（光学专业论文）基于嵌入式的光电检测系统研究.pdf

内容摘要 y 7 6 8 7 8 ： 内容提要 随着现代科学技术的发展，光电检测系统的应用领域日益扩大，为了满足现代化检测 的要求，系统研制了一套便携式、多功能、适合现场检测和监控的嵌入式光电检测系统。 本文从整个系统角度出发，主要做了以下两方面工作： 第一，设计了一种多通道双光路信号采集电路。系统可最多采集8 通道信号，每个通 道又设两个光路：一路信号光，一路参考光( 来自光源本身) 。此种电路不但可检测多个参数， 而且可提高徽弱信号的钡4 量精度。 第二，采用嵌入式设计了光电检测系统。通过对比，选定具有a r m 内核的 p h i l i p s l p c 2 11 4 作为微处理器，在嵌入实时操作系统uc o s i i 下进行开发。嵌入式系统 中实现配置数据和代码分离，在嵌入式单片机系统中，紧密相关的代码和数据直接制约着 系统的通用性和可维护性。为此，提出软件配置技术对配置数据和代码进行分离，从而提 高了系统的独立性。提出了限时服务机制。嵌入式系统软件在运行与硬件相关的任务时， 往往容易出现类似“死机”的现象。限时服务对这些任务的运行时间进行约束，超过规定 时间时强迫它交出c p u 的使用权从而避免了这种现象的发生。 论文的最后对所研究的嵌入式光电检测系统进行了总结。并提出了该课题进一步研究 的方向。 关键字：光电检测；多路信号检测；嵌入式操作系统；软件配置；限时服务 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y , o p t i c a l e l e c t r i c i t yt e c h n o l o g yh a s b e e na p p l i e dt ow i d e l y t om e e t 也en e e do fm o d e r n i z a t i o nd e t e c t i o n , ak i n do f o p t i c a l e l e c t r i c i t yd e t e c t i o nt e c h n o l o g y s y s t e mb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi ss t u d i e d t h es y s t e md e s i g n sak i n do fc i r c u i tt h a tc a l lc o l l e c te i g h ta n a l o gs i g n a l s d e t e c t e da n dc o n v e r t e df r o ml a m p - h o u s e e a c hs i g n a li ss e p a r a t e dt ot w ob e a m s o n e i sd e t e c t i o ns i g n a l t h eo t h e ri sr e f e r e n c es i g n a l ( i ti sf r o ml a m p - h o u s ei t s e l f ) 喇s k i n do fc i r c u i tn o to n l yc a r td e t e c tm a n yp a r a m e t e r s ，b u ti tc a l li m p r o v et h es y s t e m s p r e c i s i o n t h ea r t i c l e a d o p t s e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m t o d e s i g n as u i to f o p t i c a l - e l e c t r i c i t yd e t e c t i o nt e c h n o l o g y b yc o n t r a s t , t h es y s t e mi sd e v e l o p e db a s e d o na i t m 7p h 【l i p s - l p c 2 11 4a n dl ac ，o s - h c o n f i g u r a t i o n d a t aa n dc o d ei si ns e p a r a t e de m b e d d e do p e r a t i n g i nm c u s y s t e mb a s e do ne m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，b e c a u s ec o r r e l a t i v ec o d e a n dd a t ar e s t r i c t st h es y s t e m sa 1 1 p u r p o s ec h a r a c t e ra n dm a i n t a i n a b i l i t ya tf i r s th a n d ， s e p a r a t i n gc o n f i g u r a t i o n d a t aa n dc o d ec a l li m p r o v et h es y s t e m sc h a r a c t e ro f i n d e p e n d e n c e a p o l i c yo f t i m e - l i m i t e ds e r v i c ei sp u tf o r w a r d w h e n 血es o f t w a r eo fe m b e d e do p e r a t i n gs y s t e mi sr u n n i n g ，c o m p u t e rs t o p s s u d d e n l ya p p e a r sf r e q u e n t l y t i m e l i m i t e ds e r v i c er e s t r i c t st h et i m en m n i n go ft h o s e d u t i e st ob ea v o i d e dt h u st h i n g s w h e nt h et i m eo ft h er u n n i n go v e r r u n s t h ed u t yi s f o r c e dt oh a n di nt h er i g h to f p o s s e s s i n gc p u t h ei a s tp a r to ft h e 也e s i ss u m m a r i z e st h eo p t i c a l - e l e c t r i c i t yd e t e c t i o ns y s t e m b a s e do ns c ma n dp u tf o r w a r dt h ed i r e e t i o no f f u r t h e rr e s e a r c ho f t h i ss u b j e c t k e y w o r d s ：o p t i c a l 一e l e c t r i c i t yd e t e c t i o n ；s i n g a ld e t e c t i o ns y s t e mw i t hm a n g b e a m s ；e m b e d e do p e r a t i n gs y s t e m ；t i m e - l i m i t e ds e r v i c e ；s o f t w a r ec o n f i g u r a t i o n i l 第一章引言 第一章引言 1 1 课题的来源 本文是依托我校承担的福建省教育厅项目一一便携式智能光电检测仪( 项目编号： k 2 0 0 1 0 3 8 ) 的基础上，利用光电子技术、微电子技术、测控技术及通信网络技术等研制的 一套集工业检测和工程监控为一体的光电检测系统。 1 2 研究的意义 典型的光电探测系统接受从目标( 泛指被探测的对象) 来的电磁辐射，利用光电探测器将 目标携带的光信息转变为电信号，然后在光学系统和电子线路或计算机中进行信息处理。 以使光辐射携带的信息转变为可以理解的电信号，实现目标参数的自动测量，提供清晰的 目标图象或者输入自动控制系统完成自动控制的任务，其结构如图1 - 1 所示 q 卜一 毽 转 矗 区 慧 赍 羹 。一。一 图l - 1 光电检测系统结构框图 光电检测技术因具有非接触性，高速度，高精度的检测特点恰好满足了现代生产的要 求，对检测技术的发展起到了推动作用，已成为现代检测技术中的热门之一。特别是近年 来，由于各种新型光电探测器的出现以及电子技术和微电子技术的发展，使光电检测系 统的内容愈加丰富，应用越来越广泛，目前几乎已渗透到所有工业和科研部门口j ： 在军事上用于侦察、通信、制导、测距及定向等； 在工业上用于计量( 长度、角度、内外直径、表面质量、速度、温度等) 、生产过 程监测、控制以及监测环境污染等： 农业上根据植物反射阳光光谱的不同可估计农业的收成、预报病虫害、调查森 林资源、探测森林火灾； 医学上利用热图象诊断疾病； 地质上用于勘探矿物质资源等。 光电子技术和产业在促进国家经济和科学持续发展中起着巨大的作用，美国商务部甚 至指出“谁在光电子产业取得主动权，谁就在2 1 世纪尖端科技较量中夺魁， i ”，光电检测 第一章引言 技术作为光电子产业中重要的组成部分，是本世纪最具胜力的朝阳产业已是不争的事实， 在国家安全与经济竞争方面有着深远的意义和巨大的潜力。 随着现代科学技术的发展，光电检测系统的应用领域日益扩大，为了满足现代化检测 的要求，系统研制了一套便携式、多功能、适合现场检测和监控的嵌入式光电检测系统。 嵌入式操作系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机 系统。它通常是更大系统的一部分。与一般意义的计算机操作系统相比，它占用空间小、 执行效率高、方便个性化定制和软件固化存储，这些优点使基于嵌入式光电检测系统的检 测仪体积小，重量轻，方便携带：嵌入式系统还具有软硬件可移植性、可裁剪性的特性， 用户可根据自己的需要选用相应的组件，这样的光电检测系统无论在性能上还是稳定性上 都远远超过了原有的系统，同时其实现的功能也多，并且有利于以后系统的升级【4 l 。 1 3 国内外发展现状 在光电检测技术研发和产业上，美国、日本和德国走在了世界前列p j 。它们各有所长， 其中美国和日本两国比较来看。光电检测技术主要方面的突破产生于美国，在研发上走在 世界的前列，市面上一些常用的光电检测器如p f 系列智能电量测量仪，电子镇流器，常用 测光和测色仪器，l e d 专用测试仪等最权威的检测标准都由美国国际认证实验室制定【6 l ， 而光电检测产业的形成在日本，这主要是日本注重生产技术和家用市场的开发。日本曾在 半导体激光器、激光打印机、液晶显示器、光盘产业等方面在世界上处于垄断地位 6 1 。 由于光电子器件是信息光电技术、也是光电检测技术的核心和关键，1 9 8 6 年经中央批 准的8 6 3 计划中将光电子器件及其检测技术选为信息领域的三大主题之一。经过十多年的 发展，我国大陆的光电检测技术在材料、器件、工艺和应用等方面都有很大提高，并取得 了一些高水平的研究成果1 7 j 。 目前，国内光电检测技术方面做得最好的是中国科学院嗍。它研制开发的产品涉及核电、 微电子、铁路系统自动化检测等多个领域。特别是在核电技术和铁路检测技术研究方面建 立了较完善的技术平台，为该领域技术持续稳定发展奠定了良好的研究基础。在核电检测 领域，经过多年的技术开发与创新，其产品基本保持了在国内核电站的光电检测设备研发 的优势，成为核电站专用检测设备的合格供应商。先后为大亚湾核电站、岭澳核电站和核 电秦山二期提供了多型号数十台的光电检测设备和相关技术服务：在铁路自动化检测领域， 利用在光电检测技术方面的优势，开发了铁路系统自动光电检测设备。其他如微电子、工 业自动化控制等领域，中国科学院在国内将继续发挥光电澳i 控技术的优势，不断拓宽其研 究领域【9 】。 同时，我国还培养了一批高水平光电检测技术的研究开发骨干队伍，形成了较完整的 配套研究开发及生产体系，包括中科院半导体所、信息产业部武汉邮电科学研究院、信息 2 第一章引育 产业部电子1 3 所、信息产业部电子4 4 所、中科院长春光机所、清华大学、北京大学、天 津大学、东南大学、南开大学、华中科技大学等科研院所，这些科研骨干力量对国内光电 检测、乃至整个光电产业的形成和整体实力的加强发挥了重要作用【l o j 。尽管近年来我国光 电检测技术有较快的发展，研究开发力量也有所增强，在光通信和国防应用方面，光电检 测技术取得了较大成绩，但是在研究开发成果转化方面与国外的差距还很大【1 1 1 。 1 4 本文的创新和特色之处 1 、采用嵌入式设计了光电检测系统。 嵌入式操作系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机 系统。它通常是更大系统的一部分。与一般意义的计算机操作系统相比，它有占用空间小、 执行效率高、方便进行个性化定制和软件固化存储等优点川。嵌入式光电检测系统无论在性 能上还是稳定性上都远远超过了原有的系统，同时还可以实现更多的功能，并且有利于以 后系统的升级。目前国内成型的基于嵌入式的光电检测系统还不多见。 2 、针对微弱光电信号的检测，系统设计了一种多通道双光路信号采集电路。 所谓的多通道双光路是指本系统可以最多采集8 路信号，并且每个通道具有两个光路： 一路是信号光( 经过被澳4 对象携载信息的光电流) ，一路是参考光( 光源直接输出的光电流) 。 采用参考光的目的是为了消除光源噪声和环境噪声，提高微弱信号的检测精度。 第二章光电检测系统的理论基础 第二章光电检测系统的理论基础 2 1 引言 所谓光电检测系统，是指对待测光学量或由非光学带测量转换成的光学量，通过光电 变换、电路处理以及后期数据分析等后，能够完成某种特定检测工作的系统。通常，它由 三部分组成：光源( 发射光学系统) 、接受系统及传输场组成。 光源是光电检测系统中不可缺少的一部分。在系统中可以按实际需要选择具有一定辐 射功率、一定光谱范围和一定发光空间分布的光源，以此发出的光束作为携带待测信息的 物质。有时光源本身就是待测对象，这里的光源是广义的，可以是人工光源也可以是自 然光源：传输场是光传播的介质，如大气、水、光波导等，要考虑衰减系数、背景噪声等 因素。接受系统的功能是实现光信号到电信号的转换，而光电探测器是接受系统中的核心 部件光电探测系统的探测能力及探测精度很大程度上依赖于光电探测器的性能。 2 2 光电探测器的原理与分类 光电探测器是光电探测系统的核心部分之一，其性能直接决定了系统的应用范围和检 测效果。光电探测器的种类很多，且随着材料科学等领域的快速发展，新的器件不断出现， 但根据探测机理的物理效应，大体可以分为两大类：一类是利用各种光子效应的光子探测 器：另一类是利用温度变化效应的热探测器。 2 2 1 光电探测器的物理效应 光电探测器作为把光量信号转换为电量信号的器件，常用的光电探测器有光电导型探 测器、光伏型探测器、光发射探测器以及热敏电阻，利用的基本物理效应是光子效应和光 热效应”q 。 1 、光子效应探测器材料吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子分布状态的改 变，对外宏观的表现为材料电量参数的变化。称为光子效应。光子效应又分为外光电效应 和内光电效应： a 外光电效应金属氧化物或半导体材料在吸收了足够多的光子后，其束缚能级上的 电子( 即光电子) 逸山表面发射到“真空”中而形成自由电子，此效应称为外光电效应即光 电发射效应。其能量关系由爱因斯坦方程描述，e k - h v e 甲，e k 是光电子离开发射体表面 的动能，h v 是光子能量e 币是光电发射体的功函数。真空光电二极管，光电倍增管就是 基于此效应而制作的光电探测器； b 内光电效应在光照物体时，光电子不逸出体外的光电效应称为内光电效应。内光电 效应又分为光电导效应和光伏效应。 4 第二章光电检测系统的理论基础 光电导效应：半导体材料中的束缚电子在吸收能量足够大的光子转换成自由电子( 或自 由空穴，或两者同时存在) ，从而引起材料电导率的变化，光电导探测器即利用此效应制作 而成。 光伏效应：在半导体材料内部p - n 结零偏的条件下，如用光照射p 区或n 区，只要照 射光的频率满足一定条件，就会激发出电子一空穴对，在结区会产生开路电压的效应，称 为光伏效应。这就是光电池的制作原理。当p n 结工作在反偏状态下时，根据光伏效应就 会产生光电流，这便是光电二极管的工作原理。 2 、光热效应光热效应与光子效应完全不同，光热效应是探测元件吸收光能引起探测 器温度升高，引起材料的电学特性发生变化。但光熟效应不象光子效应那样对光波频率具 有很严格的选择性，它对可见光到远红外的各种波长的辐射都有同样的灵敏度。热释电探 测器热敏电阻等都属于利用光热效应的探测器。 2 2 2 光电探测器的种类 光电子发射探测器利用光电子发射效应的探测器称为光电子探测器，其中包括真空 光电管、充气光电管和光电倍增管等。它们的响应波长只扩展到1 2 5l im ，只适合于近红 外的探测，因此在红外系统中应用不多 光电导探测器光电导是应用最广的光电子效应。入射辐射与晶格原子或杂质原子的 束缚电子相互作用，产生自由电子空穴对( 本征光电导) 、自由电子或空穴( 非本征 光电导) ，从而使半导体材料的电导增加。光子所激发的载流子仍保留在材料内部，所以 光电导是一种内光电效应。本征光电导需要光子激发出电子一空穴对光子的能量至少要 和禁带宽度一样，因此基本要求是 h v _ e k ( 2 - 1 ) 所以本征光电导的长波极限如是 o = h c e k ( 2 2 ) 波氏大于的辐射不可能产生本征光电导。当能带间隙用e v 作单位时，本征光电导 效应的长波限( 以m 为单位) 的简便表达式为 = 1 2 4 e v ( 2 - 3 ) 当入射光子没有足够能量产生自由电子一空穴对但能激发杂质中心时，激发产生的电 子( n 型半导体) 或自由空穴( p 型半导体) ，便形成非本征光电导或称杂质光电导。非本 征光电导的长波限是 拧124ei(2-4) 式中e i 是杂质电离能。 光伏探测器光伏效应是另一种应用广泛的内光电效应，是半导体受光照射产生电动 第二章光电检测系统的理论基础 势的现象。它与光电导效应不同之处在于需要一种将正、负载流子在空间上分离的机制一 一内部势全。虽然非本征光伏效应也是可能的但几乎所有实用的光伏探测器都采用本征 的光伏效应。通常用p n 结来实现这种效应。除了上述简单的结型探测器外，常用的还有 雪崩光电二极管、p i n 结光电二极管、肖特基势垒光电二极管等。 光电磁探测器用磁场也可以将光生正负载流子分离。将半导体样品置于磁场中，磁 场方向既与光辐射入射方向垂直，又与样品材料上两电极连线方向垂直。能量足够的光子 入射到半导体样品上，通过本征吸收丽产生电子空穴对。由于材料吸收作用，光强随着 进入材料的深度呈指数下降，所以杂质半导体样品内形成光生载流子浓度梯度。在扩散过 程中切割磁力线，在洛伦兹力的作用了，样品两端积累电荷，从而建立一个电场。 2 3 光电探测器的性能参数 光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关，影响其工作性能的主要参数有： 辐射源的光谱分布很多光电探测器，特别是光子探测器。其响应是辐射波长的函数， 仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。因此在说明探测器性能时，一般需要给出测定 性能时所用辐射源的光谱分布。 电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能，噪声电压或电流均正比干带 宽的平方根，而且有些噪声还是频率的函数，所以在说明探测器性能时，一般需要明确通 频带和带宽。 工作温度很多光电探测器，特别是用半导体材料制成的探测器，无论是信号还是噪 声，都和工作温度有关，所以必须明确工作温度。 光敏面尺寸探测器的信号和噪声都和光敏面积有关，大部分探测器的信噪比与光敏 面积的平方根成比例，参考面积一般为1 e m 2 。 偏置情况大多数探测器需要某种形式的偏置，信号和噪声往往与偏置有关。 2 3 1 有关响应方面的性能参数 响应度响应度是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测器输出信号与输入辐射之间 关系的参数。定义为光电探测器的输出均方根电压v s 或均方根电流i 。与入射到光电探测 器上的平均光功率之比，并分别用r v 和r i 记之，即 r v = v s p( v ，w )( 2 5 ) r i = i s p(aw)(2-6) 在可见光波段，光电探测器的响应度又称其为灵敏度，并分为单色灵敏度和积分灵敏 度。 单色灵敏度：单色灵敏度又称光谱响应度，用风表示，是光电探测器的输出电压或出 电流与入射到探测器上的单色辐射通量( 光通量) 之比。即 6 第二章光电检测系统的理论基础 r x v = v s o ( x ) ( v w ) ( 2 - 7 ) r u = i s o ( 九) ( a w )( 2 - 8 ) 式中中( x ) 为入射单色辐射通量或光通量，如果o ( x ) 为光通量，则单位为w l m 和a l m 。 积分响应度：积分响应度表示探测器对连续辐射光通量的反应程度。光电探测器的输 出电压或输出电流与入射到探测器上的总光通量之比。 响应时间响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。即当入射辐 射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的 值所需时间称为响应时间。为衡量其长短常用时间常数t 的大小来表示。当用一个辐射 脉冲照射光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方波，则光电探测器的输 出由于惰性而有延迟，把从1 0 上升到9 0 矧峰值输出所需的时间称为探测器的上升时间， 而把从9 0 下降到1 0 处所需的时间称为下降时间。 频率响应由于光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射 的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。光电探测器的响应随入射辐射的调制频率 而变化的特性称为频率响应。利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调制频率 的关系，其表达式为 r ( f ) = r o ，【1 + ( 2 f r ) zr( 2 - 9 ) 式中r ( f ) 为频率为f 时的响应度：r 0 为频率是零时的响应度；t 为时间常数( 等于 r c ) 。当r ( f ) r 0 = o 7 0 7 时，可得放大器的上限截止频率 f = 1 2 m = l ，2 u r c( 2 1 0 ) 显然，时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽。 2 3 2 有关噪声方面的性能参数 信噪比( s n ) 信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻r l 上产生的 信号功率与噪声功率之比，即 s n ；p s p n ；1 2s r t 1 2 n r l = 1 2s 1 2 n ( 2 - 1 1 ) 若用分贝表示 ( s n ) d b = 1 0 l g ( 1 2s 1 2 n ) = 2 0 1 9 ， ( 2 - 1 2 ) 利用s i n 评价两种光电探测器性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较 但对单个光电探测器，其s i n 的大小与入射信号辐射功率及接收面积相关。如果入射辐射 强，接收面积大，s i n 就大，但性能不一定好。因此用s n 评价器件有一定的局限性。 等效噪声输入( e n j ) 它定义为器件在特定带宽内( 1 h z ) 产生的均方根信号电流恰 好等于均方根噪声电流值时的输入通量，此时，其他参数，如频率温度等应加以归定。这 7 第二章光电检测系统的理论基础 个参数是在确定光电探测器件的探测极限时使用。 噪声等效功率( n e p ) 或称最小可探测功率p _ l i j n 。它定义为信号功率与噪声功率之比 为1 ( 即s n = i ) 时，入射到探测器上的辐射通量( 单位为瓦) 。即 n e p = o e ( s n ) ( 2 1 3 ) n e p 在e n i 单位为瓦时与之等效。一般一个良好的探测器件的n e p 约为1 0 ”w 。 探测率d 与比探测率d 只j h j n e p 无法比较两个不同光源的光探测器的优劣。因此才 用探测率d 与比探测率d 。探测率d 定义为n e p 的倒数，即d = i n e p = ( v s v n ) ，p ( w ) 它描述的特性是：光电探测器在它的噪声电子之上产生一个可观测的电信号的本领， 即光电探测器能响应的入射光功率越小，则其探测率越高。但仅根据探测率d 还不能比较 不同的光敏面探测器的优劣，因此，将探测率d 进行归一化到测量带宽为i h z 、光电探测 器光敏面积为l c m 2 。这样就方便比较不同测量带宽、对不同光敏面积的光电探测器的比较。 这就是比探测率d 。 暗电流i d 即光电探测器在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流( 加电源时) ，一般 测量其直流值或平均值。 2 3 3 其它参数 量子效率q 量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数，它是在某一特定波长上每 秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。 线性度线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线 性关系的程度。即在规定的范围内探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能。 2 4 光电检测器件的选取 2 , 4 1 常用的光电检测器 目前，光电检测技术中常用到的一些光电检测器件有光电倍增管、雪崩二极管、光电 二极管、光电三极管、p i n 、光敏电阻、光敏电池以及c c d 阵列等一些半导体器件【1 4 j 。下 面对其分别作简要介绍。 p n 光电二级管一个未加电压的p n 结是一个不可移动的带正、负电荷的离子组成的 耗尽层，当i i f e g 的光子照射p n 结时，则由光生载流子产生。这些光生载流子存在长短 不同的时间后，又会因复合而消失。但是，势垒区两边产生的载流子中总有一部分能在复 台前扩散到势垒区的边界，其中少子在内建电场的作用下漂移到对方区域，多子则受势全 区电场排斥而留在本区。势全区内产生的光生电子和空穴一经产生就分别扫向n 区和p 区， 结果，在p 区出现过多空穴的积累，在n 区出现了过剩电子的积累，则产生了一个光生电 动势。当p n 结短路时n 区光生电子会全部流出和p 区的光生空穴复合，产生一短路电 流，光照下p n 结的理想伏安特性可写为： 第二章光电检测系统的理论基础 1 = i o 【e x p ( q v k t ) 一l 】一i l 式中，v 为包括外电压和光电压的实际结电压， 生电流，正比与入射辐射功率并与结电压无关。 ( 2 - 1 4 ) i o 为与光照无关的反向饱和电流，i l 为光 p i n 光电二级管前面讨论的扩散型p n 结光电二极管，由于它的响应时间主要取决于 p n 结两侧的光生少数载流子扩散到结区所需的时间，这影响了这种二极管的应用能力， 特别是在长波波段的响应速度。因此工艺上采取如下措旅：将n 层做成轻掺杂，使耗尽层 变宽、这种掺杂很轻的1 1 层称作本征i 层：另外。为了制成低电阻的接触，在i 层的两端 再做成重掺杂的p 层和n 层，并且它们的宽度很窄。这就是p i n 光电二极管。只要适当控 制本征层厚度，使它近似等于反偏压下耗尽层宽度就可使响应波长范围和响应频率得到 改善。p i n 管中的本征层对提高器件灵敏度和频率的响应起着十分重要的作用。因为本征 层相对于p 区和n 区是高阻区反向偏压主要集中在这一区域，形成高电场。高电阻使暗 电流明显减小，本征层的引入加大了耗尽展区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而使 灵敏度得以提高。 雪崩型光电二极管在要求响应迅速，灵敏度高的场合，往往选用雪崩型光电二极管。 雪崩型光电二极管是具有自身电流放大作用的内光电效应的光伏器件。在光电二极管的p - n 结上加上相当高的反向偏压使结区产生很强的电场。光照p n 结产生的电子一空穴对进 入强场区时，在强电场中受到加速后获得足够的动能。致使他们与晶格原子发生碰撞，把 价键上的电子碰撞出来而成为导电屯子，导电电子再发生新的碰撞，如此发生联锁反应， 使得初始的光生载流子得以雪崩式的递增，从而获得电流放大。 光电倍增管是一种真空光电器件，它主要由光入射窗口、光电阴极、电子光学系统、 倍增极和阳极组成。它的工作原理是： 光子透过入射窗口入射在光电阴极上； 光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中； 光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极上，倍增极将发射出比入 射电子数目更多的二次电子。入射电子经n 级倍增极倍增后，光电子就放大n 次： 经过倍增管后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极光电流，在负载上产生信号电压。 收集的阳极电子流一般相当于阴极发射的电子流的1 0 6 _ 1 0 1 倍，这就是真空光电倍增 管道电子倍增原理。由于电子的 勺倍增作用，与外增益器件相比，光电倍增管具有噪 声低、响应快等特点。 光电三极管利用雪崩效应可获得具有屯流内增益的a p d ，而利用一般晶体管电流放 大原理，可得到另一种具有电流内增益的光伏探测器即光电三极管。光电三级管是用s i 或g e 单晶制成的品体管，分n p n 和p n p 两种结构形式。用硅材料作时，n p n 结构为3 d u 型，p n p 结构为3 c u 型。它不仅能和光电二极管一样，把入射光信号变成光电信号输出， 9 第二章光电检测系统的理论基础 同时还能把光电流进行放大。 c c d 阵列探钡器c c d 是电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 的简称。构成c c d 的基本单元是m o s 电容器。一系列彼此非常靠近的m o s 电容用一半导体衬底制成，村底 可以用p 型或n 型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘且距 离极小的金属化电极( 或称栅极) 。一个c c d 的基本结构包括转移电极结构、转移沟道 结构、信号输入结构、输出结构和信号检测结构c c d 输出结构是将c c d 传输和处理的 信号电荷变换为电流或电压信号输出。c c d 阵列按排列方式不同可分为线阵列和面阵列两 类。 2 4 2 本系统光电器件的选取 常用的光电器件的性能参数如下表2 - 1 所示i i q 表2 - 1 光电检测器件的性能参数 时间 噪声 劳趱 光谱和光电特性电特性环境特性 价 特性 特性 光谱响应 灵敏线性 伏安 外加暗输出 面温度长期 td体积格 器佯度度特性电压 电流 电流 积特性 稳定 从紫外很 光电倍增管 很高 很好 饱和型 很高小小小报高大很大高好 到红外高 可见光 光敏电阻 高 很差电阻型高 很大 大很大 低小 小低一般低 到红外 可见光 不 光电池低一般光伏型很大 最大大低小小低一般低 到红外需要 可见光光伏型 最 光屯二级管一般 好低小 小很小 高小很小 高最好 到红外饱和型 低 可见光 p l n 一般 好 饱和型 低小 小很小高 小很小高好低 到红外 可见光 光电三级管高差饱和型低大大大低 大 小低差低 到近红外 从表l 可知p i n 光电二极管是较理想的选择，它的光谱响应范围可以满足此系统的需 求，它具有较好的线性特性、外加电压小、暗屯流小、体积小、稳定性好以及价格低等一 些优点，它的输出电流小，光敏面积小，可以通过设计前置放大电路以及装光学器材来增 大其受光面积。虽然p n 光电二极管稳定性最好、价格最低。但是，由于p i n 光电二级管 因有较厚的i 层又工作在反偏，使得其与p n 结型光电二级管相比具有以下优点i l6 j ： 随着工作反偏电压的增大，结电容变小，从而提高了p i n 光电二级管的频率响应( p i n 1 0 第二章光电检测系统的理论基础 光电二极管的结电容一般为零点几到几个微微法，响应时1 卜1 3 l l s ，最高可达0 i n s 。) ； 结区耗尽层增厚，提高了光的吸收和光电变换区域，提高了量子效率； 增加了对长波的吸收，提高了长波的灵敏度，其响应波长范围可达o 4 o 1um 。 线性输出范围变宽。 总的说来，p i n 光电二极管具有响应速度快、灵敏度高、长波响应率大的优点。而且 由于其响应时间小于1o 8s ，恰恰满足了光纤系统对光电探测器的要求l l ”。这样采用p i n 光电二极管作为系统的光电检测器件，可使系统实用范围大大增加。 2 5p i n 光电探测器 p i n 光电二极管的结构 p l n 光电二极管又称快速光电二极管与普通光电二极管 不同的是在结构上，它的结构上是在p 型和n 型半导体之间夹 着一层较厚的本征半导体。它是用高阻n 型硅片做i 层，然后 在它的两面抛光，再在两面分别作n + 和p + 杂质扩散，在两面 制成欧姆接触而得到p i n 光电二极管。它的结构框图如2 - 1 图 所示。 p i n 光电二极管的工作原理 图2 - ip i n 光电二极 管的结构示意图 在原理上和普通= 极管一样，都是基于p - n 结的光电效应工作的。当p i n 光电二极管 器件受光照射时，流过p n 结的电流有光电流i p 和光生电压作用下的正向电流i d ，这两部 分电流相反，流经p n 结外回路的总电流为： i = i s ( e “一1 ) 一i p ( 2 1 5 ) i s 是光生电压下的正向电流的饱和值，e 是电子电荷常数，u 是探测器两端电压，k 是 波耳滋曼常数，t 是绝对温度。而光电流i p 正比于探测器上吸收的光功率p s i p = “q ，1 1 v ) p 。( 2 - 1 6 ) 口n 结光伏探测器伏安特性曲线如图2 - 2 所示，当探测器处于反偏状态时，相对于无光 照的曲线按比例向下平移，光电流越大，光照曲线向下平移越多。 i i p 2 ) p 1 无光照 一 、一 o l ，一一 弋。f 一 r 有光e 皿 p 2 图2 - 2 光电二极管i - v 特性曲线 z - - 象限9p - n 结加正向偏压的情况，此时p - n 结暗电流i d 远大于光生电流i p ，探测 器工作在此象限内是没有意义的：在第三象限，p - n 结处于反偏压状态此时暗电流i d l s o ( 反 向饱和电流) ，值很小，远小于光生电流i p ，故此时探测器总回路的电流l = i p + l s o = i p ，称此 区域为光导工作模式，也是光电二极管探测器常用的工作模式。其等效电路及光导模式如 图2 - 3 ( a ) ( b ) 所示： 图2 - 3 ( a ) 光电二极管等效电路 器 i ( b ) 光电二极管光导模式 光电二极管探测器可用一个两端口网络来等效，可视为普通二极管( 包括暗电流i n ，结 电阻r d 和结电容c d ) 和恒流源( 光电流) i p 的并联。根据不同探测器r d 的取值，设计相应 的低噪声前置放大器探测器的内阻将远远大于负载电阻在光导模式中相当于恒流源 其响应时间的主要影响因素是光生载流予在电场作用下的漂移过节的扩散时间t c 和二 极管与接受电路的时间常数t = r * c d o 通常t c - 2 4 4 u s ： 一个或多个输入的b u r s t 转换模式； 可选择由输入跳变或定时器匹配信号触发转换描述： 4 5 电源及复位电路 4 5 1 电源电路 本系统要利用到3 组电源口9 】：外围电路供电电源为5 v ，l p c 2 1 1 4 使用两组电源，分 别是f o 口电源3 3 v 和内核及片内外供电电源1 8 v 。系统供电顺序如图所示：首先，由 电源接口输入9 v 直流电源，二级管d 2 防止电源反接，经过c l 、c 3 滤波，然后通过7 8 m 0 5 将电源稳压至5 v ，再使用l d o 芯片( 低压差电源芯片) 稳压输出3 3 v 及1 8 v 电压。7 8 m 0 5 电源电路和s p x l l l 7 m 3 1 8 和s p x l l l 7 m 3 - 3 3 电路分别如图4 - 3 和图4 - 4 所示。 第四章智能光电检测系统的设计 图4 37 8 m 0 5 电源电路 圈4 - 4s p x l l l 7 m 3 1 8 和s p x l l l 7 m 3 - 3 3 电路 l d o 芯片采用了s p x l l l 7 m 3 - 1 8 和s p x l l l 7 m 3 3 3 其特点为输出电流大，输出电 源精度高，稳定性好。s p x l l l 7 系列l d o 芯片输出电流可达8 0 0 m a ，输出电源的精度在 】以内，还具有电流跟制和热保护功能。图中，其输出端有一个至少1 0 灯的电容。来 改善瞬态响应和稳定性。 4 5 2 复位电路 由于a r m 芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源瞬态响应性 能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。复位电路使用了 专用微处理器电源监控芯片m a x 7 0 8 s d ，电路如图4 5 所示。 wt慨0i堂亨 第四章智能光电检测系统的设计 图4 - 5 系统复位电路 图中，信号n r s t 连接到l p c 2 1 1 4 芯片的复位脚r e s t ，信号n t r s t 连接到l p c 2 1 1 4 芯片内部j t a g 接口电路复位脚t r s t 。当复位按键r s t 按下时，m a x 7 0 8 s d 立即输出复 位信号，其引脚r s t 输出低电平导致7 4 h c l 2 5 c 、7 4 h c l 2 5 d 导通，信号n r s t 、n t r s t 将输出低电平使系统复位。平时m a x 7 8 0 s d 的r s t 输出高电平，7 4 h c l 2 5 c 、7 4 h c l 2 5 d 截止，由上拉电阻r 4 、r 5 将信号n r s t 、n t r s t 上拉为高电平，系统可正常运行或进行 j t a g 仿真调试。 4 6 1 2 c 接口 1 2 c 总线是p h i l i p s 公司推出，广泛应用在微电子通信控制领域的一种新型总线标准。 它具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中， 可以有多个1 2 c 总线器件同时接到1 2 c 总线上，通过地址来识别通信对象口“。 1 2 c 接口特性： 标准的1 2 c 总线接口； 可配置为主机、从机、或主从机： 可编程时钟可实现通用速率控制： 多主机总线( 无中央主机) ： 同时发送的主机之问进行仲裁避免了总线数据的冲突； i c 接口引脚描述： f 引脚名称类型描述 is d a 输入，输出串行数据：1 2 c 数据输入和输出相关端口为开漏输出以符合1 2 c 规范 f s c l输入，输出串行时钟t1 2 c 时钟输入和输出相关端口为开漏输出以符合1 2 c 规范 4 , 6 1 本系统1 2 c 总线的应用 微控制器l p c 2 11 4 具有标准的硬件1 2 c 接e l ，总线时钟速率可调整，可支持4 0 0 k h z 第四章智能光电检测系统的设计 总线速率。使用1 2 c 总线时，要将p 0 2 、p 0 3 连接设置选择s c l 、s d a 。并且总线上要两 个上拉电阻，阻值大小如i k - 5 k 。 主机l p c 2 1 1 4 的1 2 c 总线的典型应用电路原理如图4 - 6 所示。根据方向位( r w ) 状 态的不同，1 2 c 总线上存在以下两种类型的数据传输： 主发送器向从接收器发送数据，即主发送，数据传输方向是由主到从。主机发送的第 一个字节是从机地址，接下来是数据字节流。从机每接收一个字节返回一个应答位；从发 送器向主接收器发送数据，即主接收，数据传输方向是由从到主。第一个字节( 从地址) 由主机发送，然后从机返回一个应答位接下来从机向主机发送数据字节。主机每接收一 个字节返回一个应答位，接收完最后一个字节，主机返回一个“非应答位”。当主机产生起 始条件或重新起始条件，发送从机寻址字节( 从机地址+ 读写操作位) 之后，即开始一次 串行数据发送，接收。当出现停止条件时此次数据传输结束。 1 2 c 总线审砷申邸露 fjiii s d as ( l e 】三f r o m键盘 l p c 2 1 1 4( c a t 2 4 w o 吆)( 丑届7 2 9 0 ) 图4 - 6 1 2 c 应用电路原理图 4 6 2 系统使用的1 2 c 器件 本系统所用的1 2 c 器件有e e p r o m 器件c a t 2 4 w c 0 2 和键盘z l g 7 2 9 0 ，完成软件配 置数据保存和键盘等功能。 4 6 2 1e e p r o m 器件c a t 2 4 w c 0 2 c a t 2 4 w c 0 2 是一个2 k 位( 2 5 6 8 字节) 串行c m o se 2 p r o m ，c a t a l y s t 公司 的先进c m o s 技术实质上减少了器件的功耗c a t 2 4 w c 0 2 有一个1 6 字节页写缓冲器该器 件通过1 2 c 总线接口进行操作有一个专门的写保护功能。 第四章智能光电检测系统的设计 管脚描述： 引脚功能描述 a 0 、a l 、a 2 器件地址选择 s d a串行数据，地址 s c l串行时钟 v c c + 1 8 v 、6 0 v 工作电压 w p 写保护 g n d ( 或v s s ) 电源地 功能描述： c a t 2 4 w c 0 2 支持1 2 c 总线数据传送协议。1 2 c 总线协议规定任何将数据传送到总线 的器件作为发送器：任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和 所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主