毕业设计（论文）-基于PSD浓度检测系统设计与分析.doc

shandong 毕 业 论 文 基于 psd 浓度检测系统设计与分析 学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2011 年 6 月 摘 要 i 摘 要 在化工制药、轻工食品饮料环保等各部门以及科研国防各个领域，都要求 对液体浓度等参数进行检测与控制。目前，工业生产中检测液体浓度的方法比 重法、化学分析法、超声波法及光学法等。但这些方法都需要费时和繁琐的人 工取采样，滞后性大，无法实现液体浓度的实时在线检测，鉴于以上存在的问 题，本文设计了一种基于位置敏感器件（psd）的新型浓度检测系统。 本系统是利用当入射光线固定，液体的浓度发生变化将导致其折射率也跟 着变化这一理论基础，利用位置敏感探测器测量出光线偏移量的大小，进而得 出液体的折射率并计算出液体的浓度。所以，基于psd的浓度检测系统主要由 半导体激光器、双隔离窗光学系统、psd信号处理电路、基于msp430单片机的 a/d采集运算控制电路和显示电路等组成。由激光器发出激光，经过光学系统 照射在一维psd上，psd信号经处理电路，再由单片机a/d转换模块将模拟量转 换为数字量，同时单片机处理数据后，由显示电路显示出待测液体的浓度。 基于psd的浓度检测系统检测方法的准确性在理论分析和实验仿真中得到 了验证，实验表明，该系统具有结构简单、灵敏度高、稳定性好、响应时间快 以及自动化程度高等优点，能够方便、准确地实现液体浓度的实时在线检测。 关键词：浓度检测 , 位置敏感器件（psd） ，半导体激光器，msp430 单片机 abstract ii abstract in the chemical and pharmaceutical, light industry and food and beverage and environmental protection departments and the various fields of scientific research and national defense are to detect and control the parameters of the liquid concentration. at present, the proportion of liquid concentration detected in the industrial production method, chemical analysis, ultrasonic and optical method. however, these methods are time-consuming and tedious manual to take sampling lag, can not achieve real- time online detection of the liquid concentration, in view of the above problems, this paper designs a new type of concentration detection system based on position sensitive detector (psd). in the chemical and pharmaceutical, light industry and food and beverage and environmental protection departments and the various fields of scientific research and national defense are to detect and control the parameters of the liquid concentration. at present, the proportion of liquid concentration detected in the industrial production method, chemical analysis, ultrasonic and optical method. however, these methods are time-consuming and tedious manual to take sampling lag, can not achieve real-time online detection of the liquid concentration, in view of the above problems, this paper designs a new type of concentration detection system based on position sensitive detector (psd). this system is used when the incident light is fixed, the density of the liquid changes its refractive index also followed changes in the theoretical basis of the position sensitive detector to measure the size of the light offset, and then draw the liquids refractive index and calculate out the concentration of the liquid. therefore, the concentration detection system based on the psd by the semiconductor laser, the optical system of double isolation window, the psd signal processing circuit, based on the msp430 microcontroller a / d acquisition operation control circuit and display circuit and other components. issued by the laser laser, optical system irradiation in one-dimensional psd, the psd signal by the processing circuit, and then by the microcontroller a / d converter module will convert analog to digital, abstract iii single-chip processing the data displayed by the display circuit under test the concentration of the liquid. concentration detection accuracy of the detection method based on the psd has been verified, the theoretical analysis and simulation experiments show that the system has a simple structure, high sensitivity, good stability, fast response time and high degree of automation, to facilitate the accurate real-time online detection of the liquid concentration. keywords: concentration detector, position sensitive detector (psd), semiconductor lasers, the msp430 microcontroller 目 录 iv 目 录 摘 要 .i abstract.ii 目 录 iv 第一章 引 言 1 1.1 课题研究的目的和意义 .1 1.2 液体浓度测量的国内外研究现状 .1 1.3 本论文的主要研究内容 .2 第二章 系统总体方案设计 .4 2.1 系统总体方案设计4 2.2 系统性能指标 .5 第三章 光学系统设计 .6 3.1 光源的选择 .6 3.2 光学系统设计 .7 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计10 4.1 psd 工作原理及选型10 4.1.1 psd 工作原理 10 4.1.2 psd 性能分析 12 4.1.3 psd 的选型 12 4.2 psd 信号处理电路14 4.2.1 psd 信号处理电路基本原理 14 4.2.2 实用的 psd 信号处理电路设计 14 4.3 msp430 单片机系统.24 4.3.1 msp430 单片机概述 24 4.3.2 单片机电路设计 27 4.3.3 led 显示电路设计 30 第五章 系统软件设计 .33 5.1 系统软件总体设计流程 .33 目 录 v 5.2 adc 采集转换程序.34 5.3 数据处理程序设计 .36 5.4 led 显示程序设计 .37 第六章 浓度检测总体系统与误差分析 .39 6.1 浓度检测总体系统 .39 6.2 误差分析 .40 6.2.1 位置敏感器件对系统的影响 .40 6.2.2 温度对系统测量的影响 41 6.2.3 偶然因素对系统的影响 42 总 结 .43 参考文献 .44 致 谢 .46 附 录 .47 第一章 引 言 -1- 第一章 引 言 1.1 课题研究的目的和意义 浓度检测室是工业生产中至关重要的的一项工作，它直接关系着产品的质 量，生产厂商一方面在化验室中对产品的浓度进行检验，另一方面还要求在生 产线上对产品的浓度进行时时监控。相比化验室步骤繁琐的抽样检验，在线实 时检测更具有时效性，而且更易控制产品质量。在在线时时检测系统中，操作 人员在生产过程中可以随时掌握产品浓度的变化情况，及时采取措施，实现实 时控制，从而使产品的浓度控制在要求的范围内，这对于保证产品的质量有很 重要的意义。 目前液体浓度的检测方法虽然很多，但大部分采用接触式检测方法，此类 方法对某些有害液体有一定危险性。 本文所设计的基于 psd 的浓度检测系统利用位置敏感器件 psd 作为光敏 元件，使用比较简单的光学系统和更为集成的电子电路便可以非常稳定地检测 液体的浓度，大大节省成本，并且由于 psd 只对光斑能量中心敏感，因而对光 源的变化影响可忽略不计，降低了对准直聚焦光学系统的要求，更具有现实意 义。 1.2 液体浓度测量的国内外研究现状 目前，工业生产中检测液体浓度的方法有很多，如比重法、化学分析法、 超声波法及光学法等。这些检测方法的原理和设备结构有着非常大的差异，其 适用的部门和场合也各不相同，而且各有其优点与不足。 比重法，使用起来比较方便，但在工业生产中，经常要在大型的槽或池中 检测不同深度处的溶液浓度，而且由于比重计采用的是浮力原理，因此它只能 检测到表面上层溶液的浓度，不能满足检测需求。另外在多组分溶液的装置中， 用比重法也无法进行测量。 化学分析法，此种方法虽然具有较高的检测精度，但它在使用过程中所耗 费许多化学试剂非常昂贵，而且又需要很长的分析周期，不能满足时时在线检 第一章 引 言 -2- 测的要求，最重要的是成本比较高。 这些传统的液体浓度检测方法各有其局限性，它们都需要人工取采样，无 法实现实时的在线检测，同时取样费时和繁琐，滞后性大，分析的结果又不是 当时的情况，而且在时间间隔内，我们对的溶液浓度的变化是无法把握的，这 就对工业生产的产品质量和自动化控制造成了很大的影响，所以它们的应用范 围有限，不能适应现代工业生产的实际要求。 国外已报道的有：伯格曼通过使用光纤探头来检测各种液体的浓度、折射 率；纳拉亚南，通过利用激光的棱镜检测含糖液体的浓度；longtin and fan 以 一个长方形单元为基础测量静止液体的浓度。其他同类的检测技术有平面荧光 技术、热标记技术和干涉测量法技术等。国内已报道的有：浮力法、重力法、 静压法、折光法、振动法、同位素法、势力学法及电导法等。然而，这些技术 不是实验装置复杂就是所用材料价格昂贵，不能适用于流动液体浓度实时检测。 采用光电传感检测的方法对溶液浓度的进行检测具有方便、快捷、不污染 待测液体、易于与电路系统进行连接实现信号的处理，系统的控制等。从而更 加适应现代工业生产的检测要求，具有广阔的应用前景，所以越来越受到重视， 有关的研究和应用也越来越多。光电传感检测的方法测量液体浓度的理论基础 是光线透过待测溶液或者在待测溶液的界面上进行反射时，溶液浓度的变化会 引起光线折射角度、偏振方向，溶液对光线的吸收率、折射率等物理量的变化， 如果能将它们与溶液的浓度建立起关系，就可以通过测量这些物理量的变化来 测量液体的浓度。 本文采用的是光透射方法，采用了双隔离窗和双平面镜的独特光学系统， 利用光电位置敏感器件检测出光线偏移量的大小，得到液体的折射率，进而计 算出液体浓度。 1.3 本论文的主要研究内容 本论文从原理分析、硬件设计、软件设计及误差分析等方面对基于 psd 浓 度检测系统进行设计与分析，主要研究内容为： 第一章 引 言 -3- (1)系统总体设计方案及框图 (2)psd 特性分析 (3)光学系统的设计 (4)信号处理电路的设计 (5)a/d 转换及单片机控制电路设计 (6)显示电路设计 (7)浓度检测系统图设计 (8)系统程序设计 (9)系统误差分析 本文的研究重点在光学系统的确定、psd 信号处理及单片机控制系统的研 究，相比以往的浓度检测系统，设计了新型的光学系统、选择了位置敏感探测 器 psd 并建立相应的单片机软硬件系统。 在传统的浓度检测系统中，比较用见的是比重法和化学分析法，采用光 电系统检测浓度还是比较少见得。在已了解到的利用激光透射方法进行浓度 测量的系统中，系统结构比较复杂，造成误差来源较多，所用传感器敏感度 不高，难以有效提高测量精度。本系统采用了一种新的光学系统双 隔离窗透射法，利用光 在液体浓度变化 时引起折射率变化的原理，对浓度 测量，通过引入高精度的位置敏感器件psd 作为接受传感器，同时采用外 围设备丰富的 msp430 系列单片机作为核心处理芯片，从而简化了检测系 统的整体结构，使得安装调试更为简便，同时减少了许多误差来源，保证了 测量值的较高精度，这是本文的创新之处。 第二章 系统总体方案设计 -4- 第二章 系统总体方案设计 浓度的变化会引起液体对光的折射率的变化，对于由激光器发出的固定倾 斜入射的光线，折射率的变化会导致出射光线发生偏移，利用位置敏感器件 （psd）将得到的电流信号经过放大处理后检测出偏移量的大小，将这个模拟 量经过 a/d 转换后发送给单片机，以单片机为核心对浓度检测系统进行控制处 理，最后由显示系统显示液体的浓度。 2.1 系统总体方案设计 基于 psd 浓度检测系统主要包括以下几部分：半导体激光器、光学系统、 psd 信号处理电路、基于单片机的 a/d 转换与控制系统和显示电路等。液体浓 度检测系统的系统框图如图 2-1： 半 导 体 激 光 器 光 学 系 统 p s d 传 感 器 p sd 处 理 电 路 基于 msp430 单 片机的 a/d 转 换采集与控制系 统 显示电路系统 按键输入 图 2-1 液体浓度检测系统的系统框图 系统工作原理为：由激光器发出激光，经过光学系统照射在一维 psd 上， psd 信号经处理电路，再由单片机 a/d 转换模块将模拟量转换为数字量，同时 单片机对数据处理后，由显示电路显示出待测液体的浓度。在整个系统中，以 第二章 系统总体方案设计 -5- 单片机为核心处理控制器件，进行数据处理，控制 a/d 转换模块、led 显示系 统与按键输入，对整个系统负责，使检测系统自动智能化。 2.2 系统性能指标 基于 psd 浓度检测系统的主要技术指标有：系统分辨力、系统测量范围、 系统测量精度等。 1、系统分辨力 系统理论可分辨 0.00001 的折射率变化，但实际测量中，将会受放大器、 a/d 转换采集和单片机处理的影响，综合分析，系统的分辨力可达 0.0025。 2、系统测量范围 系统中采用了日本滨松公司的 s3932 型，其有效敏感区为 112mm2，考虑 到边缘误差太大，实际可用约 11.6mm，可测量折射率 1.229861.50137。如果 增加 psd 的长度，则测量范围可进一步加大。 3、系统测量精度 系统测量精度取决于系统误差修正后的残差和偶然误差的总均方根值r 。若以表示浓度检测系统的测量精度。则： r d s 22 rs rd 第三章 光学系统设计 -6- 第三章 光学系统设计 3.1 光源的选择 光电测量系统的光源一般有钠灯、发光二极管、激光器等可以选择。对 于本文所选用光源的的要求是单色性好、方向性强、稳定性比较好、光亮度 较高，结构简单、使用方便等。 1、钠灯 钠灯利用钠蒸汽放电产生可见光的电光源。钠灯分别在 589.0 纳米和 589.6 纳米的两条双 d 谱线上集中了主要的放电辐射，它们与眼视觉曲线的最高值 （555 纳米）非常接近人，所以它的发光效率非常高，因此钠灯是比较重要的 单色光源之一。钠灯的光源质量比较好，为标准参考波长，所以测量出来的数 值不需要修正，但体积比较大，需要限流器，启动电压也比较高。 2、发光二极管 发光二极管， 常简写为 led。它与普通二极管一样是由一个 pn 结组 成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上 正向电压后，从 p 区注入到 n 区的空穴和由 n 区注入到 p 区的电子，在 pn 结附近数微米内分别与 n 区的电子和 p 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的 半导体材料 中 电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不 同，释放出的能量越多，则发出的光的 波长越短。常用的是发红光、绿光 或黄光的二极管。 led 具有体积比较小、坚固耐用、使用电压低、寿命比 较长等优点，但它的单色性较差，强度较弱，方向性也不理想。 3、激光器 激光光源是一种新型光源，与其他光源相比有单色性好、方向性强、光亮 度极高的优点，因而在国防、科研、工农业生产和医疗方面得到广泛的应用。 半导体激光器 (激光二极管 ld)具有单色性好，方向性比较好，体积小、 寿命长、转换效率高，而且其制造工艺和半导体电子器件和集成电路的生产 工艺兼容，便于与其他器件实现单片光电子集成。并且还可以用频率高达 第三章 光学系统设计 -7- ghz 的电流进行直接调制而获得高速调制的激光输出。本系统使用中国科 学院半导体研究所 (海特光电子技术公司 )生产的 htl67t05 型 5mw 输出 670nm 基横模量子阱激光器。 3.2 光学系统设计 1、基本光学原理 浓度检测的基本光学原理如图 3-1 所示，当待测液体浓度发生改变时，入 射光线折射角也将变化，通过测量光线折射角度的偏移（这一偏移几乎与待测 液体浓度成正比），经计算就可以得出待测液体的浓度。 入射光线 待测液体 d n 蒸馏水 图 3-1 液体浓度检测的基本原理图 测量水槽由两部分组成，一部分装有参考液体（即蒸馏水），另一部分装 有待测液体，中间倾斜放置一块透射的光学玻璃窗将两部分隔开，这样，当两 部分液体折射率差值变化时入射光的折射角度也跟着变化。当光线如图 3-1 所 示的情况入射，则两种液体折射率之差与光线偏移量 d 之间的关系可用如下n 表示： (3-1)kdnnnn2/cot 2 0 其中，为光线出射角，为光线入射角，k 为与结构有关的常量。 2、光学系统图 基于浓度检测的基本光学原理，本文采用了一种双隔离窗的光透射液体 浓度检测的实验装置。 如图 3-2 所示。 第三章 光学系统设计 -8- 图 3-2 双隔离窗光透射液体浓度检测实验装置 光学系统由两个装有蒸馏水的参考水槽和一个装有待测液体的测量水槽组 成，用两个平行放置的光学透射窗将三个水槽隔开，水平入射的光线通过第一 部分蒸馏水后经光学透射窗 1 进入待测液体，并产生入射角。在装有第二部 分蒸馏水的水槽中装有两个互成 90 度的平面镜，光线经过两个平面镜的反射 后，经由透射窗 2 再次进入待测液体，同样又产生一个入射角，最后光线经 由第一部分蒸馏水出射，通过滤光片投射在 psd 的光敏面上，当待测液体浓度 发生变化时，投射到 psd 的光敏面上的光斑位置也发生变化，这一变化经 psd 线性输出，又通过后续电路的处理计算最终实现浓度的检测。加入滤波片的目 的是为了滤除大部分环境杂散光对检测的影响。 光线的几何轨迹如图 3-3 所示。在图 3-3 的几何光学光线轨迹中用 d 来表 示 psd 所测得的被测液体是待测液体（虚光线）和蒸馏水（实光线）时的光线 偏移量。根据图 3-3 所示几何关系和光学折射定律有： （3- 21 ddd 2） （3-tan 111 dsd 3） （3-tan 212 dsd 4） 蒸馏水2 蒸馏水1 水槽 双平面镜 待测液体光学透射窗2光学透射窗1 psd 滤光片 激光器 第三章 光学系统设计 -9- 和 （3-5sinsin 0g nn ） （3-6）sinsin gx nn 式中，为两隔离窗距离。从式中可以看到，当入射角、参比液体和两隔 1 s 离窗间距选定以后，、和就是固定值，将（3-2） 、 （3-3）式代入（3-1） 0 n 1 s 式得到光线偏移量为 tan1 tan tan1 tan 11 21 ss ddd （3-7 x x x nf n n n n s sinarcsintan1 sinarcsintan 2 0 0 1 ） 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -10- 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 4.1 psd 工作原理及选型 4.1.1 psd 工作原理 光电位置敏感探测器 psd（position sensitive detector）是一种对其感光面 上入射光斑位置敏感的光电器件。即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时， psd 将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光 斑在 psd 的位置。入射光的强度和尺寸大小对 psd 的位置输出信号均无关。 psd 可分为一维 psd 和二维 psd。一维 psd 可以测定光点的一维位置坐 标，二维 psd 可测光点的平面位置坐标。由于 psd 是分割型元件，对光斑的 形状无严格的要求，光敏面上无象限分隔线，所以对光斑位置可进行连续测量 从而获得连续的坐标信号。 实用的一维 psd 为 pin 三层结构，其截面如图 4-1（a）所示。表面的 p 层为感光面，其两边各有一信号输出电极。底层的公共电极是用来加反偏电压 的。当入射光点照射到 psd 光敏面上某一点时，假设产生的总的光生电流为 i 。由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，若在两个信号电极上接上负 0 载电阻，光电流将分别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电 i 和 i 。显然，i 和 i 之和等于光生电流 i ，而 i 和 i 的分流关系取决于入射 1212012 光点位置到两个信号电极间的等效电阻 r和 r 。如果 psd 表面层的电阻是 12 均匀的，则 psd 的等效电路为图 4-1b所示的电路。由于 r很大，而 c sh 很小，故等效电路可简化成图 4-1 (c) 的形式，其中 r和 r 的值取决于入 112 射光点的位置。假设负载电阻 r 阻值相对于 r和 r 可以忽略，则有： l12 = (4-1) 2 1 i i xl xl r r 1 2 式中，l 为 psd 中点到信号电极的距离，x 为入射光点距 psd 中点的距离。 式（4-1）表明，两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到该电极间距离之 比的倒数。将 i = i + i 与式（4-1）联立得： 012 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -11- 图 4-1 psd 的结构及等效电路 (a)截面电路 (b)等效电路 (c)简化的等效电路 （4- l xl ii 2 01 2） （4- l xl ii 2 02 3） 从以上两式可以看出，当入射光点位置固定时，psd 的单个电极输出电流 与入射光强度成正比。而当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光 点距 psd 中心的距离 x 呈线性关系。若将两个信号电极的输出电流作如下处理： 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -12- （4- l x ii ii px 12 12 4） 则得到的结果只与光点的位置坐标 x 有关，而与入射光强度无关，此时 psd 就成为仅对入射光点位置敏感的器件。p称为一维 psd 的位置输出信号。 x 4.1.2 psd 性能分析 为了选择一个合适的psd器件，首先要对psd的主要性能指标进行分析。 性能指标主要包括峰值响应灵敏度、响应速度、位置分辨率、位置线性度和暗 电流。 (1)峰值响应灵敏度是psd输出电流与入射光功率之比，即在单位光功率的 作用下psd的最大输出电流。因为系统要进行远距离测量，由于光源能量的衰 减，峰值响应灵敏度就成为选择psd的重要参数。选择较高的响应灵敏度，有 利于提高系统的信噪比。 (2)响应速度是反映psd瞬态特性的重要指标，psd的结电容和极间电阻越 小响应速度越快。 (3)位置分辨率是指最小可探测的光斑移动距离，它主要受器件尺寸、信噪 比等因素影响。一般规律是尺寸越大的器件其分辨率越低，提高信噪比可以提 高位置分辨率。 (4)位置线性度是指光点沿着直线移动时psd的位置输出偏离该直线的程度。 由于psd n区材料的不均匀性和电极形状等因素而造成p区上电阻率不为恒量， 导致psd呈非线性，因此在使用过程中人为地将psd敏感面划为a区和b区。 (5)暗电流由体漏电流和表面漏电流两部分组成，表面漏电流取决于材料质 量、器件制作过程所采取的表面钝化工艺。暗电流存在于所有工作在反偏状态 下的结型器件中，因此在psd中也存在。由于存在暗电流，在设计信号放大器 时必须选择具有适当偏置电流的运算放大器。 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -13- 4.1.3 psd 的选型 结合 psd 的性能参数、系统测量范围和测量精度的分析，本文选用日本滨 松公司的 s3932 型 psd 产品，其响应速度为 3，分辨率为 0.3，有效敏sm 感区为 112，光谱响应特性曲线如图 4-2，它主要性能参数如表 4-1 所示。 2 mm 图 4-2 s3932 光谱响应范围特性曲线 表 4-1 s3932 型 psd 的主要性能参数 光敏面112mm2 光谱响应范围3201100nm 上升时间3.0(vr=5v，rl=1k)s 结电容80pf(vr=5v，f=10khz) 暗电流0.220na(vr=5v) (typ，ta=26) oe=50% 4006008001000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 oe=100% s3979 s3931 s3932 响应灵敏度（a/w） 波长（nm） 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -14- 极间电阻3080(vb=0.1v)k 工作温度-1060 分辨率0.3m 位置测量误差60m 4.2 psd 信号处理电路 4.2.1 psd 信号处理电路基本原理 psd 两极输出的只是光电流 i1和 i2，要想得到位置输出信号 px必须要有相 应的信号处理电路的支持。因为 px=（i1i2）/（i1i2） ，因此其基本检测和处 理电路的设计思想是先将 i1和 i2进行加减运算然后再进行除法运算。电路原理 图如图 4-3 所示，光电流 i1和 i2先经过 ic1 和ic2 的低通滤波将高频噪声和 脉冲干扰去处掉。然后分别通过加法电路 ic3 和 ic5 和减法电路 ic4 得到 i1i2和 i1i2。最后 i1i2和 i1i2通过除法电路 ic6 得到位置输出信号 px=（i1i2）/（i1i2） 。我们可以将位移与液体浓度变化值之间的线形因数折 算到 psd 的长度之中选择合适的电阻阻值将输出的位置信号在这一步将转化为 所对应的浓度数值。 4-3 一维 psd 基本检测原理图 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -15- 该电路只是信号处理的基本原理电路，在实际检测的环境中，外界的光会 给以上电路的测试结果带来很大的误差，所以必须设计出实用的信号处理电路 来消除背景光的干扰。 4.2.2 实用的 psd 信号处理电路设计 本文所设计电路是通过调制解调技术来去除信号中的背景光干扰，从而减 小误差并对 psd 信号进行处理。电路主要包括：前置滤波电路、运算电路、信 号采样保持电路。 1、前置滤波电路 滤波电路的功能是让指定频段的信号通过，而将其余频段上的信号加以抑 制或使其急剧衰减。运算放大器和 rc 网络组成的有源滤波器与无源滤波器件 相比具有体积小，重量轻，线性特性好的优点。其次，由于运算放大器的增益 和输入阻抗很高，输出阻抗很低，所以有源滤波器还能提供一定的信号增益和 缓冲作用。 低通滤波器如图 4-4 所示。输入的光电流型号 i1和 i2通过滤波器转换成放 大的电压信号。由于加在 psd 上的光信号是由一定频率的方波驱动的，因此 psd 两个引脚输出的 i1和 i2也是交流信号。c1在电路中起的是隔直通交的作用。 c2和 r2组成的 rc 网络和运算放大器一起构成低通滤波器，将输入信号中的脉 冲干扰和高频噪声过滤掉，滤波的带宽的频率应比解调频率高。通过改变 r1 和 r2的值还可以调整低通滤波器的输出增益。 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -16- gnd 100k r3 10k r1 100pf c3 0.1uf c1 gnd 2 3 1 a * 图 4-4 低通滤波器 2、运算电路 i1和 i2经过滤波之后得到两个与 i1和 i2倒相的电压信号 vs1和 vs2。为了 得到最终的位置输出信号 px。必须要进行（vs2vs1）/（vs1vs2）的运算。 整个运算可以分为加法运算，减法运算和除法运算三部分来进行。下面将逐个 介绍相应的运算电路。 实用的 psd 信号处理电路设计的加法电路是通过图 4-5 所示的电路来实现 的。 2 3 1 a * 1k rf gnd 1k r8 1k r9 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -17- 图 4-5 加法电路 这个电路接成反相放大器，由于电路存在虚短，vi=0，在 p 端接地时， vn=0，故 n 点为虚地。显然，它是属于多端输入的电压并联负反馈电路。利用 虚短，虚断的概念，对反相输入节点可得下面的方程式： v0=（rf / r1）vs1+（rf / r2）vs2 （4- 5） 这就是加法运算的表达式，式中负号是因为反相输入所引起的，如果电路 里 r= r= rf，则上式变为： v0=vs1+vs2 （4- 6） 在一般的加法电路设计中，加法电路的输出端还要再接一级反相电路消去 负号来实现完全符合常规的算术加法。由于在这个系统中减法运算的结果要和 加法运算的结果做除法。因此加法运算结果前的负号可以由减法运算通过调整 两个减法输入的次序来做调整。因此在实用的 psd 信号处理电路设计中加法运 算电路的后级反相电路可以省略了，从而使整个电路更加精简。实用的 psd 信 号处理电路设计的减法电路是通过图 4-6 所示的差分式电路来实现的。 2 3 1 a * yunfang 1k r5 1k r6 1krf1k r7 gnd 图 4-6 减法电路 从电路结构上来看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。在理想 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -18- 运放的情况下，根据虚断，虚短原理，可以得到下列方程式： (4-7) 12 132 3 1 1 )( s f s f o v r r v rr r r rr v 在上式中，如果选取电阻值满足 rf /r= r3 /r的关系，输出电压可简 化为： (4-8)( 12 1 ss f o vv r r v 即输出电压与两个输入电压之差（vs2vs1）成比例，所以图 4-6 所示的 减法电路实际上就是一个差分式放大电路。当 rf= r时，vo= vs2vs1。 实用的 psd 信号处理电路设计的除法功能是使用实时模拟信号计算单元 ad538 来实现的。 ad538 是一个单片实时计算电路，它能给模拟信号提供精确的乘法、除法 和幂运算。输入信号动态范围可以很大，运算输出信号的线性好，单片设计使 它的具有功耗小，可靠性高的特点。ad538 通常运用于乘法，除法计算、平方、 平方根以及三角函数近似计算。 ad538 总的运算表达式是 vout =vy（vz /vx） ，根据不同的需要可以改变 ad538 的外置电路和输入信号的连接来实现不同的运算。实用的 psd 信号处 理电路设计使用了它的双输入除法运算功能。图 4-7 是 ad538 进行 vout =10（vz /vx）运算的连线图。 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -19- iz 1 vz 2 b 3 +10v 4 +2v 5 +v 6 -v 7 vo 8 i 9 vy 10 iy 11 c 12 pgnd 13 sgnd 14 vx 15 ix 16 d 17 a 18 ad538 +15v 35k r22 35k r23 -15v d1 gnd 14k r24 10kr25 vo 图 4-7 ad538 实现 vout =10（vz /vx） 如上图所示 ad538 的 6，7 引脚接15 伏特的电源。14，13 引脚分别为信 号地和电源地。分母模拟信号 vz和分子模拟信号 vx和分别接到 1 脚和 2，16 脚。再加上外置调零电路。最终 8 脚的输出信号 vout =10（vz /vx） 。式子中 除法项前的系数 10 是由外置电路决定的。 通过上面三个运算电路，信号光斑在 psd 上的位置线性对应输出位置电压 信号 px。 3、调制解调电路 psd 在接受信号光的同时不可避免的会受到外界光的影响。外界光将叠加 在信号光之上共同产生光电流。这对最终测试结果的影响是非常大的。在考虑 到外界光干扰的同时也应注意到这种干扰的叠加是线性的，即有下面的等式： f（ins）is （4- 9a） f(inw) = iw （4- 9b） f（insinw）isiw （4- 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -20- 9c） 式子中 ins是信号光输入，inw是外界光输入，is是没有外界光时的信号光 产生的光电流，iw是没有信号光时外界光干扰产生的光电流。由上式可知信号 光和外界光叠加到 psd 后产生的光电流是信号光和外界光单独作用在 psd 上 输出的线性叠加根据这个特性可以运用调制解调技术把外界光干扰去除掉。 psd 信号处理电路设计的消除外界光干扰电路的设计思想是：首先保证外 界光为恒定的光强，设外界光的干扰信号输入为 inw，设外界光经过 psd 产生 的光电流为 iw，由于外界光强恒定所以 inw和 iw也为固定常值。 由处理电路设计产生一个周期为 300s、脉冲宽度为 90s 的方波如图 4-8 所示来驱动信号光源，从而得到调制的信号光。在没有外界光干扰的情况下， 设方波高电平时输入信号为 ins，经过 psd 产生的光电流为 is，方波低电平时 光源不发光所以输入信号和产生的光电流都为零。 t=300s t=90s 图 4-8 脉冲驱动方波 在实际检测过程中外界光是一直存在的。加在 psd 上的光是调制信号光和 外界干扰光的叠加。在驱动方波高电平时输入信号为 insinw，由线性特性可 知高电平时产生的光电流为 isiw。在驱动方波低电平时由于没有信号光所以 输入信号为 inw，产生的光电流为 0iw。 分别在驱动方波高电平和低电平的时候对光电流采样保持，然后将高电平 的采样保持信号 isiw和低电平的采样保持信号 iw做减法运算，最终得到的是 没有外界光干扰的驱动方波高电平信号光电流 is。在实际电路设计上由于考虑 到滤波电路等因素，这个采样保持电路是在加法电路和减法电路之后的。这并 不影响电路去除外界光的功能。 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -21- 通过以上的调制解调，能将外界光干扰从信号光中去除掉。但它的前提条 件是保持外界光是恒定光源。如果不是恒定光源，在高、低电平时采样的 iw不 是同一个值，这会导致最后测试结果错误。 psd 信号处理电路设计的调制解调电路主要有两个部分：脉冲方波发生电 路和采样保持差分电路。 脉冲方波发生电路主要功能是：提供一个周期为 300s、脉冲宽度为 90s 的驱动方波给信号光源同时要给采样保持电路一个驱动方波高电平时刻采样触 发脉冲和一个驱动方波低电平时刻采样触发脉冲。 脉冲方波发生器电路如图 4-9 所示，脉冲方波发生器是由一片 555 定时器， 一片十进制计数/分配器 tc4017 和一片 tc4071 或门组成的。 555 定时器一般是由两个比较器、一个基本 rs 触发器和一个集电极开路的 放电三极管三部分组成。实用的 psd 信号处理电路设计里 555 定时器的外围电 路使它工作在方波发生方式。从 555 定时器的 6 脚输出周期为 30s 的方波信号。 该方波信号输入到 tc4017 的 14 脚时钟输入端 cp。 tc4017 有 10 个译码输出端 y0、y1、y2y9，每个输出端的状态和输入 计数器的时钟脉冲的个数相对应。例如输入 4 个时钟脉冲，如果计数器从 0 开 始计数，则此时译码输出端 y4 应为高电平，其余输出端均为低电平。当清零 端和使能端接地，时钟输入端 cp 接一个周期时钟脉冲时，译码输出端输出的 信号也是一个周期脉冲信号。这个输出信号的周期为输入时钟脉冲周期的十倍， 脉冲宽度大小等于输入时钟信号周期。不同的译码输出端的输出信号对应不同 的相位。在实用的 psd 信号处理电路设计中 y4、y5、y6 输出到 tc4071 的输 入端，y5 输出作为光源驱动方波高电平时刻采样触发脉冲。y8 输出作为光源 驱动方波低电平时刻采样触发脉冲。 tc4017 是一个十进制计数/分配器，它的引出端功能图如图 4-10 所示。它 有三个输入端。其中 15 脚清零端 cr和 13 脚使能端在 tc4017 工作时置零。时 钟输入端 cp 接外部计数脉冲,外部脉冲上升沿计数。 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -22- 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 y5 y1 y0 y2 y6 y7 y3 vss vdd cx cp en qco y9 y4 y8 * tc4017 2 1 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14a1 b1 y1 y2 a2 b2 vss vdd a4 b4 y4 y3 b3 a3 * tc4071 2 5 1 3 7 6 8 4 555 disch t hre s out re se tvcc t rigcont gnd * 555 10k r20 1k r21 0.1uf c18 0.01uf c19 0.1uf c20 gnd gnd 0.1uf c21 gnd 0.1uf c22 gnd gnd 图 4-9 脉冲方波发生器 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 y5 y1 y0 y2 y6 y7 y3 vss vdd cx cp en qco y9 y4 y8 * tc4017 图 4-10 tc4071 是四个或门组成的集成电路，其逻辑关系是：当全部输入端都处 于低电平时，输出端才处于低电平；只要有一个输入端出现高电平，输出端便 第四章 基于 msp430 单片机的 psd 信号处理电路设计 -23- 为高电平。 2 1 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14a1 b1 y1 y2 a2 b2 vss vdd a4 b4 y4 y3 b3 a3 * tc4071 图 4-11 tc4071 的引出端功能图如图 4-11 所示。从 tc4017 输入的 y4、y5、y6 分别连接到 tc4071 的 8、9、13 输入端进行或运算后从 tc4071 的 11 脚输出 光源驱动方波。该驱动方波经过共射集放大器放大后可以直接驱动信号光源。 光源的电源端直接连接到图 4-9 的 a、k 端口即可。 图 4-12 是脉冲方波发生器中几个芯片输出端的波形。图左边的标号如 555.3 表示的是 555 定时器的 3 号端口的波形。如图所示 tc4071 的 11 号端口 输出的是一个周期为 300s、脉冲宽度为 90s 的周期脉冲方波。tc4071 的 1 号和 9 号端口分别输出光源驱动方波高、低电平时刻采样触发脉冲。 采样保持差分电路的主要功能是：接收由脉冲方波发生器发出的光源驱动 方波高、低电平时刻采样触发脉冲，在相应时刻对调制信号进行采样保持，然 后将高电平时刻采样的信号与低电平时刻采样的信号做减法运算，最后得到的 就是消除了外界光干扰的解调信号。 采样保持差分电路如图 4-13 所示，采样保持差分电路是由两片 lf398 芯 片组成的采样保持电路、一片 tl074 分压器以及一片 tl074 减法电路组成的。 减法电路在前面已经有详细介绍，下面介绍 lf398 的