王志勇

（烏蘭察布市電教儀器館，內蒙古 烏蘭察布 012000）

PSD信號處理電路的設計

王志勇

（烏蘭察布市電教儀器館，內蒙古 烏蘭察布 012000）

位置傳感器(Position Sensitive Detector,PSD)廣泛應用于精度較高的非接觸測量中，特別是在激光三角法微位移測量中，常采用PSD作為位置敏感元件感測光線的微小偏移。本文分析了PSD的原理和性質，并設計了PSD的信號處理電路，同時設計了微小信號電流的流壓轉換電路，將微弱的電流信號轉換為電壓信號，滿足了后續(xù)信號處理模塊的要求,電路存在的噪聲控制在±0.8mV內，使整體測量系統的分辨力達到80nm。

微位移測量；位置傳感器；電路設計

1 引言

以激光作為光源的光電測量技術結合三角測量技術構成了激光三角法測量技術的基礎[1]。在激光三角法中，由光源發(fā)出的一束激光照射在待測物體平面上，最后在檢測器上成像。當物體表面的位置發(fā)生改變時，其所成的像在檢測器上也發(fā)生相應的位移。通過像移和實際位移之間的關系式，真實的物體位移可以由對像移的檢測和計算得到。PSD是一種連續(xù)的模擬式光斑位置探測器，可以對照射在PSD感光面上的光斑重心位置進行連續(xù)測量，主要應用于光學測量、相機自動對焦等領域。在激光三角法測量微位移的應用中，激光出射后由透鏡聚焦在被測面上，形成聚焦光斑[2]。成像透鏡將該光斑成像于一維PSD感光面上。如果被測面發(fā)生位移，被測面上的光斑將跟隨被測面發(fā)生移動，這樣在PSD感光面上的成像光斑也會產生相應的位移，從而使光斑重心位置發(fā)生變化。

2 信號處理電路設計

2.1 PSD應用基本原理

PSD基于p-n結或肖特基結的橫向光電效應原理，通過合理設置分流層和收集電流的電極，根據各電極上收集到的電流信號的比例確定入射光的位置。如圖1所示，坐標原點設在PSD中心，則一維PSD線性位置公式為:

其中l(wèi)為一維PSD感光面長度，I2、I1分別是兩電極輸出的信號電流，輸出電流與光照強度和光斑重心位置到輸出電極的距離有關。PSD輸出信號為微弱的電流信號，需要設計電路將信號轉換為較大的電壓信號。

圖1 PSD光斑位置的確定

2.2 PSD信號處理電路設計原理

PSD信號處理電路的功能是對PSD輸出的微弱電流信號放大以及信號運算得到光斑重心位置。信號處理過程如圖2所示。由（1）式，光斑位置坐標

其中，k是流壓轉換電路的放大倍數，u1、u2是轉換之后得到的電壓值。為了得到正確的結果，兩路輸出信號的放大倍數應該相同。如果放大倍數不同，則PSD光斑重心位置會判定失誤，導致被測面位置測量誤差。

上述運算電路如果用模擬電路實現，則需由OP放大器構成加減法電路，還需要模擬乘法器。為了保證運算結果的準確性，這些模擬器件需要很高的精度。事實上模擬器件的精度較難保證且成本較高，因此一般不選用模擬方法實現運算，實際多采用單片機完成。目前也有用于 PSD信號采集兼處理的專用芯片，如H2476等[3]。圖3是采用單片機實現信號處理的原理框圖。

PSD信號經過處理電路之后可以在數碼管上顯示出光斑的實際位置或被測面的位置。串口可以將數據傳輸至計算機，實現對大批量實驗數據進行處理。

圖2 PSD信號處理過程

圖3 PSD信號處理原理圖

2.3 前置流壓轉換電路

為方便信號測量與處理，需要將PSD電極輸出的電流信號放大后轉換成為電壓信號，本課題設計流壓轉換電路將PSD微弱電流信號轉化為電壓信號。通常PSD輸出電流變化量為納安級，這就要求流壓轉換電路能夠精確地放大電流變化，電路噪聲還應盡可能小，故對微弱信號處理需要使用低噪聲放大器件[4]。選取低噪聲放大器要注意源電阻的值，源電阻的大小是選擇第一級放大元件的重要依據。若源電阻值小于100Ω，可采用變壓器耦合，源電阻在1KΩ至1MΩ之間可采用運算放大器，在10kΩ至1GΩ之間多要用結型場效應管 (JFET)， 超過 1MΩ 可選用MOSFET。由于此PSD的內阻約為35kΩ，因而選用運算放大器作為PSD前置放大元件。

圖4是設計的流壓轉換電路，偏流Ib與信號Is一起流過Rf，Vos為所選運算放大器的偏置電壓，OP放大器實際輸出為

圖4 前置流壓轉換電路

為了得到較準確的輸出值，所選OP放大器的偏流和偏置電壓相對于輸出信號應非常小。為保證OP放大器盡量在理想狀態(tài)下工作，差模輸入電阻應當遠遠大于反饋電阻。由于實際PSD輸出電流為微安級，為了得到伏級的輸出電壓，一般反饋電阻Rf在數百千歐左右。Rf直接決定了流壓轉換電路的放大倍數，必須選擇高精度電阻。該電路在反饋電阻上并聯電容以減小噪聲。如3.1.2節(jié)所述，PSD負載應盡可能小，這是設計時應該考慮的問題之一。該電路輸入電阻近似為

Zi是OP放大器開環(huán)輸入阻抗，G是開環(huán)增益。該電路輸入阻抗極低，能滿足PSD負載近似為零的要求。

下面考慮噪聲的影響，OP放大器噪聲電壓密度為，放大器噪聲電流產生噪聲為

反饋電阻Rf的溫度噪聲

總噪聲為

上式表明，流壓轉換電路的噪聲取決于OP放大器固有噪聲和反饋電阻Rf帶來的噪聲?？梢钥闯?，Rf的熱噪聲與其根號成正比，輸出信號與Rf成正比，所以對于信噪比而言，Rf應盡可能大[5]。

在微弱電流轉換電路中導線產生的噪聲也不容忽視，PSD與OP放大器的輸入端距離應當盡可能短且應使用降低電流噪聲的低噪聲同軸導線。此外，制作印制電路板時還應注意消除漏電流的影響，相關處理措施有在OP放大器周圍大面積敷銅，輸入端用接地屏蔽環(huán)包圍，使用聚四氟乙烯端子等。

在解決了這些問題之后，可以得到如下輸入輸出關系

就器件選擇而言，OP放大器應選擇輸入偏流小、偏置電壓小、輸入阻抗高、低噪聲，溫度系數小的放大器件。反饋電阻應當精度高，溫漂小。本課題選取運算放大器OP37G。OP37G偏流15nA，差模輸入電阻4MΩ，噪聲80nVp-p（0.1Hz～10Hz）,溫漂0.2μV/℃，滿足對器件特性的要求。反饋電阻選取高精度金屬膜電阻，阻值應根據PSD上實際成像光斑作用下的輸出信號大小選取，本課題實際選取100KΩ。

3 試驗系統性能驗證

3.1 電路穩(wěn)定性驗證

在PSD不受到任何光照情況下，測試PSD信號經放大之后的其中一路電壓值，每分鐘記錄一次，共記錄30分鐘。做出變化曲線圖5?？梢钥吹?，電路本身在不受光照時在±0.8mV內波動，這主要由PSD本身和信號處理電路存在的噪聲所引起的[6]。

3.2 系統分辨力驗證

在量程內取5個點，在每點處以步長80nm控制壓電陶瓷步進10次。本文認為壓電陶瓷微動臺穩(wěn)定性良好，為保證分辨力實驗的準確性，每次步進之后每隔一分鐘讀數，共記錄30分鐘[7]。實驗得出的變化曲線如圖6所示，圖中橫坐標表示壓電陶瓷微動臺每次步進后相對于初始位置的位移量，縱坐標表示系統實際測出的位置坐標,在30分鐘的實驗過程中，示值可穩(wěn)定在73nm/ 30min以內。實驗表明基于PSD的激光三角法測量系統達到了分辨力80nm的指標。

圖5 電路穩(wěn)定性測試曲線

(a)第一點穩(wěn)定性測試

(b)第二點穩(wěn)定性測試

(c)第三點穩(wěn)定性測試

(d)第四點穩(wěn)定性測試

(e)第五點穩(wěn)定性測試

4 結語

本章對 PSD從原理和使用兩個方面進行了分析研究，設計了PSD信號處理電路。由于PSD輸出的是微弱電流信號，本章對微弱電流信號的流壓轉換電路進行了專門的研究。所設計的信號處理電路可以在數碼管和計算機上顯示測量結果，電路存在的噪聲控制在± 0.8mV內,整體測量系統的分辨力達到80nm。

［1］馮俊艷，馮其波，匡萃方.高精度激光三角位移傳感器的技術現狀［J］.應用光學，2004，25（3）：33-36.

［2］杜穎，張國雄，李真，楊穎.金屬表面對光學非接觸測頭的影響［J］.光電工程，2000，27（5）：62-32.

［3］胡濤，司漢英.光電探測器前置放大電路設計與研究［J］.光電技術應用，2010，（01）.

［4］曾超.基于二維位置敏感探測器PSD的研究及應用［D］.杭州:浙江大學，2003.

［5］李杏華，安久伏.二維枕形PSD信號處理系統的設計［J］.傳感器與微系統.2010，（03）.

［6］于麗霞，王福明.一維PSD器件及其在測量中的應用［J］.現代電子技術.2007，（07）.

［7］席鋒.一種消除位置敏感探測器干擾信號的方法［J］.重慶工商大學學報（自然科學版），2010，（01）.

A Signal-Processing Circuit Design of a Position Sensitive Detector

WANG Zhi-yong
（Center for Education Technology，Wulanchabu 012000，Inner Mongolia）

Position Sensitive Detector is widely used in high-precision non-contact measurements，and is particularly applied in micro-distance measurements in laser triangulation methods，in which，PSD as locality-sensory units，are always used to sense slight position shifts of light spots.In this article，the author analyzes the principles and properties of PSD，and designs both the signal-processing circuit for the PSD and a unique current conversion circuit which converts weak current signals to easily-measured voltage signals，thus meeting the requirements of the subsequent signal-processing modules.The circuit noise is controlled within an approximate bound of more or less 0.8mv (±0.8mv)in order to make the overall resolution power of the measurement system reach up to 80nm.

distance measurement；position-sensory detector；circuit design

G633.7

A

2095-3771（2014）02-0103-05

2013-4-15

王志勇（1962—），男，漢族，內蒙古豐鎮(zhèn)人，烏蘭察布市電教館講師，研究方向：中學物理。