1D-PSD數據采集電路設計及線性度標定

靳艷婷 馬孝江

（西安工業大學 機電工程學院，西安 710032）

1D-PSD數據采集電路設計及線性度標定

靳艷婷 馬孝江

（西安工業大學 機電工程學院，西安 710032）

本研究旨在實現光斑位移的測量，選用一維光電位置傳感器（PSD），根據其工作原理及輸出特性，設計并搭建了一套基于單片機的PSD信號數據采集系統。通過單片機控制HCF4052多路轉換、AD7606模/數轉換等實現對PSD信號的轉換采集，并對PSD進行線性度標定。實驗結果表明，單片機數據采集電路精度優于10μm，滿足實驗精度要求。標定出PSD線性度小于等于0.055%的有效距離為9～16.5mm，這為PSD應用于光電檢測等方面的一系列研究奠定了基礎。

單片機 PSD 數據采集 模/數轉換 標定

引言

位置靈敏探測器PSD屬于半導體器件。它因具有高靈敏度、高分辨率、響應速度快、光譜響應范圍大、配置電路簡單等優點[1-2]，被廣泛應用于光電檢測技術中，尤其是位置坐標的精確測量上。目前，瑞典、美國、日本等國在PSD探測器的研究方面處于領先水平，且有較成熟的產品，但價格昂貴[3-5]。國內近年來也對基于PSD的微位移測量系統進行了大量研究，但距大規模商品化應用尚有一定距離[6]。隨著我國科學技術的快速發展，PSD應用的范圍不斷擴大，研究也在不斷深入。本文設計了一套基于單片機技術的一維PSD信號采集處理系統，經實驗驗證，此電路不但原理簡單、成本小，而且具有高精度的數據采集能力。此外，利用此系統可對PSD的線性度進行標定，為PSD應用于光電檢測等方面的一系列研究奠定了基礎。

1 一維PSD的結構和工作原理

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

圖1是一個一維PIN型PSD的結構原理示意圖[7-8]。在P層的兩邊分別布置兩個電極——電極1和電極2，下面引入公共基極。當有光斑入射到PSD光敏面上時，載流子會在P層向兩端擴散產生電流，最后被兩個電極收集，每個電極分配的電流大小決定了光點的位置。I1和I2是分別流向兩個電極的電流，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結構原理圖

本文以PSD中心為坐標原點[9]，光點離中心點的距離為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，而與總電流無關（即與入射光功率的大小無關）。

2 數據采集及控制電路

基于單片機的PSD數據采集及控制電路的總結構框圖，如圖2所示。其中，包括PSD及信號拾取放大電路、HCF4052多路轉換開關、AD7606轉換模塊、單片機控制模塊、按鍵以及數碼管顯示等。

圖2 PSD的數據采集系統總結構框圖

2.1 硬件系統總體設計

系統的硬件設計如圖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，通過運算放大器A1、A2的放大、濾波以及I/U變化，得到兩個負值的電壓信號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，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模塊轉換得到數字信號。然后，單片機處理模塊對輸入的數字信號進行預處理和位置定位運算，最后再把運算結果顯示到數碼管上。

2.1 .1 PSD信號處理電路設計

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，即采用恒定連續光源，光電流為直流信號。信號轉換部分的處理是通過反相輸入放大器A1和A2，實現I-U變換并放大，輸出U1、U2，再對其進行加減運算，如圖4所示。

圖3 信號檢測與處理電路原理框圖

圖4 PSD轉換電路框架圖

當運算放大器的輸入基極電流很小時，輸出電壓與輸入電流之間滿足線性關系，即：

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

本文軟件運算處理部分將依據式（4）進行算數運算，最后得到光斑的位置信號。

2.1 .2 A/D模數轉換電路設計

PSD輸出信號經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值電壓信號且電壓范圍包括9V的A/D轉換模塊。又根據分辨的電壓變化在毫伏級，所以系統至少需要12位的采樣分辨率。最終，選定ARMFLY公司的AD7606模數轉換模塊。

AD7606量程范圍和過采樣參數是通過外部IO控制的。采樣速率由MCU提供的脈沖頻率控制。當模擬信號為-10V～+10V雙極性輸入時，AD的分辨力為305.175μV，且并行方式時序圖相對簡單，滿足設計需求。工作原理是AD的一個通道接收PSD的電壓信號，然后將信號通過自身的16個數據口，以二進制的形式傳給單片機；單片機將二進制轉換為十進制，并通過采樣電壓的量程，轉換為所對應的電壓值，通過6位數碼管顯示出來。

2.2 系統電路原理圖及軟件程序設計

2.2 .1 系統電路原理圖設計

系統電路原理圖如圖5所示，共分為6個部分。在接口電路中，單片機的P2口與AD7606模塊數據線的高8位DB15-DB8相連；管腳P3口與其低8位DB7-DB0相連，用以完成AD模塊數據向單片機的傳輸。

2.2 .2 軟件程序設計

軟件設計時，除了顯示、按鍵等程序塊外，還有兩個程序塊需作考慮：一是數據采集；二是對數據的處理和對外圍電路的控制。

圖5 系統電路總原理圖

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傳過來的數據進行轉換。這時，單片機等待Busy信號為低電平。當Busy信號為低電平時，AD7606模塊轉換完成。然后，對轉換完成的數據進行讀取，把二進制數據轉換為十進制數據，并且轉換為對應電壓量程的電壓值。最后，將電壓值顯示到數碼管。

圖6 主流程圖

2.3 電路的調試

2.3 .1 PSD轉換電路調試

采用HH1733C3可調線性電源、DC-DC模塊電源NR5D12/300C進行5～±12V的電壓轉換，為PSD提供電源電壓。當光斑照射在PSD光敏面上時，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，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，在后續的工作中需要對此噪聲進行濾除。

此外，用萬用表測PSD輸出端電壓信號，同樣給PSD供電。當光斑照射PSD光敏面時，不斷調整激光光斑在光敏面上的高度，觀察萬用表讀數不斷發生變化。表明輸出端電壓信號值隨光斑位置的移動而變化，這一現象驗證了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 單片機數據采集電路的調試

單片機數據采集電路的輸入信號為兩路經過濾波的負直流電壓信號。用信號發生器產生兩個負直流電壓信號，分別在A/D轉換模塊中輸入這兩路負電壓信號，如表1所示。根據理論值和測量值的差值，來確定單片機處理數據的能力。

表1 輸入的電壓值與測量值

從表1中可以看出，通過實際測量值與經過理論計算得到的理論值的差值可以判斷，此單片機數據采集電路精度優于10μm，滿足實驗精度要求。

3 傳感器線性度標定實驗

通過線性度的大小來評價傳感器的好壞，其值越小越好。PSD總長33mm，有效光敏面20mm。在光學平臺一端放置微動臺，將PSD固定在微動臺上，通過微動臺控制其上升或者下降，實驗實物圖如圖8所示。另選一點固定激光器，使激光光斑能落在PSD光敏面范圍內，且設定兩者之間的距離為1m。設定PSD以1.5mm的步長移動，實驗重復進行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。對于實際測量值，利用MATLAB進行最小二乘法擬合。觀察擬合直線，依次縮小范圍，標定出線性度最好的區域，為之后的實驗奠定基礎。

圖8 PSD放置在微動臺上

圖9為PSD全長范圍位移特性曲線圖。可以看出，中間范圍表現出較好的線性度，故剔除兩端線性度不好的部分。選取9～22.5mm范圍進行直線擬合，如圖10所示。可以看出，曲線基本呈線性，計算所得的線性度為0.17%。再次縮小范圍，最終標定出9～16.5mm范圍，表現出良好的線性度，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的標定和精度的準確測量，因此標定過程中應盡量避免不必要的抖動影響、人為誤差等。

圖9 0～33mm范圍內位移特性曲線圖

圖10 9～22.5mm范圍內位移特性曲線圖

圖11 9～16.5mm范圍內位移特性曲線圖

4 結論

介紹光電位置傳感器PSD的工作原理，并根據PSD的結構及輸出特性，設計了一種基于單片機技術的PSD輸出信號數據采集電路。該電路在保證采集精度優于10μm的基礎上，具備結構簡單、成本低廉、體積較小等優點，可在微位移測量和需要進行高精度模擬信號采集的系統中得到廣泛應用。同時，它標定出PSD線性度小于等于0.055%的有效距離為9～16.5mm，為之后PSD的應用實驗奠定了基礎。

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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