1、第二章PSD傳感器與信號處理電路第二章PSD傳感器與信號處理電路為了將電機軸的位置信號轉換為相應的電信號，本文的傳感器使用光電位置敏感器件PSD（PositionSensitiveDetector。本章介紹PSDS其信號處理電路的工作原理及選型。2.1PSD傳感器的工作原理及選型傳感器是一種以一定的精確度將被測量（如位置、力、加速度等）轉換成與之有確定對應關系的、易于精確處理和測量的某種物理量（如電量）的測量部件或裝置。傳感器在檢測系統中是一個非常重要的環節，其性能直接影響到整個系統的測量精度和靈敏度。如果傳感器的誤差很大，后面的測量電路、放大器等的精度再高也將難以提高整個系統的精度。所以在系

2、統設計時慎重選擇傳感器是十分必要的。光電位置敏感器件PSD（PositionSensitiveDetector）是一種對其感光面上入射光斑重心位置敏感的光電器件。即當入射光斑落在器件感光面的不同位置時，PSD將對應輸出不同的電信號。通過對此輸出電信號的處理，即可確定入射光斑在PSD的位置。入射光的強度和尺寸大小對PSD的位置輸出信號均無關。PSD的位置輸出只與入射光的“重心”位置有關。PSD可分為一維PSD和二維PSD。一維PSD可以測定光點的一維位置坐標,二維PSD可測光點的平面位置坐標。由于PSD是分割型元件，對光斑的形狀無嚴格的要求，光敏面上無象限分隔線，所以對光斑位置可進行連續測量從而

3、獲得連續的坐標信號。實用的一維PSD為PIN三層結構，其截面如圖2.1.1所示。表面P層為感光面，兩邊各有一信號輸出電極。底層的公共電極是用來加反偏電壓的。當入射光點照射到PSD光敏面上某一點時，假設產生的總的先生電流為|00由于在入射光點到信號電極間存在橫向電勢，若在兩個信號電極上接上負載電阻，光電流將分別流向兩個信號電極，從而從信號電極上分別得到光電流Ii和12。顯然，Ii和I2之和等于光生電流Io,而Ii和I2的分流關系取決于入射光點位置到兩個信號電極間的等效電阻Ri和R2。如果PSD表面層的電阻是均勻的，則PSD的等效電路為圖2.1.1b所示的電路。由于Rsh很大，而Cj很小，故等效電

4、路可簡化成圖2.1.1（c）的形式，其中R1和R2的值取決于入射光點的位置。假設負載電阻Rl阻值相對于R1和R2可以忽略，則有：(2.1.1)I1R2Lx12R1Lx式中，L為PSD中點到信號電極的距離，x為入射光點距PSD中點的距離式（2.1.1）表明，兩個信號電極的輸出光電流之比為入射光點到該電極間距離之比的倒數。將Io=I1+I2與式（2.1.1）聯立得：軸振動光電在線精密測量系統研究圖2.1.1PSD的結構及等效電路a港面電路b)等效電路c)簡化的等效電路Lx102L2L(2.1.(2)(2.1.(3)從以上兩式可以看出，當入射光點位置固定時，PSD的單個電極輸出電流與入射光強度成正比

5、。而當入射光強度不變時，單個電極的輸出電流與入射光點距PSD中心的距離x呈線性關系。若將兩個信號電極的輸出電流作如下處理：I2I1XPx一(2.1.4)xI2I1L'，則得到的結果只與光點的位置坐標x有關，而與入射光強度無關，此時PSD就成為僅對入射光點位置敏感的器件。Px稱為一維PSD的位置輸出信號。本文選用的PSD是日本HAMAMATSUPHOTONICS公司生產的S1352維線陣歹PSD2.2 PSD傳感器信號處理電路原理PSD兩極輸出的只是光電流I1和I2,要想得到位置輸出信號Px必須要有相應的信號處理電路的支持。下面介紹PSD專感器信號處理電路原理。第二章PSD傳感器與信號處

6、理電路由上一節可知，Px=(I1-I2)/(I1+I2),因此其基本檢測和處理電路的設計思想是先將I1和I2進行加減運算然后再進行除法運算。電路原理圖如圖2.2.1所示，光電流I1和I2先經過IC1和IC2的低通濾波將高頻噪聲和脈沖干擾去處掉。然后分別通過加法電路IC3和IC5和減法電路IC4得到I1+I2和I1-I20最后I1+I2和I1-I2通過除法電路IC6得到位置輸出信號Px=(I1-I2)/(I1+I2)圖3212維Psr基本檢測和處理電路該電路只適用于沒有外界光只有信號光的理想情況。在實際檢測的環境中，外界光是存在的，并且會給上面的原理電路的測試結果帶來很大的誤差，因此在電路設計中

7、要著重考慮如何消除外界光源的信號干擾。2.3 C5923PSD信號處理電路本文選用的PSDW號處理電路是由HAMAMATSUPHOTONICS出品的C5923一維PSD信號處理電路。該信號處理電路是專門針對HAMAMATSU司生產的一維PSD專感器設計的。C5923采用調制解調技術來去除信號光中的背景光干擾。C5923信號處理電路的所有組件都安裝在一塊PCB電路板上，這些電路包括：調制信號光源驅動電路、前置放大電路、信號加法、減法電路、信號除法電路、信號采樣保持電路。具體的電路原理圖參見圖2.3.1,現就各個電路的功能來介紹C59232.3.1 濾波電路濾波電路的功能是讓指定頻段的信號通過，而

8、將其余頻段上的信號加以抑制或使其急劇衰減。運算放大器和RC網絡組成的有源濾波器與無源濾波器件相比具有體積小，重量輕，線性特性好的優點。其次，由于運算放大器的增益和輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，所以有源濾波器還能提供一定的信號增益和緩沖作用。軸振動光電在線精密測量系統研究aNO口20TG40二»>11曰MEAD53F不如5口二口口pF圖2.3.1C5923信號處理電路原理圖6第二章PSD傳感器與信號處理電路C5923采用的低通濾波器如圖2.3.2所示。輸入的光電流型號Ii和I2通過濾波器轉換成放大的電壓信號。由于加在PSD上的光信號是由一定頻率的方波驅動的，因此PSD兩個引腳輸出的

9、Ii和I2也是交流信號。Ci在電路中起的是隔直通交的作用。C2和R2組成的RC網絡和運算放大器一起構成低通濾波器，將輸入信號中的脈沖干擾和高頻噪聲過濾掉，濾波的帶寬的頻率應比解調頻率高。通過改變Ri和R2的值還可以調整低通濾波器的輸出增益。圖2.3.2低通濾波器2.3.2 運算電路I1和I2經過濾波之后得到兩個與I1和I2倒相的電壓信號VS1和VS2。為了得到最終的位置輸出信號R。必須要進行(VS2VS1)/(VS1+VS2)的運算。整個運算可以分為加法運算，減法運算和除法運算三部分來進行。下面將逐個介紹相應的運算電路。C5923的加法電路是通過圖2.3.3所示的電路來實現的。圖2.3.3加法

10、電路軸振動光電在線精密測量系統研究這個電路接成反相放大器，由于電路存在虛短，Vi=0,在P端接地時，Vn=0,故N點為虛地。顯然，它是屬于多端輸入的電壓并聯負反饋電路。利用虛短，虛斷的概念，對反相輸入節點可得下面的方程式：Vo=(Rf/Ri)Vsi+(Rf/R2)Vs2(2.3.1)這就是加法運算的表達式，式中負號是因為反相輸入所引起的，如果電路里Ri=R2=Rf,則上式變為：Vo=Vsi+Vs2(2.3.2)在一般的加法電路設計中，加法電路的輸出端還要再接一級反相電路消去負號來實現完全符合常規的算術加法。由于在這個系統中減法運算的結果要和加法運算的結果做除法。因此加法運算結果前的負號可以由減

11、法運算通過調整兩個減法輸入的次序來做調整。因此在C5923中加法運算電路的后級反相電路可以省略了，從而使整個電路更加精簡。C5923的減法電路是通過圖2.3.4所示的差分式電路來實現的。圖2.3.4減法電路從電路結構上來看，它是反相輸入和同相輸入相結合的放大電路。在理想運放的情況下，根據虛斷，虛短原理，可以得到下列方程式：嗎=(鬻如3.3)在上式中，如果選取電阻值滿足Rf/Ri=R3/R2的關系，輸出電壓可簡化為s=書口為)(2.3.4)即輸出電壓與兩個輸入電壓之差(VS2-VS1)成比例，所以圖2.3.4所示的減法電路實際上就是一個差分式放大電路。當Rf=Ri時，Vo=VS2-VSI0C59

12、23的除法功能是使用實時模擬信號計算單元AD538來實現的。AD538是一個單片實時計算電路，它能給模擬信號提供精確的乘法、除法和幕運算。輸入信號動態范圍可以很大，運算輸出信號的線性好，單片設計使它的具有功耗小，可靠性高的特點。AD538通常運用于乘法，除法計算、平方、平方根以及三角函數近似計算。第二章PSD傳感器與信號處理電路AD538總的運算表達式是Vout=Vy(VzZVx)m,根據不同的需要可以改變AD538的外置電路和輸入信號的連接來實現不同的運算。C5923使用了它的雙輸入除法運算功能。圖2.3.5是AD538進行Vout=10(VzZVx)運算的連線圖。圖2.3.5AD538實現

13、Vout=10(VzZVx)如上圖所示AD538的6,7引腳接±15伏特的電源。14,13引腳分別為信號地和電源地。分母模擬信號Vz和分子模擬信號Vx和分別接到1腳和2,16腳。再加上外置調零電路。最終8腳的輸出信號Vout=10(VzZVx)。式子中除法項前的系數10是由外置電路決定的。在C5923中通過對AD538的5腳電壓調節可以改變系數的大小來線性調整最終輸出的幅值。同時C5923還引出參考電壓VRef來測試光源的強度。如果測出光源強度偏小可以調整C5923勺可調電阻VR來增加系數來提高增益。具體的C5923的AD538布線參考圖2.3.1的U10。通過上面三個運算電路，信號

14、光斑在PSD上的位置線性對應輸出位置電壓信號Px02.3.3 調制解調電路PSD在接受信號光的同時不可避免的會受到外界光的影響。外界光將疊加在信號光之上共同產生光電流。這對最終測試結果的影響是非常大的。在考慮到外界光干擾的同時也應注意到這種干擾的疊加是線性的，即有下面的等式：軸振動光電在線精密測量系統研究f(INs)=Is(2.3.5a)f(INw)=|w(2.3.5b)f(INs+INw)=|s+|w(2.3.5c)式子中INs是信號光輸入，INw是外界光輸入，Is是沒有外界光時的信號光產生的光電流，lw是沒有信號光時外界光干擾產生的光電流。由上式可知信號光和外界光疊加到PSD后產生的光電流

15、是信號光和外界光單獨作用在PSD上輸出的線性疊加根據這個特性可以運用調制解調技術把外界光干擾去除掉。C5923的消除外界光干擾電路的設計思想是：首先保證外界光為恒定的光強，設外界光的干擾信號輸入為INw,設外界光經過PSD產生的光電流為lw,由于外界光強恒定所以INw和lw也為固定常值。由C5923產生一個周期為300ds、脈沖寬度為90ds的方波如圖2.3.6所示來驅動信號光源，從而得到調制的信號光。在沒有外界光干擾的情況下，設方波高電平時輸入信號為INs,經過PSD產生的光電流為Is,方波低電平時光源不發光所以輸入信號和產生的光電流都為零。圖2.3.6脈沖驅動方波在實際檢測過程中外界光是一

16、直存在的。加在PSD上的光是調制信號光和外界干擾光的疊加。在驅動方波高電平時輸入信號為INs+INw,由線性特性可知高電平時產生的光電流為ls+lw。在驅動方波低電平時由于沒有信號光所以輸入信號為INw,產生的光電流為0+Iw。分別在驅動方波高電平和低電平的時候對光電流采樣保持，然后將高電平的采樣保持信號ls+lw和低電平的采樣保持信號lw做減法運算，最終得到的是沒有外界光干擾的驅動方波高電平信號光電流Is。在實際電路設計上由于考慮到濾波電路等因素，這個采樣保持電路是在加法電路和減法電路之后的。這并不影響電路去除外界光的功能。通過以上的調制解調，能將外界光干擾從信號光中去除掉。但它的前提條件是

17、保持外界光是恒定光源。如果不是恒定光源，在高、低電平時采樣的lw不是同一個值，這會導致最后測試結果錯誤。C5923的調制解調電路主要有兩個部分：脈沖方波發生電路和采樣保持差分電路。脈沖方波發生電路主要功能是：提供一個周期為300ds、脈沖寬度為90s的驅動方波給信號光源同時要給采樣保持電路一個驅動方波高電平時刻采樣觸發脈沖和一個驅動方波低電平時刻采樣觸發脈沖。10第二章PSD傳感器與信號處理電路脈沖方波發生器電路如圖2.3,7所示，圖上的標號仍沿用圖2.3.1的標號方式。脈沖方波發生器是由一片555定時器，一片十進制計數/分配器TC4017和一片TC4071或門組成的。Y5116VmY1215

18、CiY03UCPY2413ENY6512QcoY7611ygY3710憶ggY3圖2.3.8TC4017圖2,3.7脈沖方波發生器U6=555U7=TC4017U8=TC4071555定時器一般是由兩個比較器、一個基本RS觸發器和一個集電極開路的放電三極管三部分組成。C5923里555定時器的外圍電路使它工作在方波發生方式。從555定時器的6腳輸出周期為30ds的方波信號。該方波信號輸入到TC4017的14腳時鐘輸入端CP。TC4017是一個十進制計數/分配器，它的引出端功能圖如圖2,3,8所示。它有三個輸入端。其中15腳清零端Cr和13腳使能端在TC4017工作時置零。在圖2.3.1里把這兩

19、端接地了。時鐘輸入端CP接外部計數脈沖，外部脈沖上升沿計數。TC4017有10個譯碼輸出端Y0、Y1、Y2-Y9,每個輸出端的狀態和輸入計數器的時鐘脈沖的個數相對應。例如輸入4個時鐘脈沖，如果計數器從0開始計數，則此時譯碼輸出端Y4應為高電平，其余輸出端均為低電平。當清零端和使能端接地，時鐘輸入端CP接一個周期時鐘脈沖時，譯碼輸出端輸出的信號也是一個周期脈沖信號。這個輸出信號的周期為輸入時鐘脈沖周期的十倍，脈沖寬度大小等于輸入時鐘信號周期。不11軸振動光電在線精密測量系統研究同的譯碼輸出端的輸出信號對應不同的相位。在C5923中Y4、Y5、Y6輸出到TC4071的輸入端，Y5輸出作為光源驅動方

20、波高電平時刻采樣觸發脈沖。Y8輸出作為光源驅動方波低電平時刻采樣觸發脈沖。圖2.3.9TC4071TC4071是四個或門組成的集成電路，具邏輯關系是：當全部輸入端都處于低電平時，輸出端才處于低電平；只要有一個輸入端出現高電平，輸出端便為高電平。TC4071的引出端功能圖如圖2.3.9所示。從TC4017輸入的Y4、Y5、Y6分別連接到TC4071的8、9、13輸入端進行或運算后從TC4071的11腳輸出光源驅動方波。該驅動方波經過共射集放大器放大后可以直接驅動信號光源。光源的電源端直接連接到圖2.3.7的A、K端口即可。圖2.3.10是脈沖方波發生器中幾個芯片輸出端的波形。圖左邊的標號如555

21、.3表示的是555定時器的3號端口的波形。如圖所示TC4071的11號端口輸出的是一個周期為300s、脈沖寬度為90s的周期脈沖方波。TC4071的1號和9號端口分別輸出光源驅動方波高、低電平時刻采樣觸發脈沖。0123456739555.3_TC401L104TCM1T.1|_5TC4017*5|gTC4071,11|TC4O17.9圖2.3.10脈沖方波發生器波形圖采樣保持差分電路的主要功能是：接收由脈沖方波發生器發出的光源驅動方波高、低電平時刻采樣觸發脈沖，在相應時刻對調制信號進行采樣保持，然后將高電平時刻采樣的信號與低電平時刻采樣的信號做減法運算，最后得到的就是消除了外界光干擾的解調信號

22、。采樣保持差分電路如圖2.3.11所示，圖上的標號基本沿用圖2.3.1的標號方式。采樣保持差分電路是由兩片LF398芯片組成的采樣保持電路、一片TL074分12第二章PSD傳感器與信號處理電路壓器以及一片TL074減法電路組成的紹LF398的工作方式減法電路在刖面已經有詳細介紹，下面介國制信號他中平時刻系樣附筠脈沖TC2t»>>1n'圖2.3.11采樣保持差分電路U4,5=LF398U8,9=TL074REFHOLCOUTPUT圖2.3.12LF398LF398是一個采樣保持集成電路，它的引出端如圖2.3.12所示。LF398一共有8個端口，其中1、4端口接電源；

23、3號端口接采樣保持輸入信號，在C5923里它接的是調制信號；6號端口接電壓保持電容；7號端口接參考電壓；8號端口接13軸振動光電在線精密測量系統研究采樣觸發脈沖；5號端口輸出3號端口的采樣保持信號。LF398的工作原理是當8號端口電平高于參考電壓時，輸入與輸出導通，同時給電壓保持電容充電；當8號端口電平低于參考電壓時，輸入與輸出斷開，輸出電壓與輸入無關而是由電壓保持電容的電壓決定的。在C5923的采樣保持差分電路中，兩片LF398的8號端口分別連接由TC4071的1號和9號端口輸出的光源驅動方波高、低電平時刻采樣觸發脈沖。這樣就將輸入的調制信號分別在光源驅動方高電平時刻和低電平時刻進行采樣保持

24、，然后通過減法電路將兩者相減，最后得到的就是解調信號。通過使用脈沖方波發生電路與采樣保持電路，實現了信號的調制解調，在原理上這組電路過濾了信號光中的背景光干擾。它在實際測試時的效果在下一章中會給出具體的測試比較。2.4信號光源選用合適的光源對本課題十分重要，下面先介紹兩種應用十分廣泛的信號光源：發光二極管和半導體激光器。2.4.1發光二極管發光二極管（lightemittingdiode,LED）,是利用正向偏置PN結中電子與空穴的輻射復合發光的，是自發輻射發光，不需要較高的注入電流產生粒子數反轉分布，也不需要光學諧振腔，發射的是非相干光。圖2.4.1雙異質結半導體發光二極管的結構示意圖圖2.

25、4.1是雙異質結半導體發光二極管的結構示意圖。P-GaAs是產生熒光的復合區（有源區），它和與之相鄰的P-AIxGa1-xAs層構成限制電子和光波的同型異質結P-P結。而和與之相鄰的N-AIyGa1-yAs層構成限制空穴和光波的反型異質結P-N結。在正向偏壓的作用下，P-AIxGa1-xAs區中的空穴向P-GaAs區擴散，N-AIyGa1-yAs區中的電子向P-GaAs區擴散，結果電子和空穴在P-GaAs區內復合而發熒光，屬于自發輻射發光。由于在P-GaAs層的兩邊有兩個異質結對載流子（電子和空穴）起限制作用，使載流子有效地集中在P-GaAs區內復合發光，故其內部量子效率非常高，這是半導體發光

26、二極管所要求的。14第二章PSD傳感器與信號處理電路發光二極管工作需要施加正向偏置電壓，以提供驅動電流。典型的驅動電路如圖2.4,2所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過調節三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場合，需要對LED進行調制，則調制信號通過一電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號所調制。+5V圖2.4.2LED驅動電路LED的特點如下所示：1、LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發散角大。2、LED的發光顏色非常豐富，通過選用不同的材料，可以實現各種發光顏色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的紅色LED,GaAaP材料的橙色、黃色LED,以及

27、GaN藍色LED等。而且通過紅、綠、藍三原色的組合，可以實現全色化。3、LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發出的光也能視認。正是基于這一優勢，在室外用信息板、廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應用正迅速擴大。4、LED的單元體積小。在其他顯示器件不能使用的極小的范圍內也可使用，再加上低電壓、低電流驅動的特點，作為電子儀器設備、家用電器的指示燈、信號燈的使用范圍還會進一步擴大。5、壽命長，基本上不需要維修。可作為地板、馬路、廣場地面的信號光源，是一個新的應用領域。LED現在在指示燈，顯示器，信號發射光源等領域得到廣泛的應用。2.4,2半導體激光器半導體激光器

28、，也稱激光二極管(laserdiode,LD)的物理結構是在發光二極管的結間安置一層具有光活性的半導體，其端面經過拋光后具有部分反射功能，因而形成一個光諧振腔。在正向偏置的情況下，LED結發射出光來并與光諧振腔相互作用，從而進一步激勵從結上發射出單波長的光，這種光的物理性質與材料有關。圖2.4,3所示的半導體激光器由一個薄有源層(厚度約0.1pm)、P型和N型限制層構成。有源層夾在P型和N型限制層中間，由此產生的PN異質結通過歐姆接觸正向偏置，電流在覆蓋整個激光器芯片的較大面積注入。這樣的激光器面積大，稱為大面積激光器。由于在平行于結平面的側向無光限制結構，沿激光器的整個寬度上都存在光輻射，損耗太大，閾值電流較高，這是大面積激光器的主要缺點。為解決側向輻射和光限制問