基于單片機的PSD數據采集電路的設計方案

　　0 引言

　　PSD作為一種精密的光電位置傳感器，具有靈敏度高、響應時(shí)間短、位置分辨率高、光譜響應范圍大等特點(diǎn)，因此被廣泛應用于現代光電檢測技術(shù)中，尤其是高精度、高速度的數據采集技術(shù)中。如何在極短的響應時(shí)間內實(shí)現多數據的采集，成了采集PSD輸出數據的關(guān)鍵。本文基于單片機技術(shù)，設計搭建了一套高速的PSD輸出數據采集及控制電路，通過(guò)在實(shí)驗室條件下對PSD輸出數據進(jìn)行采集，從而為后續的PSD定位精度以及抗干擾研究奠定理論基礎。

　　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、連續分布的半導體位置探測器件，能快速、準確給出入射光點(diǎn)在光敏面上的位置，即PSD輸出的信號與光點(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，兩邊各有一信號輸出電極。中間為I層，底層的公共電極用于加反向偏壓。當光線(xiàn)入射到光敏面上時(shí)，由于與結面平行的橫向電場(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.

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　　當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)現了位置測量功能。

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

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　　式中：L 為PSD 中點(diǎn)到信號電極的距離;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：

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　　顯然上式與入射光強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。

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　　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：

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　　因此，采集對象為Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 四個(gè)輸出量，通過(guò)對四輸出量的采集，便可運用原理運算來(lái)實(shí)現PSD在二維坐標下的位置數據。

　　3 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由Atmega16單片機、AD1674模/數轉換芯片、AD7501多路轉換開(kāi)關(guān)、MAX232 串行通信芯片等組成，其電路框圖如圖4所示。

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　　3.1 多路轉換開(kāi)關(guān)

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