基于FPGA的二維PSD信號處理系統(tǒng)設(shè)計

張?zhí)煊睢≠Z方秀　周強　李浩

摘要：為實現(xiàn)對入射光斑位置坐標的精確測量，設(shè)計以FPGA為核心的二維PSD信號處理系統(tǒng)。針對窄脈沖激光照射下前置放大放電路，建立相應(yīng)等效噪聲模型，引入頻率對電路輸出電壓噪聲的影響得到提高電路分辨率措施。搭建自動增益控制電路，并結(jié)合FPGA給出的相應(yīng)增益控制策略實現(xiàn)對幅值大動態(tài)范圍變化的光電流合理放大。設(shè)計峰值脈沖檢測電路實現(xiàn)窄脈沖信號峰值的準確測量，其測量誤差小于3%。通過FPGA設(shè)計狀態(tài)機實現(xiàn)A/D芯片模式配置和數(shù)據(jù)讀取，并搭建相應(yīng)坐標解算模塊和串口模塊，實現(xiàn)入射光斑坐標的解算與傳輸。實驗表明該系統(tǒng)測量非線性度小于10μm，測量精度高。

關(guān)鍵詞：位置敏感探測器;窄脈沖信號處理;自動增益控制電路;峰值檢測電路;FPGA

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）08-0135-05

收稿日期：2018-07-17;收到修改稿日期：2018-08-21

基金項目：國家自然科學(xué)基金（61201391）

作者簡介：張?zhí)煊睿?994-），男，山東德州市人，碩士研究生，專業(yè)方向為機械電子。

0 引言

位置敏感探測器（PSD）因其響應(yīng)速度快，無死區(qū)，位置輸出信號只與入射光的重心位置有關(guān)，對光斑形狀無嚴格要求[1]等優(yōu)點特別適用于位移、距離、滾轉(zhuǎn)角等高精度非接觸快速測量[2-4]。而PSD信號處理系統(tǒng)性能好壞直接影響最終測量精度。江孝國等[5]建立PSD等效噪聲模型并進行測試分析，給出光電流與位置分辨率之間的關(guān)系。劉媛等[6]對轉(zhuǎn)換電路各環(huán)節(jié)進行敏感性分析，得出了元器件性能參數(shù)對電路噪聲的影響規(guī)律。吳立雄等[7]對改進二維PSD線性度進行研究，指出將入射光斑控制在A區(qū)能有效提高測量精度。楊海馬等[8]設(shè)計了基于FPGA的PSD多路光電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。史狄等[9]設(shè)計了基于DSP的二維PSD信號處理系統(tǒng)。賈天祥[10]設(shè)計了基于LabVIEW的PSD自動測試系統(tǒng)。

傳統(tǒng)PSD信號處理系統(tǒng)均針對直流激光源設(shè)計，而當(dāng)PSD接受峰值功率相同時直流激光源消耗功率遠大于脈沖激光源。因此本文針對窄脈沖激光源設(shè)計相應(yīng)的信號處理系統(tǒng)，分析脈沖激光照射下提高電路分辨率的措施，通過自動增益控制電路和峰值檢測電路實現(xiàn)PSD與激光照射器距離大動態(tài)范圍變化時響應(yīng)光電流準確測量。最終通過FPGA實入射光斑位置坐標解算。

1 二維PSD工作原理

PSD不僅是光電轉(zhuǎn)換器，更是光電流分配器件，根據(jù)各電極上收集到的電流信號比例即可確認入射光的位置。二維枕型PSD結(jié)構(gòu)如圖I所示。

其中，x₁，x₂，y₁，y₂分別是PSD 4個電極，L_x，L_y分別為x軸方向和y軸方向PSD光敏面長度，當(dāng)以器件中心為原點時入射光位置坐標與電流關(guān)系式為：其中x、y為解算得到的入射光斑位置橫、縱坐標，I_x1、I_x2、I_y2、I_y2是PSD相應(yīng)電極輸出電流。

2 系統(tǒng)方案

本文中PSD信號處理系統(tǒng)采用脈沖激光源，并設(shè)計相應(yīng)峰值保持電路保證A/D能夠采集到正確的脈沖峰值。同時，為避免因電流信號過于微弱或過大飽和導(dǎo)致無法精確測量的情況，需設(shè)計適用于大動態(tài)范圍的自動增益控制電路對信號進行合理放大。圖2所示為信號處理系統(tǒng)硬件框圖。

PSD經(jīng)脈沖激光照射后產(chǎn)生的相應(yīng)光電流，被前放電路轉(zhuǎn)換為電壓。自動增益控制電路根據(jù)FPGA給出的控制策略將該電壓放大適當(dāng)倍數(shù)，最終由峰值檢測電路得到該脈沖電壓峰值。同時峰值時刻判斷模塊將脈沖電壓峰值到來信息傳遞給FPGA并由FPGA控制A/D電路開啟轉(zhuǎn)換得到數(shù)字電壓信號，最后通過FPGA解算得到入射光斑重心位置坐標。

2.1 前放電路

電路分辨率與電路噪聲直接相關(guān)，因此需對電路噪聲進行分析。前放電路中光、暗電流和PSD極間電阻[11]以及前放電路反饋電阻，運算放大器自身[12]均會產(chǎn)生噪聲，其等效噪聲模型如圖3所示。

i_s是由光電流I_o和暗電流I_d產(chǎn)生的散粒噪聲，i_ie和i_f分別是極間電阻R_ie和反饋電阻R_f產(chǎn)生的熱噪聲，e_n則是運放自身產(chǎn)生的電壓噪聲。C_f為補償電容。前放電路信號增益A_s定義為運放輸出電壓值V_o與負相輸入端輸入電流值I_o之比，噪聲增益A_n定義為當(dāng)輸入噪聲存在于運算放大器同相輸入端時檢測放大電路輸出噪聲e_no與輸入噪聲e_ni之比。根據(jù)定義結(jié)合運放“虛短”和“虛斷”特性可得：其中：（C_f+C_j）），_tf為運放單位增益帶寬。

考慮頻率影響，電路輸出電壓V和輸出電壓噪聲V_no分別為：其中，f_l和f_h分別為積分下限頻率和上限頻率。針對脈寬為納秒級脈沖信號，電路分辨率更易受瞬時噪聲值的影響而非噪聲RMS值影響。該情況下信號峰值與噪聲峰值之比十分重要，因此以K=V_o/（V_no×CF）作為衡量電路分辨率的指標。其中CF（波峰因數(shù)）是噪聲峰值與噪聲RMS值的之比，通常取CF=6.6[13]。對于一確定PSD信號處理系統(tǒng)，上述公式中除補償電容C_f以外其余參數(shù)均為定值。因此令dK/dC_f=0，即可求得使K值最大時的C_f值，此時電路分辨率也將最大。

2.2 自動增益控制電路

為使后續(xù)電路便于精確測量輸出電壓，幅值既不能過小淹沒在噪聲中，又不能過大超出測量范圍。因此當(dāng)電源供電5V時，輸出電壓信號范圍為0.5～4.7V。自動增益控制電路通過一個運放搭配不同增益電阻實現(xiàn)，這樣電路只有一級，可避免引入過多噪聲。同時相鄰兩放大系數(shù)之間應(yīng)保證過渡階段輸出電壓變化范圍限制在0.5～4.7V。

自動增益控制策略如圖4所示，光電流I既適用于放大系數(shù)A2又適用于放大系數(shù)A3，當(dāng)放大系數(shù)為A2時，I_o是該區(qū)間內(nèi)的最大電流值，此時其對應(yīng)輸出電壓A2I_o應(yīng)小于4.7V;而當(dāng)放大系數(shù)變?yōu)锳3時，I_o是該區(qū)間內(nèi)的最小電流值，因此其對應(yīng)輸出電壓A2I_o應(yīng)大于0.5V。

2.3 峰值檢測電路

峰值檢測電路如圖5所示。該電路通過放大器、二極管等電子器件搭建模擬電路實現(xiàn)對脈沖信號峰值的檢測。

該電路主要由3個模塊組成：用來保持脈沖信號峰值的模擬存儲器，即電容器，它存儲電荷的功能能使它充當(dāng)一個電壓存儲器;當(dāng)峰值出現(xiàn)時用來對電容充電的運放OP1和單向電流開關(guān)二極管D;使電容電壓能夠跟隨輸入電壓的器件運放OP2。

當(dāng)峰值到達時，OP1輸出正向電壓，二極管D導(dǎo)通，電容C充電并跟隨峰值電壓。而當(dāng)峰值之后OP1輸出電壓減小，由于二極管D單向?qū)ㄌ匦允闺娙軨上電壓繼續(xù)保持峰值大小并通過OP2將該峰值電壓輸出。

3 FPGA邏輯設(shè)計

本文采用EP4CE22作為主控芯片完成解算控制功能，其主要由ADC邏輯控制模塊，坐標解算模塊，增益控制策略模塊和串口模塊組成，如圖6所示。

ADC邏輯控制模塊主要通過Verilog HDL編寫狀態(tài)機實現(xiàn)的。本文采用A/D芯片為MAX1304，其配置時序和讀取時序。配置寄存器時，將CS和麗豆設(shè)為低電平，然后將DO～D7位數(shù)據(jù)裝載到并行總線，再將麗頁置為高電平。配置數(shù)據(jù)在麗豆的上升沿鎖存。

隨后將CONVST由低拉高，開啟A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)EOLC由高變低時，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，通過RD和CS信號的配合可讀取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。因二維PSD有4路電極輸出，因此需要讀取ch0～ch3通道數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上時序，ADC邏輯控制模塊狀態(tài)圖如圖7所示。

當(dāng)ADC邏輯控制模塊讀取4路通道數(shù)據(jù)完成后將該信息同時傳遞給增益控制策略模塊和坐標解算模塊。增益控制模塊會根據(jù)本次A/D采集電壓信號大小決定下次自動增益控制電路增益大小，而坐標解算模塊則主要負責(zé)將該4路電壓信號轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)并進行浮點數(shù)運算進而得到光斑坐標。最終解算得到的坐標信息將會通過如圖8所示串口模塊發(fā)送給上位機。

4 實驗驗證

采用實驗裝置進行實驗。該實驗裝置由激光源，光具座和信號處理系統(tǒng)組成。激光源可輸出脈寬固定，頻率、功率可調(diào)的平行脈沖激光束。光具座作為承載鏡頭裝置，由俯仰臺和旋轉(zhuǎn)臺組成，可分別作旋轉(zhuǎn)和俯仰運動。信號處理系統(tǒng)則包括鏡頭、PSD和處理電路。PSD置于鏡頭內(nèi)部且通過機械安裝保證鏡頭光軸中心與PSD感光面中心重合，后續(xù)處理電路通過導(dǎo)線與PSD連接。實驗時鏡頭與光具座固連且鏡頭中心與俯仰臺，旋轉(zhuǎn)臺運動中心重合。將激光源與光具座固定在帶有螺紋孔的底板上且令激光源鏡面與鏡頭保持平行且保證激光源發(fā)射平行光束可完全覆蓋鏡頭，以該位置視為旋轉(zhuǎn)與俯仰運動的0°。

首先測試該信號處理系統(tǒng)模擬電路部分性能即峰值檢測電路檢測精度。令光具座旋轉(zhuǎn)與俯仰角度為0°，脈沖激光源脈沖頻率50HZ，改變激光源發(fā)射功率分別測試小信號和大信號下峰值檢測電路檢測精度，結(jié)果如圖9，圖10所示。

圖中黃色線為峰值檢測電路輸入波形，藍色為輸出波形。當(dāng)輸入電壓528mV時，電路輸出為532mV，而當(dāng)電壓輸入4.16V時，輸出為426V。檢測誤差小于3%，能夠滿足大動態(tài)范圍內(nèi)對信號的準確檢測。

其次測試該系統(tǒng)非線性度。固定鏡頭俯仰角度為一定值，令鏡頭分別像左右兩個方向做旋轉(zhuǎn)運動，入射光斑將在PSD上形成一條直線，直線上相鄰個光斑距離為l=ftan△θ，其中f為鏡頭焦距，該值為17.08mm，△θ為相鄰兩次旋轉(zhuǎn)運動角度之差，值是1°。測試結(jié)果如圖11。

圖中x，y分別為PSD橫縱坐標軸，紅色光斑為入射光斑測量結(jié)果，相鄰兩光斑距離即為l，紅色光斑形成的軌跡即為入射光斑運動軌跡，黑線為理論結(jié)果，可以看出PSD信號處理系統(tǒng)測量非線性度在10μm以內(nèi)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了以FPGA為核心的二維PSD信號處理系統(tǒng)。通過建立前放電路等效噪聲模型，得到使電路在脈沖激光照射下分辨率最高時補充電容C_f取值原則。所搭建的自動增益控制電路和峰值檢測電路能有效保證大動態(tài)范圍變化光電流的準確檢測，測量誤差小于3%。實驗結(jié)果表明該信號處理系統(tǒng)測量非線性度在10μm之內(nèi)，測量精度高?？蓮V泛應(yīng)用于非接觸式的位移、距離、滾轉(zhuǎn)角測量。

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（編輯：劉楊）