第二章PSD传感器与信号处理电路.doc

个人收集整理 勿做商业用途
第二章 PSD传感器与信号处理电路

为了将电机轴的位置信号转换为相应的电信号，本文的传感器使用光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）.
本章介绍PSD及其信号处理电路的工作原理及选型。

2。1 PSD传感器的工作原理及选型

传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位置、力、加速度等）转换成与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。
传感器在检测系统中是一个非常重要的环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。如果传感器的误差很大,后面的测量电路、放大器等的精度再高也将难以提高整个系统的精度。所以在系统设计时慎重选择传感器是十分必要的.
光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）是一种对其感光面上入射光斑重心位置敏感的光电器件.即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号.通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光斑在PSD的位置.入射光的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。PSD的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。
PSD可分为一维PSD和二维PSD。一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD可测光点的平面位置坐标。由于PSD是分割型元件，对光斑的形状无严格的要求,光敏面上无象限分隔线,所以对光斑位置可进行连续测量从而获得连续的坐标信号.
实用的一维PSD为PIN三层结构，其截面如图2.1.1所示。表面P层为感光面,两边各有一信号输出电极。底层的公共电极是用来加反偏电压的.当入射光点照射到PSD光敏面上某一点时，假设产生的总的光生电流为I0。由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，若在两个信号电极上接上负载电阻,光电流将分别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电流I1和I2。显然,I1和I2之和等于光生电流I0,而I1和I2的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻R1和R2。如果PSD表面层的电阻是均匀的，则PSD的等效电路为图2.1.1〔b〕所示的电路。由于Rsh很大，而Cj很小，故等效电路可简化成图2.1。1 （c) 的形式，其中R1和R2的值取决于入射光点的位置。
假设负载电阻RL阻值相对于R1和R2可以忽略，则有：
(2.1。1）
式中，L为PSD中点到信号电极的距离,x为入射光点距PSD中点的距离。式（2。1.1）表明，两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到该电极间距离之比的倒数。将I0= I1+I2与式（2。1。1）联立得：

图2.1。1 PSD的结构及等效电路
a)截面电路 b)等效电路 c）简化的等效电路

（2。1.2）
（2.1.3）

从以上两式可以看出,当入射光点位置固定时,PSD的单个电极输出电流与入射光强度成正比。而当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点距PSD中心的距离x呈线性关系。若将两个信号电极的输出电流作如下处理：
(2。1.4）
则得到的结果只与光点的位置坐标x有关，而与入射光强度无关，此时PSD就成为仅对入射光点位置敏感的器件.Px称为一维PSD的位置输出信号。
本文选用的PSD是日本HAMAMATSU PHOTONICS公司生产的S1352一维线阵列PSD

2.2 PSD传感器信号处理电路原理

PSD两极输出的只是光电流I1和I2，要想得到位置输出信号Px必须要有相应的信号处理电路的支持。下面介绍PSD传感器信号处理电路原理。

由上一节可知，Px=（I1－I2）/（I1＋I2），因此其基本检测和处理电路的设计思想是先将I1和I2进行加减运算然后再进行除法运算。电路原理图如图2.2.1所示,光电流I1和I2先经过IC1和 IC2的低通滤波将高频噪声和脉冲干扰去处掉。然后分别通过加法电路IC3和IC5和减法电路IC4得到I1＋I2和I1－I2。最后I1＋I2和I1－I2通过除法电路IC6 得到位置输出信号Px=（I1－I2）/(I1＋I2)
图2。2。1 一维PSD基本检测原理图

该电路只适用于没有外界光只有信号光的理想情况.在实际检测的环境中，外界光是存在的，并且会给上面的原理电路的测试结果带来很大的误差,因此在电路设计中要着重考虑如何消除外界光源的信号干扰。

2.3 C5923 PSD信号处理电路

本文选用的PSD信号处理电路是由HAMAMATSU PHOTONICS公司出品的C5923一维PSD信号处理电路.该信号处理电路是专门针对HAMAMATSU公司生产的一维PSD传感器设计的。C5923采用调制解调技术来去除信号光中的背景光干扰。
C5923信号处理电路的所有组件都安装在一块PCB电路板上,这些电路包括：调制信号光源驱动电路、前置放大电路、信号加法、减法电路、信号除法电路、信号采样保持电路。具体的电路原理图参见图2.3。1，现就各个电路的功能来介绍C5923。

2.3.1 滤波电路

滤波电路的功能是让指定频段的信号通过,而将其余频段上的信号加以抑制或使其急剧衰减。运算放大器和RC网络组成的有源滤波器与无源滤波器件相比具有体积小，重量轻，线性特性好的优点.其次，由于运算放大器的增益和输入阻抗很高，输出阻抗很低，所以有源滤波器还能提供一定的信号增益和缓冲作用。

图2。3。1 C5923信号处理电路原理图
C5923采用的低通滤波器如图2.3.2所示。输入的光电流型号I1和I2通过滤波器转换成放大的电压信号。由于加在PSD上的光信号是由一定频率的方波驱动的，因此PSD两个引脚输出的I1和I2也是交流信号。C1在电路中起的是隔直通交的作用。C2和R2组成的RC网络和运算放大器一起构成低通滤波器,将输入信号中的脉冲干扰和高频噪声过滤掉，滤波的带宽的频率应比解调频率高.通过改变R1和R2的值还可以调整低通滤波器的输出增益。

图2。3。2 低通滤波器

2.3.2 运算电路

I1和I2经过滤波之后得到两个与I1和I2倒相的电压信号VS1和VS2。为了得到最终的位置输出信号Px。必须要进行（VS2－VS1）/（VS1＋VS2)的运算。整个运算可以分为加法运算，减法运算和除法运算三部分来进行。下面将逐个介绍相应的运算电路。
C5923的加法电路是通过图2.3.3所示的电路来实现的。
图2.3.3 加法电路

这个电路接成反相放大器，由于电路存在虚短,VI=0,在P端接地时，VN=0，故N点为虚地.显然，它是属于多端输入的电压并联负反馈电路。利用虚短，虚断的概念,对反相输入节点可得下面的方程式：
－V0=(Rf　/R１）VS1＋（Rf　/R２)VS2 （2。3.1)
这就是加法运算的表达式，式中负号是因为反相输入所引起的，如果电路里R１= R２= Rf,则上式变为:
－V0=VS1＋VS2 （2.3。2）
在一般的加法电路设计中，加法电路的输出端还要再接一级反相电路消去负号来实现完全符合常规的算术加法。由于在这个系统中减法运算的结果要和加法运算的结果做除法。因此加法运算结果前的负号可以由减法运算通过调整两个减法输入的次序来做调整。因此在C5923中加法运算电路的后级反相电路可以省略了，从而使整个电路更加精简。
C5923的减法电路是通过图2.3。4所示的差分式电路来实现的。
图2。3。4 减法电路

从电路结构上来看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。在理想运放的情况下，根据虚断，虚短原理，可以得到下列方程式：

在上式中，如果选取电阻值满足Rf　/R１= R3　/R２的关系,输出电压可简化为

即输出电压与两个输入电压之差（VS2－VS1)成比例，所以图2.3.4所示的减法电路实际上就是一个差分式放大电路。当Rf= R１时，Vo= VS2－VS1。
C5923的除法功能是使用实时模拟信号计算单元AD538来实现的。
AD538是一个单片实时计算电路，它能给模拟信号提供精确的乘法、除法和幂运算。输入信号动态范围可以很大，运算输出信号的线性好,单片设计使它的具有功耗小，可靠性高的特点.AD538通常运用于乘法，除法计算、平方、平方根以及三角函数近似计算。
AD538总的运算表达式是VOUT =VY（VZ /VX)m，根据不同的需要可以改变AD538的外置电路和输入信号的连接来实现不同的运算。C5923使用了它的双输入除法运算功能.图2。3.5是AD538进行VOUT =10（VZ /VX）运算的连线图.

图2。3。5 AD538实现VOUT =10（VZ /VX）

如上图所示AD538的6，7引脚接±15伏特的电源。14，13引脚分别为信号地和电源地。分母模拟信号VZ和分子模拟信号VX和分别接到1脚和2，16脚。再加上外置调零电路。最终8脚的输出信号VOUT =10（VZ /VX）。式子中除法项前的系数10是由外置电路决定的。
在C5923中通过对AD538的5脚电压调节可以改变系数的大小来线性调整最终输出的幅值。同时C5923还引出参考电压VREF来测试光源的强度。如果测出光源强度偏小可以调整C5923的可调电阻VR2来增加系数来提高增益。具体的C5923的AD538布线参考图2.3.1的U10。

通过上面三个运算电路，信号光斑在PSD上的位置线性对应输出位置电压信号Px。

2。3.3 调制解调电路

PSD在接受信号光的同时不可避免的会受到外界光的影响。外界光将叠加在信号光之上共同产生光电流。这对最终测试结果的影响是非常大的。在考虑到外界光干扰的同时也应注意到这种干扰的叠加是线性的，即有下面的等式：

f（INS）＝IS (2。3.5a）
f（INw）＝Iw (2。3。5b）
f(INS＋INw）＝IS＋Iw （2。3。5c）
式子中INS是信号光输入，INw是外界光输入，IS是没有外界光时的信号光产生的光电流,Iw是没有信号光时外界光干扰产生的光电流。由上式可知信号光和外界光叠加到PSD后产生的光电流是信号光和外界光单独作用在PSD上输出的线性叠加
根据这个特性可以运用调制解调技术把外界光干扰去除掉。
C5923的消除外界光干扰电路的设计思想是：
首先保证外界光为恒定的光强，设外界光的干扰信号输入为INw,设外界光经过PSD产生的光电流为Iw，由于外界光强恒定所以INw和Iw也为固定常值。
由C5923产生一个周期为300μs、脉冲宽度为90μs的方波如图2。3。6所示来驱动信号光源，从而得到调制的信号光。在没有外界光干扰的情况下，设方波高电平时输入信号为INS，经过PSD产生的光电流为IS，方波低电平时光源不发光所以输入信号和产生的光电流都为零。
图2.3.6 脉冲驱动方波

在实际检测过程中外界光是一直存在的.加在PSD上的光是调制信号光和外界干扰光的叠加.在驱动方波高电平时输入信号为INS＋INw，由线性特性可知高电平时产生的光电流为IS＋Iw。在驱动方波低电平时由于没有信号光所以输入信号为INw，产生的光电流为0＋Iw.
分别在驱动方波高电平和低电平的时候对光电流采样保持，然后将高电平的采样保持信号IS＋Iw和低电平的采样保持信号Iw做减法运算，最终得到的是没有外界光干扰的驱动方波高电平信号光电流Is.在实际电路设计上由于考虑到滤波电路等因素，这个采样保持电路是在加法电路和减法电路之后的。这并不影响电路去除外界光的功能。
通过以上的调制解调，能将外界光干扰从信号光中去除掉。但它的前提条件是保持外界光是恒定光源.如果不是恒定光源，在高、低电平时采样的Iw不是同一个值，这会导致最后测试结果错误。
C5923的调制解调电路主要有两个部分：脉冲方波发生电路和采样保持差分电路.
脉冲方波发生电路主要功能是:提供一个周期为300μs、脉冲宽度为90μs的驱动方波给信号光源同时要给采样保持电路一个驱动方波高电平时刻采样触发脉冲和一个驱动方波低电平时刻采样触发脉冲.
脉冲方波发生器电路如图2。3.7所示，图上的标号仍沿用图2.3.1的标号方式.脉冲方波发生器是由一片555定时器,一片十进制计数/分配器TC4017和一片TC4071或门组成的。

图2.3。7 脉冲方波发生器
U6=555 U7=TC4017 U8=TC4071

555定时器一般是由两个比较器、一个基本RS触发器和一个集电极开路的放电三极管三部分组成。C5923里555定时器的外围电路使它工作在方波发生方式。从555定时器的6脚输出周期为30μs的方波信号。该方波信号输入到TC4017的14脚时钟输入端CP。
TC4017是一个十进制计数/分配器，它的引出端功能图如图2.3。8所示。它有三个输入端。其中15脚清零端Cr和13脚使能端在TC4017工作时置零。在图2。3.1里把这两端接地了。时钟输入端CP接外部计数脉冲,外部脉冲上升沿计数.
TC4017有10个译码输出端Y0、Y1、Y2…Y9,每个输出端的状态和输入计数器的时钟脉冲的个数相对应。例如输入4个时钟脉冲,如果计数器从0开始计数，则此时译码输出端Y4应为高电平，其余输出端均为低电平.当清零端和使能端接地，时钟输入端CP接一个周期时钟脉冲时,译码输出端输出的信号也是一个周期脉冲信号。这个输出信号的周期为输入时钟脉冲周期的十倍，脉冲宽度大小等于输入时钟信号周期。不同的译码输出端的输出信号对应不同的相位。在C5923中Y4、Y5、Y6输出到TC4071的输入端，Y5输出作为光源驱动方波高电平时刻采样触发脉冲。Y8输出作为光源驱动方波低电平时刻采样触发脉冲。
TC4071是四个或门组成的集成电路，其逻辑关系是：当全部输入端都处于低电平时，输出端才处于低电平;只要有一个输入端出现高电平,输出端便为高电平。
TC4071的引出端功能图如图2。3。9所示。从TC4017输入的Y4、Y5、Y6分别连接到TC4071的8、9、13输入端进行或运算后从TC4071的11脚输出光源驱动方波。该驱动方波经过共射集放大器放大后可以直接驱动信号光源。光源的电源端直接连接到图2.3.7的A、K端口即可。

图2。3。10是脉冲方波发生器中几个芯片输出端的波形。图左边的标号如555。3表示的是555定时器的3号端口的波形。如图所示TC4071的11号端口输出的是一个周期为300μs、脉冲宽度为90μs的周期脉冲方波。TC4071的1号和9号端口分别输出光源驱动方波高、低电平时刻采样触发脉冲.

图2。3。10 脉冲方波发生器波形图

采样保持差分电路的主要功能是:接收由脉冲方波发生器发出的光源驱动方波高、低电平时刻采样触发脉冲，在相应时刻对调制信号进行采样保持，然后将高电平时刻采样的信号与低电平时刻采样的信号做减法运算，最后得到的就是消除了外界光干扰的解调信号.
采样保持差分电路如图2。3.11所示,图上的标号基本沿用图2。3。1的标号方式。采样保持差分电路是由两片LF398芯片组成的采样保持电路、一片TL074分压器以及一片TL074减法电路组成的。减法电路在前面已经有详细介绍,下面介绍LF398的工作方式
图2.3。11 采样保持差分电路
U4,5=LF398 U8,9=TL074

图2.3。12 LF398

LF398是一个采样保持集成电路，它的引出端如图2。3。12所示.LF398一共有8个端口，其中1、4端口接电源；3号端口接采样保持输入信号，在C5923里它接的是调制信号；6号端口接电压保持电容；7号端口接参考电压；8号端口接采样触发脉冲；5号端口输出3号端口的采样保持信号.
LF398的工作原理是当8号端口电平高于参考电压时，输入与输出导通，同时给电压保持电容充电；当8号端口电平低于参考电压时,输入与输出断开，输出电压与输入无关而是由电压保持电容的电压决定的.
在C5923的采样保持差分电路中，两片LF398的8号端口分别连接由TC4071的1号和9号端口输出的光源驱动方波高、低电平时刻采样触发脉冲。这样就将输入的调制信号分别在光源驱动方高电平时刻和低电平时刻进行采样保持，然后通过减法电路将两者相减,最后得到的就是解调信号。
通过使用脉冲方波发生电路与采样保持电路，实现了信号的调制解调，在原理上这组电路过滤了信号光中的背景光干扰。它在实际测试时的效果在下一章中会给出具体的测试比较。

2.4 信号光源

选用合适的光源对本课题十分重要,下面先介绍两种应用十分广泛的信号光源：发光二极管和半导体激光器。

2.4.1 发光二极管

P-AIxGa1-xAs
N-AIyGa1-yAs
P- GaAs
光输出
发光二极管（light emitting diode，LED）,是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔,发射的是非相干光。
图2.4.1双异质结半导体发光二极管的结构示意图
图2。4.1是双异质结半导体发光二极管的结构示意图。P—GaAs是产生荧光的复合区（有源区），它和与之相邻的P-AIxGa1-xAs层构成限制电子和光波的同型异质结P-P结.而和与之相邻的N—AIyGa1—yAs层构成限制空穴和光波的反型异质结P—N结。在正向偏压的作用下，P-AIxGa1—xAs区中的空穴向P-GaAs区扩散，N-AIyGa1-yAs区中的电子向P—GaAs区扩散，结果电子和空穴在P—GaAs区内复合而发荧光，属于自发辐射发光。由于在P—GaAs层的两边有两个异质结对载流子（电子和空穴)起限制作用，使载流子有效地集中在P-GaAs区内复合发光,故其内部量子效率非常高，这是半导体发光二极管所要求的。
+5V
LED
Re
Rb2
Rb1
Vin
发光二极管工作需要施加正向偏置电压，以提供驱动电流。典型的驱动电路如图2.4.2所示,将LED接入到晶体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率.在光通信中以LED为光源的场合,需要对LED进行调制,则调制信号通过一电容耦合到基极,输出光功率则被电信号所调制。

图2.4.2 LED驱动电路
LED的特点如下所示：
1、LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。
2、LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料,可以实现各种发光颜色.如采用GaP：ZnO或GaAaP材料的红色LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。
3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即使在日光下,由LED发出的光也能视认。正是基于这一优势,在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。
4、LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小的范围内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。
5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域.
LED现在在指示灯，显示器，信号发射光源等领域得到广泛的应用.

2。4。2 半导体激光器

半导体激光器，也称激光二极管(laser diode，LD）的物理结构是在发光二极管的结间安置一层具有光活性的半导体,其端面经过抛光后具有部分反射功能,因而形成一个光谐振腔。在正向偏置的情况下，LED结发射出光来并与光谐振腔相互作用,从而进一步激励从结上发射出单波长的光，这种光的物理性质与材料有关。
图2.4。3所示的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、P型和N型限制层构成。有源层夹在P型和N型限制层中间，由此产生的PN异质结通过欧姆接触正向偏置，电流在覆盖整个激光器芯片的较大面积注入。这样的激光器面积大，称为大面积激光器.由于在平行于结平面的侧向无光限制结构，沿激光器的整个宽度上都存在光辐射，损耗太大，阈值电流较高,这是大面积激光器的主要缺点。为解决侧向辐射和光限制问题,实际的激光器采用了增益导引型和折射率导引型结构.
解理面
金属接触
电流
有源层
P型
N型
300μm
100μm
200μm

图2.4。3 半导体激光器

半导体激光器的谱线窄、方向性好、功率高，在光通信、测量及光存储等领域具有广泛的应用。
本课题选用半导体激光器来作为信号发射光源。

2.5 系统的连线与初始调试

上文介绍了PSD、C5932和信号发射光源的工作原理和选型，下面介绍这三部分之间的连线与初始工作状态调试。

2.5.1 系统的连线

对于S1352型PSD，C5923提供IN1、IN2、GND三个插孔。可以将PSD三个引脚直接插在C5923相应的插孔上。在本课题中为了安装方便使用连线将引脚和插孔连接在一起，为了将噪声干扰控制到允许的范围连线的长度应小于300mm。
C5923提供了专用的15脚连接器.如下图所示:
6脚,7脚为电源端，分别接直流电源+15V和－15V的输出。
4脚，5脚为信号光源的驱动端，分别为正极与负极的输出。
8脚和15脚为GND接地端.
1脚输出幅值参考电压信号.
3脚输出位置电压信号。

系统连线如图2。5.2所示，C5923通过15脚连接器与电源、测试仪器（示波器或万用表）和信号光源连接。系统工作时打开电源，光源发射调制信号光，C5923根据照在PSD上光斑的重心位置相应的输出位置电压信号，最终从测试仪器读出位置信号。

图2。5.2 C5923工作连线图
2。5。2 系统的初始工作状态调试

旋转C5923元件面上的可调电阻VR2可以调整输出电压幅度大小，通过测量C5923的1脚（输出幅值参考电压信号）的电压值可以得到位置信号的输出幅值范围.
在本系统中为了与模数转换器件等设备电压匹配。调节VR2，使C5923的1脚输出电压为5V.这时位置信号的电压输出范围为－5V ～+5V.此时光斑重心位置与输出电压的关系如图2。5。3所示。
图2.5.3　光斑重心位置相关电压输出图

PSD受光面的长度为30mm.，设PSD中点为坐标原点,光斑重心坐标为X。X的范围为－15mm～+15mm。则有输出电压与光斑位置的关系式2。5.1。
X= 3×Vo （2.5.1）
上式X的单位为mm，Vo 的单位为伏特。这样就可以通过测量C5923的3脚输出电压Vo来计算光斑重心位置了。在实际工作中还要将仪器的误差考虑进去.
17