根據(jù)高精度光電位置靈敏探測(cè)器（PSD）的工作原理及輸出特性，本文介紹了一套基于單片機(jī)技術(shù)的PSD輸出信號(hào)數(shù)字采集電路的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)Atmega16型單片機(jī)控制AD1674模/數(shù)轉(zhuǎn)換、AD7501多路轉(zhuǎn)換等實(shí)現(xiàn)對(duì)PSD輸出模擬信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換和采集。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、體積較小，廣泛適用于各實(shí)驗(yàn)室的PSD輸出信號(hào)采集模擬實(shí)驗(yàn)。

0 引言

PSD作為一種精密的光電位置傳感器，具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、位置分辨率高、光譜響應(yīng)范圍大等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光電檢測(cè)技術(shù)中，尤其是高精度、高速度的數(shù)據(jù)采集技術(shù)中。如何在極短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)的采集，成了采集PSD輸出數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。本文基于單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)搭建了一套高速的PSD輸出數(shù)據(jù)采集及控制電路，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)PSD輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而為后續(xù)的PSD定位精度以及抗干擾研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 PSD的工作原理

光電位置敏感器件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(cè)器件，能快速、準(zhǔn)確給出入射光點(diǎn)在光敏面上的位置，即PSD輸出的信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。如圖1所示，表面P+層為感光面，兩邊各有一信號(hào)輸出電極。中間為I層，底層的公共電極用于加反向偏壓。當(dāng)光線入射到光敏面上時(shí)，由于與結(jié)面平行的橫向電場(chǎng)作用，光生載流子形成向兩端電極流動(dòng)的電流X1 和X2，且總電流X0 = X1 + X2.

當(dāng)入射光斑與兩電極的間距發(fā)生變化時(shí)，兩電極的輸出電流也隨之變化，從而實(shí)現(xiàn)了位置測(cè)量功能。

如圖2 所示，如果PSD 的面電阻是均勻的，且阻值R1 和R2 遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻RL，則R1 和R2 的值僅取決于光點(diǎn)的位置，即：

式中：L 為PSD 中點(diǎn)到信號(hào)電極的距離；x 為入射光點(diǎn)到PSD中點(diǎn)的距離。

將X0 = X1 + X2 代入式（1），即可得到光點(diǎn)坐標(biāo)：

顯然上式與入射光強(qiáng)X0 無(wú)關(guān)，這就是一維PSD 的定位原理。二維PSD的基本原理與一維PSD相同，只是計(jì)算公式不同。

2 PSD 的選取

本文選取的是瑞典SiTek公司出品的SPC01光電位置傳感器。它是一款二維兩面分流型PSD，采用PSD使用厚膜技術(shù)制造，將PSD 傳感器與處理電路集合為一體，處理電路只有前置放大、加法器和減法器，其處理電路框圖如圖3所示。

將輸出電壓Diff X、Diff Y 和Sum X、Sum Y 與二維位置的關(guān)系式為：

因此，采集對(duì)象為Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 四個(gè)輸出量，通過(guò)對(duì)四輸出量的采集，便可運(yùn)用原理運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)PSD在二維坐標(biāo)下的位置數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)采集及控制電路

基于單片機(jī)的PSD 數(shù)據(jù)采集及控制電路由Atmega16單片機(jī)、AD1674模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、AD7501多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、MAX232 串行通信芯片等組成，其電路框圖如圖4所示。

（點(diǎn)擊查看大圖）

3.1 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

AD7501 是一個(gè)8 通道多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，其功能是通過(guò)三個(gè)二進(jìn)制的地址線來(lái)選擇一個(gè)有效的輸入。其具體連接關(guān)系如圖5所示。

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