1D-PSD數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)及線性度標(biāo)定

靳艷婷 馬孝江

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032）

1D-PSD數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)及線性度標(biāo)定

靳艷婷 馬孝江

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032）

本研究旨在實(shí)現(xiàn)光斑位移的測量，選用一維光電位置傳感器（PSD），根據(jù)其工作原理及輸出特性，設(shè)計(jì)并搭建了一套基于單片機(jī)的PSD信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過單片機(jī)控制HCF4052多路轉(zhuǎn)換、AD7606模/數(shù)轉(zhuǎn)換等實(shí)現(xiàn)對PSD信號的轉(zhuǎn)換采集，并對PSD進(jìn)行線性度標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集電路精度優(yōu)于10μm，滿足實(shí)驗(yàn)精度要求。標(biāo)定出PSD線性度小于等于0.055%的有效距離為9～16.5mm，這為PSD應(yīng)用于光電檢測等方面的一系列研究奠定了基礎(chǔ)。

單片機(jī) PSD 數(shù)據(jù)采集 模/數(shù)轉(zhuǎn)換 標(biāo)定

引言

位置靈敏探測器PSD屬于半導(dǎo)體器件。它因具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范圍大、配置電路簡單等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，被廣泛應(yīng)用于光電檢測技術(shù)中，尤其是位置坐標(biāo)的精確測量上。目前，瑞典、美國、日本等國在PSD探測器的研究方面處于領(lǐng)先水平，且有較成熟的產(chǎn)品，但價(jià)格昂貴[3-5]。國內(nèi)近年來也對基于PSD的微位移測量系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，但距大規(guī)模商品化應(yīng)用尚有一定距離[6]。隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，PSD應(yīng)用的范圍不斷擴(kuò)大，研究也在不斷深入。本文設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)技術(shù)的一維PSD信號采集處理系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此電路不但原理簡單、成本小，而且具有高精度的數(shù)據(jù)采集能力。此外，利用此系統(tǒng)可對PSD的線性度進(jìn)行標(biāo)定，為PSD應(yīng)用于光電檢測等方面的一系列研究奠定了基礎(chǔ)。

1 一維PSD的結(jié)構(gòu)和工作原理

光電位置敏感器PSD（Position Sensitive Detector）是一種基于橫向光電效應(yīng)、連續(xù)分布的半導(dǎo)體位置探測器件，能快速、準(zhǔn)確地給出入射光點(diǎn)在光敏面上的位置，具有響應(yīng)時(shí)間快、外圍電路簡單、分辨率高以及不受入射光束和焦點(diǎn)偏離的影響等特點(diǎn)。

圖1是一個(gè)一維PIN型PSD的結(jié)構(gòu)原理示意圖[7-8]。在P層的兩邊分別布置兩個(gè)電極——電極1和電極2，下面引入公共基極。當(dāng)有光斑入射到PSD光敏面上時(shí)，載流子會在P層向兩端擴(kuò)散產(chǎn)生電流，最后被兩個(gè)電極收集，每個(gè)電極分配的電流大小決定了光點(diǎn)的位置。I1和I2是分別流向兩個(gè)電極的電流，I0是流向基極的總電流，其大小是I1和I2的總和。

圖1 一維PSD結(jié)構(gòu)原理圖

本文以PSD中心為坐標(biāo)原點(diǎn)[9]，光點(diǎn)離中心點(diǎn)的距離為XA，于是有：

利用式（1）～（2），確定光斑能量中心相對于器件中心的位置XA。由式（3）可知，XA只與光電流I1、I2的和、差及比值有關(guān)，而與總電流無關(guān)（即與入射光功率的大小無關(guān)）。

2 數(shù)據(jù)采集及控制電路

基于單片機(jī)的PSD數(shù)據(jù)采集及控制電路的總結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。其中，包括PSD及信號拾取放大電路、HCF4052多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、AD7606轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制模塊、按鍵以及數(shù)碼管顯示等。

圖2 PSD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖

2.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。光斑照射在PSD光敏面上，通過PSD的兩級輸出直流電流I1、I2，通過運(yùn)算放大器A1、A2的放大、濾波以及I/U變化，得到兩個(gè)負(fù)值的電壓信號U1、U2，再通過加、減法器處理，最終輸出四路電壓信號。采用多路開關(guān)，在地址選擇信號的控制下，從多路信號中選擇一路作為輸出信號，通過AD模塊轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號。然后，單片機(jī)處理模塊對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行預(yù)處理和位置定位運(yùn)算，最后再把運(yùn)算結(jié)果顯示到數(shù)碼管上。

2.1 .1 PSD信號處理電路設(shè)計(jì)

由于PSD電極輸出的電信號并不直接是位置信號，必須對這些電信號進(jìn)一步處理才能得到光斑的入射位置[10]。本文PSD信號處理電路采用最簡單的直流模式，即采用恒定連續(xù)光源，光電流為直流信號。信號轉(zhuǎn)換部分的處理是通過反相輸入放大器A1和A2，實(shí)現(xiàn)I-U變換并放大，輸出U1、U2，再對其進(jìn)行加減運(yùn)算，如圖4所示。

圖3 信號檢測與處理電路原理框圖

圖4 PSD轉(zhuǎn)換電路框架圖

當(dāng)運(yùn)算放大器的輸入基極電流很小時(shí)，輸出電壓與輸入電流之間滿足線性關(guān)系，即：

Ui=-IiRf，又U1=-I1R，U2=-I2R，代入式（1）～式（3），得：

本文軟件運(yùn)算處理部分將依據(jù)式（4）進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算，最后得到光斑的位置信號。

2.1 .2 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

PSD輸出信號經(jīng)過信號處理電路后的電壓范圍為-9～+9V，因此選用能夠采集負(fù)值電壓信號且電壓范圍包括9V的A/D轉(zhuǎn)換模塊。又根據(jù)分辨的電壓變化在毫伏級，所以系統(tǒng)至少需要12位的采樣分辨率。最終，選定ARMFLY公司的AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。

AD7606量程范圍和過采樣參數(shù)是通過外部IO控制的。采樣速率由MCU提供的脈沖頻率控制。當(dāng)模擬信號為-10V～+10V雙極性輸入時(shí)，AD的分辨力為305.175μV，且并行方式時(shí)序圖相對簡單，滿足設(shè)計(jì)需求。工作原理是AD的一個(gè)通道接收PSD的電壓信號，然后將信號通過自身的16個(gè)數(shù)據(jù)口，以二進(jìn)制的形式傳給單片機(jī)；單片機(jī)將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，并通過采樣電壓的量程，轉(zhuǎn)換為所對應(yīng)的電壓值，通過6位數(shù)碼管顯示出來。

2.2 系統(tǒng)電路原理圖及軟件程序設(shè)計(jì)

2.2 .1 系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路原理圖如圖5所示，共分為6個(gè)部分。在接口電路中，單片機(jī)的P2口與AD7606模塊數(shù)據(jù)線的高8位DB15-DB8相連；管腳P3口與其低8位DB7-DB0相連，用以完成AD模塊數(shù)據(jù)向單片機(jī)的傳輸。

2.2 .2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)時(shí)，除了顯示、按鍵等程序塊外，還有兩個(gè)程序塊需作考慮：一是數(shù)據(jù)采集；二是對數(shù)據(jù)的處理和對外圍電路的控制。

圖5 系統(tǒng)電路總原理圖

圖6為程序主流程圖。先對AD7606模塊初始化，再使用AD7606模塊對接收到的PSD傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這時(shí)，單片機(jī)等待Busy信號為低電平。當(dāng)Busy信號為低電平時(shí)，AD7606模塊轉(zhuǎn)換完成。然后，對轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，把二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，并且轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電壓量程的電壓值。最后，將電壓值顯示到數(shù)碼管。

圖6 主流程圖

2.3 電路的調(diào)試

2.3 .1 PSD轉(zhuǎn)換電路調(diào)試

采用HH1733C3可調(diào)線性電源、DC-DC模塊電源NR5D12/300C進(jìn)行5～±12V的電壓轉(zhuǎn)換，為PSD提供電源電壓。當(dāng)光斑照射在PSD光敏面上時(shí)，采用示波器觀察PSD的U1、U2輸出端電壓波形變化情況。如圖7所示，U1、U2端輸出電壓信號基本是一條直線，電壓值分別在-1V左右、0.7～-0.6V之間波動(dòng)，與理論分析一致。但是，它不是一條理想的直線，存在一定的噪聲信號。因此，在后續(xù)的工作中需要對此噪聲進(jìn)行濾除。

此外，用萬用表測PSD輸出端電壓信號，同樣給PSD供電。當(dāng)光斑照射PSD光敏面時(shí)，不斷調(diào)整激光光斑在光敏面上的高度，觀察萬用表讀數(shù)不斷發(fā)生變化。表明輸出端電壓信號值隨光斑位置的移動(dòng)而變化，這一現(xiàn)象驗(yàn)證了PSD位移測試原理。

圖7 示波器觀測的U1、U2端輸出電壓信號

2.3 .2 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集電路的調(diào)試

單片機(jī)數(shù)據(jù)采集電路的輸入信號為兩路經(jīng)過濾波的負(fù)直流電壓信號。用信號發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)負(fù)直流電壓信號，分別在A/D轉(zhuǎn)換模塊中輸入這兩路負(fù)電壓信號，如表1所示。根據(jù)理論值和測量值的差值，來確定單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力。

表1 輸入的電壓值與測量值

從表1中可以看出，通過實(shí)際測量值與經(jīng)過理論計(jì)算得到的理論值的差值可以判斷，此單片機(jī)數(shù)據(jù)采集電路精度優(yōu)于10μm，滿足實(shí)驗(yàn)精度要求。

3 傳感器線性度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

通過線性度的大小來評價(jià)傳感器的好壞，其值越小越好。PSD總長33mm，有效光敏面20mm。在光學(xué)平臺一端放置微動(dòng)臺，將PSD固定在微動(dòng)臺上，通過微動(dòng)臺控制其上升或者下降，實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖8所示。另選一點(diǎn)固定激光器，使激光光斑能落在PSD光敏面范圍內(nèi)，且設(shè)定兩者之間的距離為1m。設(shè)定PSD以1.5mm的步長移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，令光斑分別由上至下、由下至上照射PSD光敏面，對入射光斑位置XA值記錄6次取平均值。對于實(shí)際測量值，利用MATLAB進(jìn)行最小二乘法擬合。觀察擬合直線，依次縮小范圍，標(biāo)定出線性度最好的區(qū)域，為之后的實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

圖8 PSD放置在微動(dòng)臺上

圖9為PSD全長范圍位移特性曲線圖?？梢钥闯觯虚g范圍表現(xiàn)出較好的線性度，故剔除兩端線性度不好的部分。選取9～22.5mm范圍進(jìn)行直線擬合，如圖10所示?？梢钥闯?，曲線基本呈線性，計(jì)算所得的線性度為0.17%。再次縮小范圍，最終標(biāo)定出9～16.5mm范圍，表現(xiàn)出良好的線性度，線性度為0.055%，如圖11所示。該方法的不足在于，因PSD的引腳接線等因素不利于PSD的標(biāo)定和精度的準(zhǔn)確測量，因此標(biāo)定過程中應(yīng)盡量避免不必要的抖動(dòng)影響、人為誤差等。

圖9 0～33mm范圍內(nèi)位移特性曲線圖

圖10 9～22.5mm范圍內(nèi)位移特性曲線圖

圖11 9～16.5mm范圍內(nèi)位移特性曲線圖

4 結(jié)論

介紹光電位置傳感器PSD的工作原理，并根據(jù)PSD的結(jié)構(gòu)及輸出特性，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)技術(shù)的PSD輸出信號數(shù)據(jù)采集電路。該電路在保證采集精度優(yōu)于10μm的基礎(chǔ)上，具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、體積較小等優(yōu)點(diǎn)，可在微位移測量和需要進(jìn)行高精度模擬信號采集的系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，它標(biāo)定出PSD線性度小于等于0.055%的有效距離為9～16.5mm，為之后PSD的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

[1]吳賽燕.PSD的性能分析及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007，（4）：109-111.

[2]YU Rui，ZHU Qi，GUO Qian，et al.A PSD Data Acquisitioncircuit Design based on Single Chip Microcomputer[J].ModernElectronics Technique，2013，（21）：141-144.

[3]裴先登，羅春，黃浩.PSD高精度位置測量系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32（2）：7-9.

[4]何曉瑞，鐘毓寧，王選擇.基于光強(qiáng)調(diào)制和數(shù)字?jǐn)M合的PSD位置檢測方法的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010，（6）：94-96.

[5]宋殿友，劉鐵根，丁小昆.PSD精密薄板在線多點(diǎn)測厚系統(tǒng)[J].應(yīng)用激光，2012，32（1）：54-57.

[6]丁碩，楊友林，巫慶輝.基于PSD的微位移傳感器建模的實(shí)現(xiàn)方法[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（11）：8-11.

[7]高經(jīng)伍，趙鳳華.PSD傳感器的原理及應(yīng)用[J].國外電子元器件，2002，（8）：19-20.

[8]黃梅珍，唐九耀，陳鈺清.基于半導(dǎo)體橫向光電效應(yīng)的位置敏感探測器[J].光電與控制，2000，（2）：34-37.

[9]于麗霞，王福明.一維PSD器件及其在測量中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，（7）.

[10]董樺.基于PSD的激光位移檢測中位移信號處理系統(tǒng)的研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2010.

Design of 1D-PSD Data Acquisition Circuit and Linearity Calibration

JIN Yanting, Zhu Qiang
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032)

The purpose of this study is to measure the displacement of the light spot， using one-dimensional photoelectric position sensor （PSD）， according to its working principle and output characteristics， designed and built PSD signal data acquisition circuit based on a microcontroller. Through the single chip microcomputer control HCF4052 multi-channel conversion， AD7606 analog/digital conversion， etc. to achieve the conversion of the PSD signal acquisition， and the linearity calibration of PSD. The experimental results show that the SCM data acquisition circuit accuracy is better than 10μm， satisfy the requirement. The effective distance of the calibration of the PSD linear degree is less than or equal to 0.055% is 9-16.5mm， which lays the foundation for a series of studies on the application of PSD in photoelectric detection and so on.

microcontroller, PSD, Data collection, analog/ digital conversion, calibration