一維PSD傳感器轉(zhuǎn)換電路的分析

1、一維PSD傳感器轉(zhuǎn)換電路分析摘要：對(duì)一維PSD (光電位置傳感器)的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性進(jìn)行分析和概述。給出一 維PSD傳感器的等效電路及轉(zhuǎn)換電路，并對(duì)電路各部分原理進(jìn)行推理分析。利用multisim軟件對(duì)一維PSD傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真。關(guān)鍵詞：一維PSD,工作原理，轉(zhuǎn)換電路，電路仿真Abstract:The structure, working principle, characteristics of one-dimensional PSD(photoelectric position sensor) are analyzed and summarized. Given a d PSD se

2、nsor and the tran sformatio n of the equivale nt circuit of the circuit, and every part of the circuit prin ciple of reas oning an alysis. Using the software of multisim to make a switch ing circuit simulati on of on e-dime nsional PSD sen sor.Key words: one-dimensional PSD, working principle, switc

3、hing circuit, circuit simulation一、引言位置敏感探測(cè)器(PSD)是一種光電測(cè)距器件。PSD基于非均勻半導(dǎo)體”橫向光電效應(yīng)”， 達(dá)到器件對(duì)入射光或粒子位置敏感。PSD由四部分組成：PSD傳感器、電子處理元件、半導(dǎo)體激光源、支架(固定PSD光傳感器與激光光源相對(duì)位置)。PSD的主要特點(diǎn)是位置分辨率高、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范圍寬、可靠性高，處理電路簡(jiǎn)單、光敏面內(nèi)無盲區(qū)，可同時(shí)檢 測(cè)位置的光強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果與光斑尺寸和形狀無關(guān)。由于其具有特有的性能，因而能獲得目標(biāo)位置連續(xù)變化的信號(hào)，在位置、位移、距離、角度及其相關(guān)量的檢測(cè)中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。在PSD光電實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)讀出

4、電壓值的變化，可以知道物體的運(yùn)動(dòng)變化，從而達(dá)到了 解光電傳感器的構(gòu)造原理和電子線路的設(shè)計(jì)與實(shí)踐、運(yùn)算放大器的應(yīng)用。由于其具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量物體時(shí)，即使測(cè)量物體位置有微小的變化，電壓值都會(huì)有很明顯的變化。PSD的光斑活動(dòng)位置可由光傳感器的兩端電極輸出的電流決定，位置距離分辨率為1400mV/1mm(供土 5V系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示器)或更大。二、一維PSD勺結(jié)構(gòu)及工作原理PSD!種基于橫向光電效應(yīng)的位置傳感器件。它是一種非分割型器件，可將光敏面上的光點(diǎn)位置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)一束光射到PSD勺光敏面上時(shí)，在同一面上的不同電極之間將會(huì)有電流流過，這種電壓或電流隨著光點(diǎn)位置變化而變化的現(xiàn)象就是半導(dǎo)體的橫向光

5、電效 應(yīng)。PS丙分為一維PS刖二維PSD 一維PS可以測(cè)定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)，二維PSD測(cè)光點(diǎn)的平面位置坐標(biāo)。下面介紹的是一維PSD勺工作原理，如圖I所示。它由P、I、N三層構(gòu)成，P 層為感光面，兩邊各有一個(gè)信號(hào)輸出電極；I區(qū)較厚但具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，更高的靈敏度和響應(yīng)速度；底層N引出一個(gè)公共電極，用來加反偏電壓。由于反向偏置下的PSD性能優(yōu) 于零偏狀態(tài)下PSD勺性能，在應(yīng)用中將PSD處于反向偏置狀態(tài)。(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)等效電路圖圖1 PSD的結(jié)構(gòu)及等效電路當(dāng)入射光點(diǎn)照射到PSD光敏面上某一點(diǎn)時(shí)，假設(shè)產(chǎn)生的總的光生電流為I。由于在入射光點(diǎn)到信號(hào)電極間存在橫向電勢(shì)，若在兩個(gè)信號(hào)電極上接上

6、負(fù)載電阻，光電流將分別流向兩個(gè)信號(hào)電極，從而從信號(hào)電極上分別得到光電流11和12。顯然，h和12之和等于光生電流I。，而1!和12的分流關(guān)系取決于入射光點(diǎn)位置到兩個(gè)信號(hào)電極間的等效電阻Ri和R2。如果PSD表面層的電阻是均勻的，貝y PSD勺等效電路為圖1（b）所示，其中R|和R2的值取決于入射光點(diǎn)的位 置。假設(shè)負(fù)載電阻Rl阻值相對(duì)于Ri和R2可以忽略，則有：L-x(i-i)/2Lx式中，L為PSD中點(diǎn)到信號(hào)電極的距離， x為入射光點(diǎn)距PSD中點(diǎn)的距離。式（1-1 ） 表明，兩個(gè)信號(hào)電極的輸出光電流之比為入射光點(diǎn)到該電極間距離之比的倒數(shù)。將1。= I1+I2與式（1.1.1 ）聯(lián)立得：(1-2

7、 )(1-3 )從以上兩式可以看出，當(dāng)入射光點(diǎn)位置固定時(shí)，PSD勺單個(gè)電極輸出電流與入射光強(qiáng)度成正比。而當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時(shí)，單個(gè)電極的輸出電流與入射光點(diǎn)距PSD中心的距離x呈線性關(guān)系。若將兩個(gè)信號(hào)電極的輸出電流作如下處理：(1-4 )則得到的結(jié)果只與光點(diǎn)的位置坐標(biāo) x有關(guān)，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)， 此時(shí)PSD就成為僅對(duì)入 射光點(diǎn)位置敏感的器件。Px稱為一維PSD的位置輸出信號(hào)。三、一維PSD轉(zhuǎn)換電路及分析1、轉(zhuǎn)換電路圖2 維PSD轉(zhuǎn)換電路原理圖VCC根據(jù)PSD原理及光點(diǎn)位置(x, y)的表達(dá)式，轉(zhuǎn)換電路首先應(yīng)對(duì)PSD輸出的光點(diǎn)流進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換放大，再按轉(zhuǎn)換公式的要求，通過加、減運(yùn)算放大器進(jìn)行預(yù)

8、置相加和相減 運(yùn)算，最后通過模擬除法器相除，得到與光能大小無關(guān)的位置信號(hào)。圖中Rf之取決于輸入電平的大小；V6、V13、V14為模擬除法器；Ai為低漂移運(yùn)算放大器。對(duì)準(zhǔn)物體的中心裝有 一高的發(fā)光二級(jí)管，PSD傳感器安裝于微動(dòng)。工作平臺(tái)上；二極管發(fā)出的光束經(jīng)過光學(xué)系 統(tǒng)聚焦后，將光點(diǎn)成像于放置在透鏡焦平面上的PSD的接收光敏面上， 這個(gè)光點(diǎn)信號(hào)經(jīng)過前置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。然后，通過A/ D采樣，送入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。從而確定PSD對(duì)準(zhǔn)物體平面上某一點(diǎn)的位置。當(dāng)對(duì)準(zhǔn)位置在測(cè)量范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，光斑與PSD兩電極間的距離發(fā)生變化，使兩電極輸出電流隨其光斑位置的變化而變化，因此通過測(cè)定傳感器兩電極輸出電流的大小

9、，便可知道 PSD與對(duì)準(zhǔn)物體平面上的某一點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)。2、轉(zhuǎn)換電路的分析(1)前置放大電路在設(shè)計(jì)電路時(shí)，首先要考慮如何放大電流信號(hào)。 PSD是個(gè)電流源信號(hào)， 電壓源更好測(cè) 最，我們可以將電流轉(zhuǎn)換為電壓源信號(hào)， 直接測(cè)量電壓源信號(hào)就可以了。 將電流源信號(hào)轉(zhuǎn)換 為電壓源信號(hào)，我們需要采用的是電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路就可以實(shí)現(xiàn)。圖3電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出電壓uO=liRf,將PSD勺輸出11和12均經(jīng)過上圖所示的電壓電流轉(zhuǎn)換電路，將電流轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行測(cè)量，為了保證PSC測(cè)量的精度，必須使兩路輸出盡可能一致，電阻原件采用高精度的無色環(huán)電阻， 集成運(yùn)算放大器要選擇高輸入阻抗，失調(diào)電壓小，偏置電流小的低噪聲的運(yùn)放

10、。由于PSD勺內(nèi)阻較大，在電路中 Rf的取值不能太大，Rf的取值過大時(shí)，容易產(chǎn)生振 蕩。在電路的設(shè)計(jì)中，還要加上電容進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。圖八中 V仁IO*Rf* (L1-x) /2L1, V2=I0*Rf* (L1+x) /2L1入射點(diǎn)距PSD中點(diǎn)的距離為 x=L1 (V2-V1) /(V2+V1)當(dāng)比值為0時(shí)認(rèn)為位置在中點(diǎn)，當(dāng)比值為1時(shí)位置為偏離中心位置11cm。由于輸出電壓較小， 還需要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大。通過加法電路、減法電路和除法電路，直接得到(V2-V1) / (V2+V1)的比值。電路如下圖：圖5 PSD前置放大電路其中由于PSD輸出信號(hào)較小，減法電路的放大倍數(shù)一般較大，而加法電路的放大

11、倍數(shù)小， 相對(duì)而言，加法電路的輸出變化不是很大，而減法電路的輸出則隨著位置的變換而產(chǎn)生大的變化。因此，減法電路的設(shè)計(jì)非常重要。（2 ）加法電路圖7 減法電路這個(gè)電路接成反相放大器，由于電路存在虛短，Vi=0，在P端接地時(shí)，Vn=0，故N點(diǎn)為虛地。顯然，它是屬于多端輸入的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。利用虛短，虛段的概念，對(duì)反相輸入節(jié)點(diǎn)可得下面的方程式：一V0=（ Rf/R1）Vs1+（ Rf/R2）Vs2這就是加法運(yùn)算的表達(dá)式，式中負(fù)號(hào)是因?yàn)榉聪噍斎胍鸬?，如果電路里R仁R2=R。則上式變?yōu)椋阂?V0=Vs1+Vs2在一般加法電路設(shè)計(jì)中，加法電路的輸出端還要再接一級(jí)反向電路消去負(fù)號(hào)來實(shí)現(xiàn)完全符合 常規(guī)的

12、算術(shù)加法。此處略。（3 ）減法電路從電路結(jié)構(gòu)上來看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。在理想運(yùn)放情況下， 根據(jù)虛斷，虛短原理，可得下列方程式在上式中，如果選取電阻值滿足Rf/R仁R3R2的關(guān)系，輸出電壓可簡(jiǎn)化為即輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差（Vs2-Vs1）成比例，所以上圖所示的減法電路實(shí)際上就是一個(gè)差分式放大電路。當(dāng)Rf=R1時(shí)。V0=Vs2-Vs1o在一維PSD轉(zhuǎn)換電路中還有濾波電路，其功能是讓制定頻段的信號(hào)通過，而將其余額 段上的信號(hào)加以抑制或使其急劇衰減。（4 ）濾波電路輸入的光電流型號(hào) h和-通過濾波器轉(zhuǎn)換成放大的電壓信號(hào)。 由于加在PSD上的光信 號(hào)是由一定頻率的方波驅(qū)動(dòng)的，因

13、此 PSD兩個(gè)引腳輸出的Ii和12也是交流信號(hào)。Ci在電路 中起的是隔直通交的作用。 C2和R2組成的RC網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器一起構(gòu)成低通濾波器，將輸入信號(hào)中的脈沖干擾和高頻噪聲過濾掉，濾波的帶寬的頻率應(yīng)比解調(diào)頻率高。通過改變Ri和R2的值還可以調(diào)整低通濾波器的輸出增益。02C1W圖8低通濾波器四、仿真結(jié)果五、結(jié)論在研究一維PSD工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制的非接觸位移 測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)的激光發(fā)射頭距離PSD為1015 m,測(cè)量量程為-10+10 mm,分辨率為1卩m,精度較高，上位機(jī)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況更新標(biāo)定系數(shù)以確保測(cè)量精度。系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作穩(wěn)定、可靠，是一種比較理想

14、的非接觸位移測(cè)量系統(tǒng)。利用PSD位置傳感器設(shè)計(jì)的電路簡(jiǎn)單、成本低、分辨率高、響應(yīng)速度快，但是PSD身是模擬器件，受環(huán)境和處理電路中其他器件性能等因素影低、分辨率高、響應(yīng)速度快，但是PSD本身是模擬器件，受環(huán)境和處理電路中其他器件性能等因素影響較大，我們?cè)谠O(shè)計(jì)測(cè)量電路時(shí)，采用了采樣一保持電路來消除背景光和暗電流；在進(jìn)行測(cè)最之前對(duì)PSD勺位置輸出進(jìn)行標(biāo)定解決了 PSD勺非線性問題；采用了精密低功耗儀用放大器INA!18替代前置放大電路中的減法電路。實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)后的電路有較高的測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。參考文獻(xiàn)1 .吳杰.佃90.光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2 ,安毓英，曾曉東，馮喆珺.廣電探測(cè)與信號(hào)處理.北京：科學(xué)出版社，2010.53 ,郭書立,李立軍，譚定忠.一維、二維PSD的檢測(cè)原理及測(cè)量電路 J.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào),2000.94 ,