PSD信号处理电路的设计

王志勇

（乌兰察布市电教仪器馆，内蒙古 乌兰察布 012000）

PSD信号处理电路的设计

王志勇

（乌兰察布市电教仪器馆，内蒙古 乌兰察布 012000）

位置传感器(Position Sensitive Detector,PSD)广泛应用于精度较高的非接触测量中，特别是在激光三角法微位移测量中，常采用PSD作为位置敏感元件感测光线的微小偏移。本文分析了PSD的原理和性质，并设计了PSD的信号处理电路，同时设计了微小信号电流的流压转换电路，将微弱的电流信号转换为电压信号，满足了后续信号处理模块的要求,电路存在的噪声控制在±0.8mV内，使整体测量系统的分辨力达到80nm。

微位移测量；位置传感器；电路设计

1 引言

以激光作为光源的光电测量技术结合三角测量技术构成了激光三角法测量技术的基础[1]。在激光三角法中，由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上，最后在检测器上成像。当物体表面的位置发生改变时，其所成的像在检测器上也发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式，真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。PSD是一种连续的模拟式光斑位置探测器，可以对照射在PSD感光面上的光斑重心位置进行连续测量，主要应用于光学测量、相机自动对焦等领域。在激光三角法测量微位移的应用中，激光出射后由透镜聚焦在被测面上，形成聚焦光斑[2]。成像透镜将该光斑成像于一维PSD感光面上。如果被测面发生位移，被测面上的光斑将跟随被测面发生移动，这样在PSD感光面上的成像光斑也会产生相应的位移，从而使光斑重心位置发生变化。

2 信号处理电路设计

2.1 PSD应用基本原理

PSD基于p-n结或肖特基结的横向光电效应原理，通过合理设置分流层和收集电流的电极，根据各电极上收集到的电流信号的比例确定入射光的位置。如图1所示，坐标原点设在PSD中心，则一维PSD线性位置公式为:

其中l为一维PSD感光面长度，I2、I1分别是两电极输出的信号电流，输出电流与光照强度和光斑重心位置到输出电极的距离有关。PSD输出信号为微弱的电流信号，需要设计电路将信号转换为较大的电压信号。

图1 PSD光斑位置的确定

2.2 PSD信号处理电路设计原理

PSD信号处理电路的功能是对PSD输出的微弱电流信号放大以及信号运算得到光斑重心位置。信号处理过程如图2所示。由（1）式，光斑位置坐标

其中，k是流压转换电路的放大倍数，u1、u2是转换之后得到的电压值。为了得到正确的结果，两路输出信号的放大倍数应该相同。如果放大倍数不同，则PSD光斑重心位置会判定失误，导致被测面位置测量误差。

上述运算电路如果用模拟电路实现，则需由OP放大器构成加减法电路，还需要模拟乘法器。为了保证运算结果的准确性，这些模拟器件需要很高的精度。事实上模拟器件的精度较难保证且成本较高，因此一般不选用模拟方法实现运算，实际多采用单片机完成。目前也有用于 PSD信号采集兼处理的专用芯片，如H2476等[3]。图3是采用单片机实现信号处理的原理框图。

PSD信号经过处理电路之后可以在数码管上显示出光斑的实际位置或被测面的位置。串口可以将数据传输至计算机，实现对大批量实验数据进行处理。

图2 PSD信号处理过程

图3 PSD信号处理原理图

2.3 前置流压转换电路

为方便信号测量与处理，需要将PSD电极输出的电流信号放大后转换成为电压信号，本课题设计流压转换电路将PSD微弱电流信号转化为电压信号。通常PSD输出电流变化量为纳安级，这就要求流压转换电路能够精确地放大电流变化，电路噪声还应尽可能小，故对微弱信号处理需要使用低噪声放大器件[4]。选取低噪声放大器要注意源电阻的值，源电阻的大小是选择第一级放大元件的重要依据。若源电阻值小于100Ω，可采用变压器耦合，源电阻在1KΩ至1MΩ之间可采用运算放大器，在10kΩ至1GΩ之间多要用结型场效应管 (JFET)， 超过 1MΩ 可选用MOSFET。由于此PSD的内阻约为35kΩ，因而选用运算放大器作为PSD前置放大元件。

图4是设计的流压转换电路，偏流Ib与信号Is一起流过Rf，Vos为所选运算放大器的偏置电压，OP放大器实际输出为

图4 前置流压转换电路

为了得到较准确的输出值，所选OP放大器的偏流和偏置电压相对于输出信号应非常小。为保证OP放大器尽量在理想状态下工作，差模输入电阻应当远远大于反馈电阻。由于实际PSD输出电流为微安级，为了得到伏级的输出电压，一般反馈电阻Rf在数百千欧左右。Rf直接决定了流压转换电路的放大倍数，必须选择高精度电阻。该电路在反馈电阻上并联电容以减小噪声。如3.1.2节所述，PSD负载应尽可能小，这是设计时应该考虑的问题之一。该电路输入电阻近似为

Zi是OP放大器开环输入阻抗，G是开环增益。该电路输入阻抗极低，能满足PSD负载近似为零的要求。

下面考虑噪声的影响，OP放大器噪声电压密度为，放大器噪声电流产生噪声为

反馈电阻Rf的温度噪声

总噪声为

上式表明，流压转换电路的噪声取决于OP放大器固有噪声和反馈电阻Rf带来的噪声。可以看出，Rf的热噪声与其根号成正比，输出信号与Rf成正比，所以对于信噪比而言，Rf应尽可能大[5]。

在微弱电流转换电路中导线产生的噪声也不容忽视，PSD与OP放大器的输入端距离应当尽可能短且应使用降低电流噪声的低噪声同轴导线。此外，制作印制电路板时还应注意消除漏电流的影响，相关处理措施有在OP放大器周围大面积敷铜，输入端用接地屏蔽环包围，使用聚四氟乙烯端子等。

在解决了这些问题之后，可以得到如下输入输出关系

就器件选择而言，OP放大器应选择输入偏流小、偏置电压小、输入阻抗高、低噪声，温度系数小的放大器件。反馈电阻应当精度高，温漂小。本课题选取运算放大器OP37G。OP37G偏流15nA，差模输入电阻4MΩ，噪声80nVp-p（0.1Hz～10Hz）,温漂0.2μV/℃，满足对器件特性的要求。反馈电阻选取高精度金属膜电阻，阻值应根据PSD上实际成像光斑作用下的输出信号大小选取，本课题实际选取100KΩ。

3 试验系统性能验证

3.1 电路稳定性验证

在PSD不受到任何光照情况下，测试PSD信号经放大之后的其中一路电压值，每分钟记录一次，共记录30分钟。做出变化曲线图5。可以看到，电路本身在不受光照时在±0.8mV内波动，这主要由PSD本身和信号处理电路存在的噪声所引起的[6]。

3.2 系统分辨力验证

在量程内取5个点，在每点处以步长80nm控制压电陶瓷步进10次。本文认为压电陶瓷微动台稳定性良好，为保证分辨力实验的准确性，每次步进之后每隔一分钟读数，共记录30分钟[7]。实验得出的变化曲线如图6所示，图中横坐标表示压电陶瓷微动台每次步进后相对于初始位置的位移量，纵坐标表示系统实际测出的位置坐标,在30分钟的实验过程中，示值可稳定在73nm/ 30min以内。实验表明基于PSD的激光三角法测量系统达到了分辨力80nm的指标。

图5 电路稳定性测试曲线

(a)第一点稳定性测试

(b)第二点稳定性测试

(c)第三点稳定性测试

(d)第四点稳定性测试

(e)第五点稳定性测试

4 结语

本章对 PSD从原理和使用两个方面进行了分析研究，设计了PSD信号处理电路。由于PSD输出的是微弱电流信号，本章对微弱电流信号的流压转换电路进行了专门的研究。所设计的信号处理电路可以在数码管和计算机上显示测量结果，电路存在的噪声控制在± 0.8mV内,整体测量系统的分辨力达到80nm。

［1］冯俊艳，冯其波，匡萃方.高精度激光三角位移传感器的技术现状［J］.应用光学，2004，25（3）：33-36.

［2］杜颖，张国雄，李真，杨颖.金属表面对光学非接触测头的影响［J］.光电工程，2000，27（5）：62-32.

［3］胡涛，司汉英.光电探测器前置放大电路设计与研究［J］.光电技术应用，2010，（01）.

［4］曾超.基于二维位置敏感探测器PSD的研究及应用［D］.杭州:浙江大学，2003.

［5］李杏华，安久伏.二维枕形PSD信号处理系统的设计［J］.传感器与微系统.2010，（03）.

［6］于丽霞，王福明.一维PSD器件及其在测量中的应用［J］.现代电子技术.2007，（07）.

［7］席锋.一种消除位置敏感探测器干扰信号的方法［J］.重庆工商大学学报（自然科学版），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，汉族，内蒙古丰镇人，乌兰察布市电教馆讲师，研究方向：中学物理。