psd前置線性放大器設計

1、本科畢業(yè)設計(論文)題目：p s d前置線性放大器設計 院 （系）： 專 業(yè)： 班 級： 學 生： 學 號： 指導教師： PSD前置線性放大器設計摘 要 位置敏感探測器(Position Sensitive Detector，簡稱PSD)作為一種成熟光電器件用于檢測光斑位置，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測量，具有分辨力高、頻譜響應范圍寬、響應速度快、可靠性高，可同時測量光強及光斑的重心位置等諸多優(yōu)點，在國防、信息、工業(yè)等領域都有很強的應用前景。本文介紹了基于二維PSD設計的信號處理電路。本文首先介紹了二維PSD的發(fā)展史，PSD的結構和它測量位移的原理，由原理出發(fā)制定了本設計的硬件電路方案，驗證了方案的可行性。

2、其次，介紹了本設計要用到的各種模擬運算電路，為了達到設計要求，選擇了適合的IC芯片。然后，基于LM324芯片完成了PSD電流電壓轉(zhuǎn)換及前置放大、加法、減法等電路的設計?；贏D633、AD711等芯片完成了除法電路的設計。最后將測量結果用數(shù)字面板表顯示出來最后，用設計好的信號處理電路板搭建測量裝置，用PSD的輸出信號作為電路的輸入信號進行計算處理，定量測試了系統(tǒng)的輸出特性和技術指標，考察了抗干擾能力和穩(wěn)定性。同時對系統(tǒng)的誤差進行了分析，為以后提高系統(tǒng)的精度做好了準備。關鍵字：PSD；位置敏感探測器；模擬除法器；信號處理電路； IVThe PSD front linear amplifier d

3、esignAbstract Position the Sensitive Detector as a sophisticated optoelectronic devices used to detect Spot position, enabling continuous measurement with high resolution, wide spectral response range, fast response,Many advantages of high reliability, and can simultaneously measure the light intens

4、ity and light spot, center of gravity position in the defense, information, industrial And other fields have a strong application prospects. This article describes the design based on two-dimensional PSD signal processing circuit. This paper first introduces the history of the development of two-dim

5、ensional PSD, the PSD structure and its principle of measurement of displacement, by the principle of development of the design of the displacement measurement, and to verify the feasibility. Secondly, to introduce this design to use a variety of analog computing circuits, in order to meet the desig

6、n requirements, select suitable IC chips. Then, based on the LM324 chips completed PSD current voltage conversion, preamplifier and circuit design of addition, subtraction, etc. Based on AD633, AD711 chip to complete the division circuit design. Finally measurement results will be displayed by digit

7、al panel table Finally, the designed signal processing circuit board and display board set up measuring devices, quantitative testing of the output characteristics and technical specifications of the system, the effects of anti-interference ability and stability. The error of the system were analyze

8、d and ready for the future to improve the accuracy of the system.Key Words: PSD；Position the Sensitive Detector；Analog divider；The signal processing circuit 目 錄中文摘要：.I英文摘要：.1 緒論 .1 1.1課題研究的背景.1 1.2課題研究的目的和意義.1 1.3PSD在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀.2 1.4主要研究內(nèi)容.32 PSD的原理和特點.4 2.1PSD的特點及分類.4 2.1.1PSD的特點.4 2.1.2PSD的分類.4 2.2P

9、SD的結構和工作原理.6 2.2.1PSD的結構.6 2.2.2PSD的工作原理.7 2.3PSD的發(fā)展趨勢.93 PSD硬件系統(tǒng)的設計方案.10 3.1總體設計方案.10 3.2信號處理電路.10 3.2.1I-V 轉(zhuǎn)換前置放大電路設計.12 3.2.2反相輸入求和電路.13 3.2.3加減運算電路.14 3.2.4模擬除法電路.154 顯示電路.19 4.1顯示電路.195 實驗結果和誤差分析.20 5.1位移測量調(diào)試試驗.20 5.2影響因素分析及解決措施.266 總結.28參考文獻.29致謝.31畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明.32畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明.33附錄.34VI1 緒 論

10、1 緒 論1.1課題研究的背景 位移是一種常見的物理量，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及科學研究過程中離不開它的測量，經(jīng)常要求測量出被測目標的位移量。微位移測量技術是實現(xiàn)超精加工的前提和基礎。精密加工和超精密加工過程中不僅要對工件和表面質(zhì)量進行檢驗，要檢驗加工設備和基礎元部件的精度，如果沒有權威性的測控技術和儀器，就不能證實所達到的加工質(zhì)量。本課題是通過光電式位移探測系統(tǒng)的設計和調(diào)試來實現(xiàn)高精度的位移測量。位移測量按測量裝置與被測物接觸與否可分為接觸測量和非接觸測量。在非接觸測量中，可分為光學式和非光學式兩種。在非接觸光學測量方法中，基于PSD(位置敏感探測器)的位移測量方法是比較成熟的技術。PSD是80代初

11、期發(fā)展起來的一種成熟位置檢測器，屬于連續(xù)型光敏器件、可實現(xiàn)連續(xù)測量；輸出信號代表入射光斑的能量重心，與光斑形狀沒有必然聯(lián)系；使用時不用驅(qū)動、掃描，響應速度快，可達到微秒級；可以實現(xiàn)高分辨力、高可靠性。與其它光電探測器件相比，更適合于做專用的位置探測器。此外，采用PSD設計的測量系統(tǒng)結構緊湊、使用方便、體積小、重復性好、安裝便捷。本設計選擇PSD作為光位置探測器，激光二極管作為光源，充分利用他們各自的優(yōu)點。研究的目的在于結合課題的需要，采用PSD器件設計一種能用于測量微小位移的測量系統(tǒng)。同時，此類系統(tǒng)在距離、輪廓檢測、表面分析、物位獲取、特征提取、光束定位、精密對中、加速度測量、振動測試等非接觸

12、測量中也具有重要意義。1.2課題研究的目的和意義 位置敏感探測器(Position Sensitive Detector,簡稱PSD)作為一種成熟光電器件用于檢測光斑位置，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測量，具有分辨力高、頻譜響應范圍寬、響應速度快、可靠性高，可同時測量光強及光斑的重心位置等諸多優(yōu)點，在國防、信息、工業(yè)等領域都有很強的應用前景。位置敏感探測器(Position Sensitive Detector，簡稱PSD)是一種對入射到其光敏面上的光點位置敏感的光電器件。當入射光點照射在感光面的不同位置上時,所得到的電信號也將不同，從輸出電信號上,我們就可以確定入射光點在器件感光面上的位置。PSD是電流型器

13、件，對其輸出信號的處理直接關系到測量系統(tǒng)的精度。本課題所做的工作就是設計PSD輸出信號的處理電路，用設計好的信號處理電路板和電壓顯示器搭建測量裝置，定量測試了系統(tǒng)的輸出特性和技術指標，考察了抗41西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）干擾能力和穩(wěn)定性。同時對系統(tǒng)的誤差進行了分析，為以后提高系統(tǒng)的精度做好了準備。1.3國內(nèi)外發(fā)展狀況 PSD的研究發(fā)展歷史可以追溯到30年代初，1930年Schottky用一束光照射到Cu2O材料表面時，發(fā)現(xiàn)當增加光入射位置與電極之間的距離時輸出外電流卻按指數(shù)規(guī)律減小，這就是橫向光電效應。1957年Wallmark在內(nèi)部載流子傳輸理論基礎上解釋了橫向光電效應，首次提出用于檢測

14、光點位置的理論。其后 Lucovskey從電流連續(xù)性方程出發(fā)，完整地解釋了橫向光電效應并導出了著名的 Lucovskey方程，將PSD的理論研究向前推進一步，為PSD投入實際應用打下了堅實的基礎。后期關于PSD的材料、結構和工藝制作，許多科研人員取得了一定的進展，Allen等人完成了基于硅材料的圓形PSD特性研究，特點是結構上采用點狀電極，這使得不加偏置電壓就可以使用，因此，這個時期的PSD被形象地稱為Wallmark型PSD，不足之處在于靈敏度、動態(tài)響應和線性度相對不夠理想。隨著半導體工藝技術的不斷進步，特別是70年代相關的研究工作大大提升了 PSD的性能，出現(xiàn)了四橫向結構PSD，后來又設計

15、了雙橫向結構PSD，前者線性度差，而后者暗電流大。隨后 Woltring 等人在多結構的基礎上對二維PSD的表達式進行了深入研究，確定了位置敏感探測器探測光斑能量重心的定位表達式,Noorlag于1979年研制出了采用硅平面制作工藝的雙面結構PSD，這種PSD著重改善了線性度，標志著PSD制造技術有了長足進步。 20世紀80年代后，科技的發(fā)展推動了PSD的商業(yè)用途，日本、美國、瑞典等發(fā)達國家在PSD研究和制造方面處于世界領先水平，紛紛開發(fā)出了多種規(guī)格、能滿足不同要求的一維和二維PSD系列產(chǎn)品。日本濱松光子(Hamamatsu Photonics)推出了PSD產(chǎn)品以及配套的信號處理板卡和專用IC

16、，光譜響應范圍從300nm-1100nm、靈敏度在0.33-0.6A/W 之間，動態(tài)響應時間0.3-13s，位置分辨力達0.1m，有效光敏面尺寸范圍從11mm2到4343mm2；美國OSI Fibercomln公司(原美國UDT公司)主要開發(fā)用于可見光、紅外及高能射線探測的一維和二維PSD產(chǎn)品；此外美國Pacific Silicon Sensor公司和瑞典 Sitek 公司也推出了能滿足不同通途的一維和二維PSD產(chǎn)品及專用信號調(diào)理電路。到目前為止這些公司的PSD產(chǎn)品性能日臻完善,隨著結構和制作工藝的改進，出現(xiàn)了一些新的PSD產(chǎn)品，例如濱松公司推出了陣列PSD，可以測量被測物體的三維形貌。 我國

17、于20世紀80年代末才開始進行這方面的研究工作，90年代電子部44所曾研制過-Si:H一維PSD和單晶硅雙面結構二維PSD，機電部214所對一維和枕形結構二維PSD的設計、制作工藝等進行了研究，上海技術物理研究所和西南技術物理研究所等單位也曾開展過這方面的工作，但極少有文獻報道。當時，這些研究機構有部分PSD器件供應，但產(chǎn)品規(guī)格不多，沒有形成規(guī)模生產(chǎn)，主要原因是國內(nèi)對PSD器件的了解和認識不足，產(chǎn)品性能還不夠完善，此外，沒有與之相配套的信號處理器供應以及價格等因素也是制約其發(fā)展的重要原因。但西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）近幾年來隨著PSD發(fā)展迅速，PSD的應用越來越廣泛，如在角度檢測、長度測量、

18、形貌測量等方面。近年來我國對PSD的研究報道也越來越多，如中國計量科學研究院研制了半導體激光自動測量儀，哈爾濱科技大學袁峰報道了位置敏感器PSD應用系統(tǒng)設計，袁雅珍報道了位置敏感器PSD特性及其在三角測量中的應用，史建鵬報道了一種新型的位置敏感器PSD檢測元件等。1.4主要研究內(nèi)容 1、設計的主要內(nèi)容 本課題從原理分析、系統(tǒng)各模塊設計、實驗研究三個方面對基于PSD的光電位移測量系統(tǒng)開展設計工作，主要包括以下幾個方面: （1） 熟悉二維PSD測量位移的原理，確定一種可行的適合用于本課題要求的位移測量方案，實現(xiàn)對微位移的測量。（2） 設計已定方案的各個電路模塊，選擇合適的集成芯片。（3） 制作已定

19、方案的電路模塊，在電路板上測試模塊的功能。（4） 各個模塊組合成本系統(tǒng)所需的信號處理電路。（5） 使用所制作的信號處理電路板和電壓顯示器組合成位移測量系統(tǒng)，并搭建試驗平臺，對所制作的電路板進行調(diào)試，并進行性能的測試。2 PSD的原理和特點 2 PSD的原理和特點2.1PSD的特點及分類2.1.1PSD的特點 在位移測量系統(tǒng)中，用于檢測成像光斑的探測器有多種，經(jīng)常使用的有:位置敏感探測器(PSD)和CCD線陣傳感器。采用PSD設計的電路簡單,成本低,分辨率高,響應速度快,使用方便,在精密尺寸測量、機器人技術、導彈制導及航空等許多方而得到廣泛的應用。采用CCD線陣傳感器作為光斑探測器常要借助微處理

20、器或計算機，將單個圖像點的亮度值進行數(shù)值化處理，然后用合適的算法求出光斑位置，優(yōu)點是在進行數(shù)據(jù)處理的時候能對非對稱或非均勻光強分布所引起的誤差進行校正，也可判斷成像的清晰度，但成本較高，處理時間較長，一般為數(shù)ms到100ms量級。而且CCD由于受像素大小和問隔的限制,分辨率比較低,其運算電路復雜,響應速度慢。考慮到分辨率的要求和結構簡單,選用PSD作為光電探測儀,采用PSD設計的電路簡單,成本低,分辨率高,響應速度快,使用方便,在精密尺寸測量、機器人技術、導彈制導及航空等許多方而得到廣泛的應用。而且PSD能用于快速變化的信號的測量，即帶寬很大，典型值可達50MHz,且理論上光束的直徑和光強對測

21、量結果沒有影響，但是PSD木身是模擬器件,受環(huán)境和處理電路中其他器件性能等因素影響較大,因此在設計測量電路時需要盡量克服和減少影響PSD性能的各種因素,才能設計出較為完善的測量電路。2.1.2PSD的分類 光電位置敏感探測器從結構上可分為一維的與二維的,一維的PSD器件在光敏面兩端有兩個電極,二維的PSD器件則有四個電極。下面將分別進行介紹: 圖2.1為一維PSD的截面圖和等效電路。正如其它P-I-N探測器一樣,當入射光斑照射在光敏面S位置處時,由于入射光子產(chǎn)生的光生載流子被電場分開,在外電路形成光電流,流過陽極A和陽極B的光電流可分別表示為: （2.1） （2.2）式中:I0光生電流；L兩陽

22、極間距離；S入射光斑距陽極A的距離；I1陽極A光電流；I2陽極B光電流；西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）圖2.1 一維PSD結構原理圖和等效電路圖由式2-1、2-2表明,就電流回路而言,載流子在襯底中的移動是按照歐姆定律分離的,既位置信息S可以通過探測光生電荷在襯底中的移動來確定,而與入射到光敏面上的光斑強度、分布、對稱性和尺寸無關。二維PSD的工作作原理與一維基本相同,但為面結構,具有相互垂直的兩對電極,二維PSD器件主要有以下兩種:二維方形PSD、二維枕形PSD。二維方形PSD器件在X,Y兩個方向上的感光層是獨立的,分別感受X,Y方向光點位置的變化,其原理示意圖如圖2.2所示?；谙嗤墓ぷ髟?/p>

23、理,可以導出二維方形PSD器件的位置參數(shù)與電極上的電流關系表達式: （2.3） （2.4）圖2.2 二維方形PSD原理示意圖和等效電路圖二維枕形PSD器件也稱為分離改進型PSD,它對感光表面進行了改進,具有暗電流小,響應時間快,易于偏置應用、環(huán)境噪音低的特點；其表面結構和等效電路如圖2.3所示。基于相同的工作原理,可以導出二維枕形PSD器件的位置參數(shù)與電極上的電流關系表達式: （2.5）西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） （2.6）圖2.3 二維枕形PSD表面結構和等效電路圖2.2PSD的結構和工作原理2.2.1PSD的結構高靈敏度光電位置傳感器PSD(Position Sensitive Dete

24、ctor)是一種新型的光電器件，或稱為坐標光電池，它是一種非分割型器件,可以將光敏面上的光點位置轉(zhuǎn)化為電信號。并且可對光斑位置進行連續(xù)測量。PSD器件有兩種:線型(一維)PSD和面型(二維)PSD，前者用于測定光點的一維位置坐標，后者可以測定光點在二維平面上的位置坐標，本系統(tǒng)采用二維PSD。PSD由三層構成，最上一次是P層，下層是N層，中間插入一較厚的高阻I層，形成P-I-N結構。如圖1所示。此結構的特點是I層耗盡區(qū)寬，結電容小，光生載流子幾乎全部都在I層耗盡區(qū)中產(chǎn)生，沒有擴散分量的光電流，因此響應速度比普通p n結光電二極管要快得多。當PSD表面受到光照射時，在光斑位置處產(chǎn)生比例于光能量的電

25、子空穴對流過P層電阻，分別從設置在P層相對的兩個電極上輸出光電流I1和I2.。由于P層電阻是均勻的，電極輸出的光電流反比于入射光斑到各自電極之間的距離。圖2.4 PSD結構原理圖 二維PSD器件工作原理如同一維PSD,只是在X、Y兩個方向上的感光層是獨立的，分別感受X、Y方向光點位置的變化，本課題中所選用的是二維枕型PSD，其表面結構和等效電路圖如圖2.5所示。圖2.5 二維枕形PSD表面結構和等效電路圖2.2.2PSD的工作原理 PSD傳感器一般是通過在片狀半導體襯底表面摻雜不同濃度的P型和N型雜質(zhì)層來形成的,N層表面形成電阻率均勻的P感光層。當光非均勻照射在P層表面時,激生出的電子空穴在電

26、場作用下,被拉向P區(qū)。由于N層具有很高的電導率光生電荷迅速擴散至均勻分布狀態(tài),而P區(qū)電阻率較大出現(xiàn)光生空穴堆積,產(chǎn)生橫向電勢差。這種因PN結被非均勻照射,在沿結平面方向出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象,稱為PN結的橫向光電效應。PSD是基于橫向光電效應的位置敏感探測器,可分為一維和二維兩大類,一維PSD主要用于測量光點直線方向運動位移坐標,二維PSD則主要用于測量光點在同一平面上的位移坐標。下圖為改進表面分流型二維PSD的結構原理圖,圖中點口(x,力為光源入射到PSD光敏表面上的光點,二維PSD將其產(chǎn)生的表面光電流分成四路,四個電極采集輸出的電流強度取決于光點距各電極的距離。再對輸出電流進行轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理,計

27、算出x和y的坐標值。 圖2.6 二維枕型PSD如圖2.6所示,二維PSD的敏感面積為L2,I1、I2、I3、I4為電極分成的四路光電流,O點為坐標原點。由于二維PSD器件敏感表面電阻線性、均勻,設其阻值為R0,光點O把表面電阻分成了四個平面,分別用R1、R2、R3、R4表示,則有： （2.7） （2.8） （2.9） （2.10）根據(jù)歐姆定律,設四路光電流I1、I2、I3、I4分別經(jīng)過電阻R1、R2、R3、R4,同時，由光點O所產(chǎn)生的光電流分量Ix和Iy也經(jīng)過R1、R2、R3、R4。則有: （2.11） （2.12） （2.13） （2.14）將上述四式相加得： （2.15）由式（2-11）和

28、 （2-12）可得 （2.16）由式（2-13）和 （2-14）可得 （2.17）由式（2-12）和 （2-13）可得 （2.18）由式（2-11）和 （2-14）可得 （2.19）由式（2-16）和（2-17）可得 （2.20）由式（2-18）和（2-19）可得 （2.21）由式(2-20)和(2-21)式可以計算出入射光光點O(x,y)的坐標值。2.3PSD的發(fā)展趨勢 PSD制造工藝簡單、使用方便，易于構成性價比高的測量系統(tǒng)。光電子技術及半導體集成技術的發(fā)展，將促進PSD器件朝著大量程、高分辨率的方向發(fā)展，集成化的外圍處理電路的精度和速度也將不斷提高。 PSD測量系統(tǒng)的進展主要在兩個方面：

29、一是PSD器件性能的提高；二是計算機技術及新的信號處理技術的研究和應用。 近年來,PSD不論從性能還是結構上都有了很大的進展。在性能上分辨力大大提高，已有分辨力高達5nm的PSD的研究報道，線性度和穩(wěn)定度也有改善。從結構上來說，隨著PSD應用面的不斷擴展，為了適應各個領域的不同要求，已經(jīng)研制和產(chǎn)品化了不同結構、型號的PSD，隨著光電子和半導體集成技術的不斷發(fā)展，也將出現(xiàn)更加實用、更加多樣化的位置敏感探測器PSD。 計算機技術和信號處理技術的應用，也大大提高了PSD測量系統(tǒng)的性能。利用微機或者單片機可以簡化信號處理電路的設計，使系統(tǒng)設計更靈活，且可實現(xiàn)各種非理想因素（如非線性）的補償，這樣可以提

30、高測量精度。高速信號處理器的應用，使各種信號處理算法容易實現(xiàn)，信號采集速度提高，可大大提高測量速度。3 PSD硬件系統(tǒng)的設計方案3 PSD硬件系統(tǒng)的設計方案3.1總體設計方案 PSD(Position Sensitive Detector)是一種基于橫向光電效應的光電位置敏感器件,當入射光點落在器件感光表面的不同位置時, PSD將對應輸出不同的電信號。通過對輸出信號的處理,即可確定入射光點在PSD器件上的位置。入射光點的強度和尺寸大小對PSD的位置輸出信號均無關。由于PSD是非分割型元件,對光斑的形狀無嚴格要求,所以可對光斑的位置進行連續(xù)測量,從而獲得連續(xù)的坐標信號。 如圖3.1所示，本設計先

31、將位移信號轉(zhuǎn)換為光信號，再經(jīng)過PSD將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過信號處理電路定標電路，最后用譯碼顯示電路顯示出位移的準確數(shù)值。將激光光源固定在被測件，發(fā)射的光被PSD所接收，當被測件有位移時，激光光源將隨被測件一起移動，照射在PSD上的光斑位置必然發(fā)生變化，PSD輸出引腳上的輸出電流也隨之發(fā)生變化。PSD產(chǎn)生的位置信號經(jīng)后續(xù)電路處理，可測量出被測件移動的距離。圖3.1 總體流程圖PSD是電流型器件，對其輸出信號的處理直接關系到測量系統(tǒng)的精度,整個測量系統(tǒng)可以分為信號處理電路和定標電路的設計兩個部分。3.2信號處理電路二維PSD信號處理電路示意圖3.2：西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）圖3.2

32、PSD信號處理電路圖基本信號檢測電路 ： 此部分主要包括電流電壓轉(zhuǎn)換及前置放大電路、加法電路、加減法電路、除法電路等。其中IC1-IC7為高精度運算放大器。IC1-IC4用于電流電壓轉(zhuǎn)換及前置放大，應選用低溫漂、高輸入阻抗的運算放大器，Rf決定了其放大倍數(shù)，應根據(jù)入射光的強度合理選定，試驗階段為控制放大倍數(shù)可以采用電位器來調(diào)節(jié)，但要提高其精度，宜采用精確阻值的電阻。IC5和IC7用于實現(xiàn)加減法電路，IC6用于實現(xiàn)加法電路。R1-R18一般采用阻值相同的電阻。除法器應當采用高速、高精度、線形性能好的實時模擬除法器，選用一個高性能的模擬除法器可以保證足夠的精度。由于市場上模擬除法器的型號較少，且價

33、格昂貴，本設計自己制作了一個精度較好的除法器。本系統(tǒng)的目標是能測試PSD信號處理電路的線性度，器件的選擇非常重要。IC1-IC7采用LM324四運算放大器，而模擬除法器則采用ADI公司生產(chǎn)的實時模擬乘法器AD633和AD711。背景光和暗電流消除電路：對于PSD性能影響比較大的一個噪聲來源就是背景光和暗電流。一般來說，當需要測量微米級位移時，信號檢測需要分辨出毫伏級或毫伏級以下的變化，而這個時候，如果沒有消除背景光和暗電流的影響，有用的信號就很容易被噪聲所淹沒。消除背景光和暗電流通常有三種方法。第一種是加干涉濾波片，只使被測量的光通過，而濾去大部分的背景光，這種方法比較簡單易行，但它不能消除暗

34、電流，在本系統(tǒng)的設計中，被測光源是激光二級管發(fā)出的光，本身就在可見光之內(nèi)，用濾波片并不能完全濾除背景光，因此本系統(tǒng)不采用這種方法.第二種是采用交流調(diào)制頻率來分離背景光和暗電流，這種方法的出發(fā)點是考慮在儀器使用中干擾雜散光多為自然光或人工照明，這類干擾源的特點是其亮度變化是緩慢的，在PSD上造成的響應為直流和低頻信號，如果對目標物發(fā)光進行高頻調(diào)制，使PSD響應為高頻脈沖信號，則可在電路中采用高通濾波的方法將信號與干擾分離，為保證位置解算的完成和在PSD上產(chǎn)生較高的目標物光強，應采用矩形波調(diào)制，同步位置解算。這種方法可以很有效地消除背景光和暗電流，但是比較麻煩，也不宜采用這種方法。第三種方法是加反

35、偏電流，就是先檢測出信號光源熄滅時的背景光強的大小，然后在電路中加入反向電流調(diào)零來抵消背景光和暗電流的影響，再點燃目標光源來進行測量。這種方法的缺點是每次環(huán)境變化時都需要對電路進行調(diào)零，但比較方便易行，而且效果良好，可以滿足高精度的測量要求，因此本系統(tǒng)采用這種方法。 由于背景光和暗電流對四路電流的影響相同，因此加減法可以認為不受影響，實際系統(tǒng)中電路只對加法進行調(diào)零。3.2.1I-V 轉(zhuǎn)換前置放大電路設計 PSD光電傳感器是一種對光點位置信息進行采集處理的器件,其輸入信號是與位置信息相關的電流信號,PSD輸出信號處理電路一般由運算放大器構成的前置信號放大器和加法、減法、除法信號運算電路等組成。本

36、課題中S5991-01型PSD使用的是14管腳的LM324放大器。如圖3.3所示: 圖3.3 LM324管腳圖 腳l、2、3、腳5、6、7、腳8、9、10和腳12、13、14分別組成4路,每一路均由兩個輸入端和一個輸出端組成。信號處理模塊便是通過這種具有四路獨立放大功能的放大器對四路電流輸出信號進行放大。 I-V 轉(zhuǎn)換前置放大這一環(huán)節(jié)提取的電信號是整個電路系統(tǒng)電信號的源頭，在整個電路設計中占有至關重要的地位。PSD 輸出信號為電流信號，這部分電路將電流信號變換為電壓信號便于進一步處理，常見的電流電壓轉(zhuǎn)換法有直接電阻變換法，電容積分法，最實用的莫過于運算放大器-電阻負反饋法。圖3.4為LM324

37、第一路I-V 轉(zhuǎn)換前置放大放大電路,設輸入電流為I1,輸出電壓為VI1,則四路輸入與輸出之間的關系為: Vx1=-Ix1R1 （3.1） Vy1=-Iy1R2 （3.2） Vx2=-Ix2R3 （3.3） Vy2=-Iy2R4 （3.4）圖3.4 PSD第一路I-V轉(zhuǎn)換前置放大電路 顯然輸出電壓與輸入電流成正比，且可以通過改變R1 的大小來改變輸出電壓的大小，此時也不會受到負載的影響。四路電流信號在 I-V 轉(zhuǎn)換及放大時，必須保證電路對稱性，這要求四路電路的對應電阻盡可能對稱相等，本設計中選用精度為千分之一的精密金屬膜電阻，并經(jīng)過嚴格挑選，根據(jù)光強的大小本設計中反饋電阻 R1阻值為 100K。

38、當 R1 取值過大時，由于運算放大器有數(shù)皮法到數(shù)十皮法的輸入寄生電容，容易產(chǎn)生振蕩，為消除高頻噪聲及防止高頻自激，在反饋電阻 R1兩端并聯(lián)一 C1=0.1uF 的電容進行相位補償。3.2.2反相輸入求和電路求和電路的輸出電壓決定于多個輸入電壓相加的結果。利用集成運放實現(xiàn)求和運算時，常常用反相輸入方式。圖3.5示出了具有四個輸入端的反相求和電路?？梢钥闯?，這個求和電路實際上是在反向比例運算電路的基礎上加以擴展而得到的。 圖3.5 反相輸入求和電路為了保證集成運放四個輸入端對地的電阻平衡，同相輸入端電阻R的電阻應為 R=R1/R2/R3/R4/Rf由于“虛斷”，i-=0，因此 i1+i 2+i 3

39、+i 4=i f （3.5）又因集成運放的反相輸入端“虛地”，故上式可寫為： （3.6）則輸出電壓為 （3.7）可見，電路的輸出電壓uO反映了輸入電壓Vx1、Vy1、Vx2和Vy2相加所得的結果，即電路能夠?qū)崿F(xiàn)求和運算。在本課題中選擇器件時，選擇R1=R2=R3=R4=Rf,所以上式可以簡化為： （3.8） 通過上面的分析可以看出，反相輸入求和電路的實質(zhì)是利用“虛地”和“虛斷”的特點，通過各路輸入電流相加的方法來實現(xiàn)輸入電壓相加。 這種反相輸入求和電路的優(yōu)點是，當改變某一輸入回路電阻時，僅僅改變輸出電壓與該電路輸入電壓之間的比例關系，對其他各路沒有影響，因此調(diào)節(jié)比較靈活方便。另外，由于“虛地”

40、，因此，加在集成運放輸入端的共模電壓很小。在實際工作中，反相輸入方式的求和電路應用比較廣泛。3.2.3加減運算電路加減運算電路如圖3.6： 圖3.6 加減運算電路若在集成運放的同相輸入端和反相輸入端各加多個信號，則得到加減運算電路，如圖3.6所示。四個輸入電壓Vx1、Vy2、Vx2和Vy1各自通過電阻R1、R2、R3和R4分別加在集成運放的反相輸入端和同相輸入端。另外，從輸出端通過反饋電阻Rf接回到反相輸入端。同相輸入端總電阻為UP=R3/R4/R5, 反相輸入端總電阻為UN=R1/R2/Rf，為了保證運放兩個輸入端對地的電阻平衡，同時為了避免降低共模抑制比，通常要求 RP=RN即R1/R2/Rf=R3/R4/R5 如圖3-6所示，N點的電流方程為i1+i2=if,即 （3.9）因為UN=0,為