PSD信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

王志勇

（烏蘭察布市電教儀器館，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

PSD信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

王志勇

（烏蘭察布市電教儀器館，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

位置傳感器(Position Sensitive Detector,PSD)廣泛應(yīng)用于精度較高的非接觸測(cè)量中，特別是在激光三角法微位移測(cè)量中，常采用PSD作為位置敏感元件感測(cè)光線的微小偏移。本文分析了PSD的原理和性質(zhì)，并設(shè)計(jì)了PSD的信號(hào)處理電路，同時(shí)設(shè)計(jì)了微小信號(hào)電流的流壓轉(zhuǎn)換電路，將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，滿足了后續(xù)信號(hào)處理模塊的要求,電路存在的噪聲控制在±0.8mV內(nèi)，使整體測(cè)量系統(tǒng)的分辨力達(dá)到80nm。

微位移測(cè)量；位置傳感器；電路設(shè)計(jì)

1 引言

以激光作為光源的光電測(cè)量技術(shù)結(jié)合三角測(cè)量技術(shù)構(gòu)成了激光三角法測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)[1]。在激光三角法中，由光源發(fā)出的一束激光照射在待測(cè)物體平面上，最后在檢測(cè)器上成像。當(dāng)物體表面的位置發(fā)生改變時(shí)，其所成的像在檢測(cè)器上也發(fā)生相應(yīng)的位移。通過(guò)像移和實(shí)際位移之間的關(guān)系式，真實(shí)的物體位移可以由對(duì)像移的檢測(cè)和計(jì)算得到。PSD是一種連續(xù)的模擬式光斑位置探測(cè)器，可以對(duì)照射在PSD感光面上的光斑重心位置進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，主要應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量、相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦等領(lǐng)域。在激光三角法測(cè)量微位移的應(yīng)用中，激光出射后由透鏡聚焦在被測(cè)面上，形成聚焦光斑[2]。成像透鏡將該光斑成像于一維PSD感光面上。如果被測(cè)面發(fā)生位移，被測(cè)面上的光斑將跟隨被測(cè)面發(fā)生移動(dòng)，這樣在PSD感光面上的成像光斑也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從而使光斑重心位置發(fā)生變化。

2 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

2.1 PSD應(yīng)用基本原理

PSD基于p-n結(jié)或肖特基結(jié)的橫向光電效應(yīng)原理，通過(guò)合理設(shè)置分流層和收集電流的電極，根據(jù)各電極上收集到的電流信號(hào)的比例確定入射光的位置。如圖1所示，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在PSD中心，則一維PSD線性位置公式為:

其中l(wèi)為一維PSD感光面長(zhǎng)度，I2、I1分別是兩電極輸出的信號(hào)電流，輸出電流與光照強(qiáng)度和光斑重心位置到輸出電極的距離有關(guān)。PSD輸出信號(hào)為微弱的電流信號(hào)，需要設(shè)計(jì)電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為較大的電壓信號(hào)。

圖1 PSD光斑位置的確定

2.2 PSD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)原理

PSD信號(hào)處理電路的功能是對(duì)PSD輸出的微弱電流信號(hào)放大以及信號(hào)運(yùn)算得到光斑重心位置。信號(hào)處理過(guò)程如圖2所示。由（1）式，光斑位置坐標(biāo)

其中，k是流壓轉(zhuǎn)換電路的放大倍數(shù)，u1、u2是轉(zhuǎn)換之后得到的電壓值。為了得到正確的結(jié)果，兩路輸出信號(hào)的放大倍數(shù)應(yīng)該相同。如果放大倍數(shù)不同，則PSD光斑重心位置會(huì)判定失誤，導(dǎo)致被測(cè)面位置測(cè)量誤差。

上述運(yùn)算電路如果用模擬電路實(shí)現(xiàn)，則需由OP放大器構(gòu)成加減法電路，還需要模擬乘法器。為了保證運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，這些模擬器件需要很高的精度。事實(shí)上模擬器件的精度較難保證且成本較高，因此一般不選用模擬方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，實(shí)際多采用單片機(jī)完成。目前也有用于 PSD信號(hào)采集兼處理的專用芯片，如H2476等[3]。圖3是采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的原理框圖。

PSD信號(hào)經(jīng)過(guò)處理電路之后可以在數(shù)碼管上顯示出光斑的實(shí)際位置或被測(cè)面的位置。串口可以將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大批量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖2 PSD信號(hào)處理過(guò)程

圖3 PSD信號(hào)處理原理圖

2.3 前置流壓轉(zhuǎn)換電路

為方便信號(hào)測(cè)量與處理，需要將PSD電極輸出的電流信號(hào)放大后轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，本課題設(shè)計(jì)流壓轉(zhuǎn)換電路將PSD微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。通常PSD輸出電流變化量為納安級(jí)，這就要求流壓轉(zhuǎn)換電路能夠精確地放大電流變化，電路噪聲還應(yīng)盡可能小，故對(duì)微弱信號(hào)處理需要使用低噪聲放大器件[4]。選取低噪聲放大器要注意源電阻的值，源電阻的大小是選擇第一級(jí)放大元件的重要依據(jù)。若源電阻值小于100Ω，可采用變壓器耦合，源電阻在1KΩ至1MΩ之間可采用運(yùn)算放大器，在10kΩ至1GΩ之間多要用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 (JFET)， 超過(guò) 1MΩ 可選用MOSFET。由于此PSD的內(nèi)阻約為35kΩ，因而選用運(yùn)算放大器作為PSD前置放大元件。

圖4是設(shè)計(jì)的流壓轉(zhuǎn)換電路，偏流Ib與信號(hào)Is一起流過(guò)Rf，Vos為所選運(yùn)算放大器的偏置電壓，OP放大器實(shí)際輸出為

圖4 前置流壓轉(zhuǎn)換電路

為了得到較準(zhǔn)確的輸出值，所選OP放大器的偏流和偏置電壓相對(duì)于輸出信號(hào)應(yīng)非常小。為保證OP放大器盡量在理想狀態(tài)下工作，差模輸入電阻應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反饋電阻。由于實(shí)際PSD輸出電流為微安級(jí)，為了得到伏級(jí)的輸出電壓，一般反饋電阻Rf在數(shù)百千歐左右。Rf直接決定了流壓轉(zhuǎn)換電路的放大倍數(shù)，必須選擇高精度電阻。該電路在反饋電阻上并聯(lián)電容以減小噪聲。如3.1.2節(jié)所述，PSD負(fù)載應(yīng)盡可能小，這是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的問(wèn)題之一。該電路輸入電阻近似為

Zi是OP放大器開(kāi)環(huán)輸入阻抗，G是開(kāi)環(huán)增益。該電路輸入阻抗極低，能滿足PSD負(fù)載近似為零的要求。

下面考慮噪聲的影響，OP放大器噪聲電壓密度為，放大器噪聲電流產(chǎn)生噪聲為

反饋電阻Rf的溫度噪聲

總噪聲為

上式表明，流壓轉(zhuǎn)換電路的噪聲取決于OP放大器固有噪聲和反饋電阻Rf帶來(lái)的噪聲?？梢钥闯?，Rf的熱噪聲與其根號(hào)成正比，輸出信號(hào)與Rf成正比，所以對(duì)于信噪比而言，Rf應(yīng)盡可能大[5]。

在微弱電流轉(zhuǎn)換電路中導(dǎo)線產(chǎn)生的噪聲也不容忽視，PSD與OP放大器的輸入端距離應(yīng)當(dāng)盡可能短且應(yīng)使用降低電流噪聲的低噪聲同軸導(dǎo)線。此外，制作印制電路板時(shí)還應(yīng)注意消除漏電流的影響，相關(guān)處理措施有在OP放大器周圍大面積敷銅，輸入端用接地屏蔽環(huán)包圍，使用聚四氟乙烯端子等。

在解決了這些問(wèn)題之后，可以得到如下輸入輸出關(guān)系

就器件選擇而言，OP放大器應(yīng)選擇輸入偏流小、偏置電壓小、輸入阻抗高、低噪聲，溫度系數(shù)小的放大器件。反饋電阻應(yīng)當(dāng)精度高，溫漂小。本課題選取運(yùn)算放大器OP37G。OP37G偏流15nA，差模輸入電阻4MΩ，噪聲80nVp-p（0.1Hz～10Hz）,溫漂0.2μV/℃，滿足對(duì)器件特性的要求。反饋電阻選取高精度金屬膜電阻，阻值應(yīng)根據(jù)PSD上實(shí)際成像光斑作用下的輸出信號(hào)大小選取，本課題實(shí)際選取100KΩ。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)性能驗(yàn)證

3.1 電路穩(wěn)定性驗(yàn)證

在PSD不受到任何光照情況下，測(cè)試PSD信號(hào)經(jīng)放大之后的其中一路電壓值，每分鐘記錄一次，共記錄30分鐘。做出變化曲線圖5?？梢钥吹?，電路本身在不受光照時(shí)在±0.8mV內(nèi)波動(dòng)，這主要由PSD本身和信號(hào)處理電路存在的噪聲所引起的[6]。

3.2 系統(tǒng)分辨力驗(yàn)證

在量程內(nèi)取5個(gè)點(diǎn)，在每點(diǎn)處以步長(zhǎng)80nm控制壓電陶瓷步進(jìn)10次。本文認(rèn)為壓電陶瓷微動(dòng)臺(tái)穩(wěn)定性良好，為保證分辨力實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次步進(jìn)之后每隔一分鐘讀數(shù)，共記錄30分鐘[7]。實(shí)驗(yàn)得出的變化曲線如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)表示壓電陶瓷微動(dòng)臺(tái)每次步進(jìn)后相對(duì)于初始位置的位移量，縱坐標(biāo)表示系統(tǒng)實(shí)際測(cè)出的位置坐標(biāo),在30分鐘的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，示值可穩(wěn)定在73nm/ 30min以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明基于PSD的激光三角法測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到了分辨力80nm的指標(biāo)。

圖5 電路穩(wěn)定性測(cè)試曲線

(a)第一點(diǎn)穩(wěn)定性測(cè)試

(b)第二點(diǎn)穩(wěn)定性測(cè)試

(c)第三點(diǎn)穩(wěn)定性測(cè)試

(d)第四點(diǎn)穩(wěn)定性測(cè)試

(e)第五點(diǎn)穩(wěn)定性測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

本章對(duì) PSD從原理和使用兩個(gè)方面進(jìn)行了分析研究，設(shè)計(jì)了PSD信號(hào)處理電路。由于PSD輸出的是微弱電流信號(hào)，本章對(duì)微弱電流信號(hào)的流壓轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了專門的研究。所設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路可以在數(shù)碼管和計(jì)算機(jī)上顯示測(cè)量結(jié)果，電路存在的噪聲控制在± 0.8mV內(nèi),整體測(cè)量系統(tǒng)的分辨力達(dá)到80nm。

［1］馮俊艷，馮其波，匡萃方.高精度激光三角位移傳感器的技術(shù)現(xiàn)狀［J］.應(yīng)用光學(xué)，2004，25（3）：33-36.

［2］杜穎，張國(guó)雄，李真，楊穎.金屬表面對(duì)光學(xué)非接觸測(cè)頭的影響［J］.光電工程，2000，27（5）：62-32.

［3］胡濤，司漢英.光電探測(cè)器前置放大電路設(shè)計(jì)與研究［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2010，（01）.

［4］曾超.基于二維位置敏感探測(cè)器PSD的研究及應(yīng)用［D］.杭州:浙江大學(xué)，2003.

［5］李杏華，安久伏.二維枕形PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng).2010，（03）.

［6］于麗霞，王福明.一維PSD器件及其在測(cè)量中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù).2007，（07）.

［7］席鋒.一種消除位置敏感探測(cè)器干擾信號(hào)的方法［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，（01）.

A Signal-Processing Circuit Design of a Position Sensitive Detector

WANG Zhi-yong
（Center for Education Technology，Wulanchabu 012000，Inner Mongolia）

Position Sensitive Detector is widely used in high-precision non-contact measurements，and is particularly applied in micro-distance measurements in laser triangulation methods，in which，PSD as locality-sensory units，are always used to sense slight position shifts of light spots.In this article，the author analyzes the principles and properties of PSD，and designs both the signal-processing circuit for the PSD and a unique current conversion circuit which converts weak current signals to easily-measured voltage signals，thus meeting the requirements of the subsequent signal-processing modules.The circuit noise is controlled within an approximate bound of more or less 0.8mv (±0.8mv)in order to make the overall resolution power of the measurement system reach up to 80nm.

distance measurement；position-sensory detector；circuit design

G633.7

A

2095-3771（2014）02-0103-05

2013-4-15

王志勇（1962—），男，漢族，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，烏蘭察布市電教館講師，研究方向：中學(xué)物理。