大氣分子的散射一般用瑞利散射理論來處理，氣溶膠粒子的尺度參數(shù)大多大于0.1，因而氣溶膠粒子的散射一般用Mie 散射理論來處理。紅外輻射在湍流大氣中的傳輸也是紅外輻射與大氣作用的一個(gè)重要方面。湍流不僅引起紅外輻射能量損耗，而且輻射的強(qiáng)度、相位、傳播方向也隨湍流起伏。大氣湍流對(duì)光束特性的影響程度和

29、形式與光束的直徑d 和湍流尺度l 的相對(duì)大小有關(guān)。當(dāng)d/11 時(shí)，光束截面內(nèi)包含許多湍渦，從而使光束的強(qiáng)度和相位在空間和時(shí)間上出現(xiàn)隨機(jī)分布。4.2.2紅外傳輸過程大氣效應(yīng)模型的建立紅外輻射在到達(dá)紅外探測(cè)器成為電信號(hào)之前，必須經(jīng)過大氣的吸收和散射，我們稱之為大氣效應(yīng)，大氣效應(yīng)是紅外探測(cè)需要解決的重要課題之一。紅外探測(cè)器所接收到的輻射亮度由三部分組成：H = H0 + H j + Hs （3.1）式中H o為來自目標(biāo)經(jīng)大氣衰減而達(dá)到紅外探測(cè)器的直接輻射項(xiàng)； Hj 為相鄰像元的輻射經(jīng)過大氣的散射后到達(dá)紅外探測(cè)器的那部分輻射； Hs 為空間雜散光的輻射?？臻g雜散光的分布在探測(cè)器表面是均勻的，其強(qiáng)度和紅

30、外攝像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)。因此，在考慮紅外成像的大氣效應(yīng)時(shí)，我們可以忽略空間雜散光的影響。在大氣狀況已知的情況下，大氣的衰減和相鄰像素之間的影響可以采用輻射傳輸方程計(jì)算。需要針對(duì)不同應(yīng)用采用不同的近似解法。大氣點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)（Atmospheric point spread function）是一種在空間域描述大氣對(duì)相鄰像素之間輻射影響的函數(shù)。它包括該像素元對(duì)應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)的輻射直接達(dá)到該像元的能量以及散射到周邊像元上的能量。因此，大氣點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的物理意義是描述了相鄰像元之間總輻射亮度貢獻(xiàn)率的空間分布。大氣對(duì)紅外圖像的作用可以看作是目標(biāo)和背景輻射場(chǎng)與大氣點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的卷積。紅外輻射在大氣中的能量損失主要體

31、現(xiàn)在大氣的吸收，而散射的作用使輻射能量分布在其相鄰像元上。 大氣調(diào)制傳遞函數(shù)（Atmospheric modulation transfer function）是近年來發(fā)展起來的一種精確、有效的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法。大氣調(diào)制傳遞函數(shù)是大氣點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)傅立葉變換的模，它從頻域空間表達(dá)了大氣對(duì)紅外成像的影響。大氣調(diào)制傳遞函數(shù)包括氣溶膠調(diào)制傳遞函數(shù)、湍流調(diào)制傳遞函數(shù)。大氣湍流的調(diào)制傳遞函數(shù)又包括短曝光調(diào)制傳遞函數(shù)和長(zhǎng)曝光調(diào)制傳遞函數(shù)。計(jì)算特定天氣下的大氣調(diào)制傳遞函數(shù)，就可得到大氣的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)。4.2.3 大氣衰減經(jīng)驗(yàn)計(jì)算光譜透過率可用布蓋爾-朗伯定律表示，即a = exp ( ( )l )其中 ( )為衰減系

32、數(shù)，l 為目標(biāo)與紅外跟蹤器之間的距離。輻射在某一波段(1 ,2 )以下分別就與大氣有關(guān)的幾種衰減進(jìn)行說明。一大氣分子的吸收衰減用理論方法只能求出近似的大氣衰減和透過率，而在一定的天氣條件和高度下，可用經(jīng)驗(yàn)公式求出較精確的近似值。在離地20 公里高度以下的紅外系統(tǒng)， 臭氧 、一氧化氮、CO 的衰減作用可以忽略不計(jì)。水汽、二氧化碳分子產(chǎn)生最強(qiáng)的選擇性紅外輻射吸收。二大氣分子和微粒的散射衰減微粒散射為僅存在于大氣中的地球表面灰塵、煙霧、水滴、鹽粒等不同粒子的散射。采用標(biāo)準(zhǔn)氣象能見度Dv 確定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可用來計(jì)算光譜透過率。氣象能見度Dv 表征大氣的模糊度，是白天目視能看見天空背景下水平方向上角尺度

33、大于 30模糊物體的最大距離。它代表了大氣的透射性能。在可見光區(qū)的指定波長(zhǎng)0在這些波長(zhǎng)處，大氣的吸收為零，因而影響透射的原因?qū)⒅皇巧⑸溥@一種因素。三與氣象有關(guān)的衰減因?yàn)闅庀?(霧、雨、雪 )粒子尺寸通常比紅外輻射波長(zhǎng)大得多，所以根據(jù)米氏理論，這些粒子產(chǎn)生非選擇的輻射散射。霧粒的尺寸各有不同，對(duì)于小粒狀（輻射的）霧，在可見光和紅外光譜區(qū)，雨和雪的輻射衰減與霧的衰減不同，是非選擇性的。因此，對(duì)于雨、雪的衰減系數(shù)可采用在850nm波長(zhǎng)能得到經(jīng)驗(yàn)公式。在此不作詳細(xì)推敲。4.3 模型中背景環(huán)境對(duì)紅外測(cè)溫精度的影響紅外跟蹤器接收到的輻射有一部分來自于大氣路徑上所處環(huán)境和背景反射的輻射。被測(cè)目標(biāo)表面溫度隨時(shí)

34、都會(huì)發(fā)生變化，它與所處的地理位置、季節(jié)、太陽輻射、天空輻射、氣候變化、空氣流動(dòng)和有無熱源等因素有關(guān)。同時(shí)目標(biāo)表面不斷的以輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)等形式和外界介質(zhì)進(jìn)行熱交換。對(duì)目標(biāo)溫度的外界影響基本上可以歸于環(huán)境因素和背景因素兩方面來考慮。環(huán)境因素主要是自然環(huán)境對(duì)目標(biāo)的影響，在地理緯度、目標(biāo)的朝向及地形條件確定的條件下，主要影響因素是目標(biāo)環(huán)境對(duì)比度。而背景因素主要集中在背景溫度的影響上。當(dāng)然還有其它很多因素，比如太陽輻射和風(fēng)速變化等等 。此簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)僅做了解，不予考慮。5接收部分 光電探測(cè)器用來將接收到的紅外脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。接收光電管在沒收到紅外光信號(hào)時(shí)，光電管中流過的電流很少，即只有很少的“

35、暗電流”，負(fù)載上無電脈沖信號(hào)輸出；當(dāng)有紅外光脈沖信號(hào)照射時(shí)，光電管的內(nèi)阻急劇減少，電流增大，并在負(fù)載上得到相應(yīng)的電脈沖信號(hào)輸出。由于檢測(cè)出的信號(hào)微弱，需要經(jīng)高增益電壓放大器放大，然后經(jīng)整流濾波電路后輸出正極性脈沖，加至觸發(fā)電路，使觸發(fā)器可靠翻轉(zhuǎn)，并輸出規(guī)范的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)件動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)件可以是繼電器或音響電路等。前置放大電路前置放大電路脈沖編碼解調(diào)器輸出驅(qū)動(dòng)器控制電路（報(bào)警）圖5.1 紅外接收端的基本組成框圖5.1光電探測(cè)器（光敏三極管）在紅外線檢測(cè)和遙控系統(tǒng)中，與紅外發(fā)射器配套的是紅外光電檢測(cè)、接收系統(tǒng)。在紅外接收器中，紅外光電二極管、光敏三極管將接收到的紅外光指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信

36、號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱的紅外信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和檢測(cè)，除了要求高性能的紅外光電轉(zhuǎn)換器件外，還應(yīng)合理的選擇并設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的電路形式。紅外光電轉(zhuǎn)換器件是紅外接收系統(tǒng)中的傳感器件，是紅外接收前端的光電探測(cè)器件。紅外接收前端的光電探測(cè)器件有光電二極管、光敏三極管和少量其他光電器件。根據(jù)任務(wù)書的要求，本設(shè)計(jì)采用的是光敏三極管。光電三極管是靠光的照射來控制電流的器件，它可以等效為一個(gè)光電三極管與一個(gè)晶體三極管的結(jié)合，具有放大的作用。光電三極管的結(jié)構(gòu)雖屬三極管形式，但基極一般不外接。目前的光電三極管是采用硅材料制作而成的。這是由于硅元件較鍺元件有小得多的暗電流和較小的溫度系數(shù)。硅光電三極管是用N型硅單晶做成NPN結(jié)構(gòu)

37、的。管芯基區(qū)面積做得較大，發(fā)射區(qū)面積卻做得較小，入射光線主要被基區(qū)吸收。與光電二極管一樣，入射光在基區(qū)中激發(fā)出電子與空穴。在基區(qū)漂移場(chǎng)的作用下，電子被拉向集電區(qū)，而空穴被積聚在靠近發(fā)射區(qū)的一邊。由于空穴的積累而引起發(fā)射區(qū)勢(shì)壘的降低，其結(jié)果相當(dāng)于在發(fā)射區(qū)兩端加上一個(gè)正向電壓，從而引起了倍率為+1(相當(dāng)于三極管共發(fā)射極電路中的電流增益)的電子注入，這就是硅光電三極管的工作原理。光電三極管的集電極接正電位，其發(fā)射極接負(fù)電位。當(dāng)無光照射時(shí)，流過光電三極管的電流，就是正常情況下光敏三極管集電極與發(fā)射極之間的穿透電流Iceo 它也是光電三極管的暗電流，其大小為Iceo =(1 + hFE) I式中:Icb

38、o集電極與基極間的飽和電流;hFE 共發(fā)射極直流放大系數(shù)。當(dāng)有光照射在基區(qū)時(shí)，激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)增加了少數(shù)載流子的濃度，使集電結(jié)反向飽和電流大大增加，這就是光電三極管集電結(jié)的光生電流。該電流注入發(fā)射結(jié)進(jìn)行放大，成為光電三極管集電極與發(fā)射極間電流，它就是光電三極管的光電流?？梢钥闯?，光電三極管利用普通半導(dǎo)體三極管的放大作用，將光電二極管的光電流放大了( 1 + hFE) 倍。所以，光電三極管比光電二極管具有更高的靈敏度。由于光電三極管較光電二極管有放大作用，其響應(yīng)時(shí)間更短，因而用途更多。而根據(jù)任務(wù)書的要求，本設(shè)計(jì)采用的是光敏三極管TBCB30三極管相關(guān)參考資料見附錄。5.2前置放大電路在紅外

39、光接收電路中，紅外光敏器件用于將收到的紅外光指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。通常，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)十分微弱，必須通過前置放大電路放大到一定值后，才能送到信號(hào)處理電路或執(zhí)行機(jī)件。紅外光敏器件檢測(cè)出的相應(yīng)于紅外光指令的電信號(hào)通常為微伏級(jí)，因此需要前置放大電路的電壓增益不少于60DB，且要求有良好的穩(wěn)定性能。通用型集成運(yùn)算放大器具有較高的開環(huán)增益，且體積小、使用方便，價(jià)格便宜，性價(jià)比高。使用它可以很方便的設(shè)計(jì)成紅外接收小信號(hào)交流放大器。本設(shè)計(jì)采用是市場(chǎng)上常見且價(jià)廉的雙電源運(yùn)放A741（第一塊集成運(yùn)放電路是美國仙童（fairchild）公司發(fā)明的A741），A741是一種單片高性能內(nèi)外補(bǔ)償運(yùn)放，具有較寬的共

40、模和差模電壓范圍，一般不需要進(jìn)行外部頻率補(bǔ)償，具有短路保護(hù)及失調(diào)電壓調(diào)到零的能力，而且功耗低，是一種性價(jià)比較高的通用型運(yùn)算放大器。使用運(yùn)放作為交流放大器的電路也是一種比例放大電路。A741構(gòu)成的反相交流放大器電路。該電路的輸出電壓與輸入電壓是反相的，即輸入信號(hào)通過R1加至放大器的反相器的反相輸入端。Rf和R1構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。該電路的電壓增益為Gf=-(Rf/R1)由此可知，放大器的電壓增益只與Rf和R1有關(guān)，式中的負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位相反關(guān)系。Ci與Co分別為電路的輸出端與輸入端電容器，其值視工作頻率范圍而定。若工作在高頻范圍，可選2000pF-0.22F。其具體電路圖，見附錄（一）

41、。要求接收到得紅外信號(hào)應(yīng)該放大60dB，所以，電壓增益為1000.所以取得R1=910，Rf=910K。5.3解調(diào)電路5.3.1鎖相環(huán)CD4046（一）CD4046的內(nèi)部組成和引腳排列1414PDPD162131VSS3VCO4671112源極跟隨器5815910圖 5.3.1 CD4046的內(nèi)部組成框圖112345678161514131211109CD4046圖5.3.2 CD4046的引腳圖符號(hào)引腳號(hào)名 稱 功 能PH1114相位比較器輸入端（基準(zhǔn)信號(hào)輸入 ），相位比較器輸入信號(hào)，輸入允許將0.1V左右的小信號(hào)或方波信號(hào)在內(nèi)部放大并再經(jīng)過整形電路后，輸出至相位比較器。PH123相位比較器

42、輸入端（比較信號(hào)輸入） 通常PD來自VCO的參考信號(hào)。PH012PD輸出端 相位比較器1輸出的相位差信號(hào)，它采用異或門結(jié)構(gòu)，即鑒相特性為 。PH0213PD輸出端 相位比較器的輸出端，它采用，上升沿控制邏輯。PH031輸出端（相位脈沖輸出） 相位比較器2輸出的相位差信號(hào)，為上升沿控制邏輯。環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平VC019壓控振蕩器的控制端。VC004壓控振蕩器輸出端INH5VCO禁止端，有效控制信號(hào)輸入，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。R111VCO外接電阻R1R212VCO外接電阻R2C16 7并接振蕩電容C1，以控制VCO的振蕩頻率。DEM010解調(diào)信號(hào)輸出端15

43、內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓二極管負(fù)極。表5.3.3 CD4046引腳功能CD4046引腳功能描述如下：16和8腳分別為供電電壓的正端和負(fù)端；14腳是信號(hào)輸入端，一般要求其輸入信號(hào)不宜小于100mV；2和13腳分別是相位比較器PC和PC的輸出端，通過它們的外接電阻R3、C2組成的低通濾波器送入VCO的控制端9腳；6和7腳外接電容C1，11腳外接電阻R1，C1和R1決定VCO的振蕩頻率；12腳外接R2，R2決定VCO的最低振蕩頻率，R2阻值減少時(shí)，最小頻率增大，頻率范圍會(huì)縮?。?5腳是VCO的禁止端，當(dāng)5腳置于高電平時(shí)VCO便停止工作，而置于低電平時(shí)，VCO才開始工作；4腳是VCO的輸出端；3腳是比較輸入

44、端；10腳是低通濾波后源跟隨器的輸出端；15腳為內(nèi)部穩(wěn)壓二極管VDW的正電壓輸出端，在電路中需外接限流電阻Rs；1腳是相位比較器PC的鎖定指示輸出端，當(dāng)電路進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)，1腳輸出高電平，而在失鎖時(shí)1腳輸出低電平。（二）工作原理：鎖相環(huán)CD4046為數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)芯片，內(nèi)有兩個(gè)PD、VCO、緩沖放大器、輸入信號(hào)放大與整形電路、內(nèi)部穩(wěn)壓器等。它具有電源電壓范圍寬、功耗低、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，其工作頻率達(dá)1MHz，內(nèi)部VCO 產(chǎn)生50% 占空比的方波，輸出電平可與TTL電平或CMOS 電平兼容。同時(shí)，它還具有相位鎖定狀態(tài)指示功能。R1 、R2、C確定VCO 頻率范圍。R1控制最高頻率，R2控制

45、最低頻率。 R2=時(shí)，最低頻率為零。無輸入信號(hào)時(shí)， PD 將VCO調(diào)整到最低頻率。鎖相環(huán)CD4046的一個(gè)重要功能是：內(nèi)部壓迫、控振蕩器的輸出信號(hào)從第4腳輸出后引至第3腳輸入，與從第14腳輸入的外部基準(zhǔn)頻率信號(hào)和相位的比較。當(dāng)兩者頻率相同時(shí)同，壓控振蕩器的頻率能自動(dòng)調(diào)整，直到與基準(zhǔn)頻率相同。PD為異或門鑒相器，PD為具有鑒頻功能的數(shù)字鑒頻器。由于PD具有鑒頻功能，由它組成的環(huán)路具有很好的捕捉性能且線性范圍大。而PD無鑒頻功能，由它組成的環(huán)路捕捉范圍小，工作不穩(wěn)定。所以人們幾乎普遍采用PD，有時(shí)還把PD組成的環(huán)路作為低頻增益環(huán)路來處理。鎖相環(huán)的基本工作原理如下：輸入信號(hào)UI從14腳輸入后，經(jīng)過A1進(jìn)行放大和整形，加至相位比較器和的輸入端。圖中將開關(guān)S撥到第2腳，相位比較器就把從第3腳輸入的比較信號(hào)與輸入信號(hào)UI進(jìn)行相位比較，由第2腳輸出的誤差電壓U即反映出二者的相位差。U經(jīng)過由R3、R4、C2組成的低通濾波器濾除高頻之后，就獲得控制電壓Ud，加至VCO的輸入端來調(diào)整其振蕩頻率，使f2迅速逼近于f1。（三）CD4046的主要電性能參數(shù)及設(shè)計(jì)參考表主要講CD4046的特