【正文】 數(shù)據(jù)的高 8 位讀進 單片機內(nèi) ，然后再將低 4 位讀進 單片機 。轉(zhuǎn)換完成 后重新 回到低電平。 其引腳如圖 414 所示 ： 1Vcc10REFIN9ANGND12BPLRof1310Vspn1420Vspn8REFout7+Vs11VslsbDB016DB117DB218DB319DB420DB521DB622DB723DB824DB925DB1026STATUS28CE6A0/SC4CS3msb1127R/C512/82AD574 圖 414 AD574 引腳圖 AD574 共有 6 個控制引腳： CS 、 CE 片選信號 和 片啟動 信號 。但是 Q 值太高，濾波器的性能 就 不穩(wěn)定。此時 的 衰減率為 sV / 4?? ， 捕獲誤差在 % 范圍內(nèi)，捕獲時間為 300181。 背景干擾及暗電流消除 消除背景干擾和暗電流可以考慮從光路 、 電路兩個方面 來處理 。 此處 選用 OP07 運放，其開環(huán)單位增益帶寬 1? =，差模輸入阻抗?? mZi 50 ，又 ?? kRd 50 ， pFCd 1200? ， di RZ ?? 。 （ 4）環(huán)境溫度 對 PSD 的 影響 溫度 的變大導(dǎo)致器件 暗電流的增大，暗電流的存在 導(dǎo)致 誤差和噪聲 的產(chǎn)生 ，而且 不利于 背景光 的 產(chǎn)生。 PSD 器件的光譜響應(yīng)一般 為 300— 1100nm 之間 ， 而其 峰值響應(yīng)波長 大約 在900nm 左右。由于 P 區(qū)摻雜濃度遠大于 N 區(qū)， 這樣導(dǎo)致 P 區(qū)的電導(dǎo)率 也會 遠大于 N 區(qū)，因此， P 區(qū)的空穴 將會 由 M 點迅速擴散到整個 P 區(qū)， 可以將整個 P 區(qū)看成 等電位。當(dāng)光線如圖 31 所示的情況入射，那么兩種液體折射率之差 △ n與光線偏移量 d 之間存在下列關(guān)系 kdnnnn ???????? 2/c o t 20 ? (31) 其中， Ω 為光線出射角， θ 為光線入射角 ， k 為與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。 （ 1） 鈉光燈 鈉光燈工作時，在可見光區(qū)域發(fā)射處兩條極強的黃色譜線，通常取 作為 鈉光燈光線 的參考波長 。然而，這些技術(shù)都需要復(fù)雜和昂貴的實驗裝置，不能用于流動液體濃度的檢測。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 位置敏感探測器 (PSD)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 半導(dǎo)體位置敏感器件 中 分 一維 PSD 和 二維 PSD。15 背景干擾及暗電流消除 10 PSD 的主要性能參數(shù) I ABSTRACT 畢業(yè)論文 基于 PSD 濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計與分析 學(xué) 院 ： 專 業(yè) ： 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號 ： 指導(dǎo)教師 ： 摘 要 I 摘 要 目前，實時液體濃度檢測技術(shù)相對來說還比較落后，因此研究新型的液體濃度檢測系統(tǒng)具有 十分重要的意義。II 目 錄 24 AD574 芯片及其接口 35 第八章 系統(tǒng)誤差分析 本檢測系統(tǒng) 應(yīng)用高精度的 PSD 作為 信號 接收器，有效解決 了 光線偏離 而 產(chǎn)生的誤差 ， 使用比較簡單的光學(xué)系統(tǒng)和電子電路便可以非常穩(wěn)定地檢測液體的濃度，大大節(jié) 約 成本，并且由于 PSD 只對光斑能量中心敏感，因而對光源的變化影響可忽略不計，降低了對準(zhǔn)直聚焦光學(xué)系統(tǒng)的要求， 這 更具現(xiàn)實意義。國內(nèi)已報道的 有 ：浮力法、靜壓法、折光法、振動法、同位素法、勢力學(xué)法等。而 選擇的要求是單色性好、方向性好、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小 且耐用 、使用方便 且便宜 等。 圖 31 液體濃度檢測的基本原理圖 水槽分為兩部分，一部分裝蒸餾水，另一部分 裝 待測液體，中間用一塊傾斜的光學(xué)透射窗隔 離 開，這樣，光線的折射角度就會隨兩部分液體折射率差值的變化而不同。但 若 是入射光僅集中照射在 PN 結(jié)光敏 面上某一點 M， 之后 產(chǎn)生的電子 、 空穴 會 集中在 該 點 M 上 。 （ 1） 光譜響應(yīng)特性 PSD 器件的 光譜響應(yīng)特性 ，表示 PSD 的響應(yīng)靈敏度 和 光波 的 波長間的關(guān)系。因此 PSD 在使用時加上 10V 左右的反偏電壓 后 ， 會使 PSD 的暗電流也有所增加。當(dāng)前置 濾波 器的高頻 穩(wěn)定性由傳遞函數(shù)在復(fù)平面上兩個極點P1， P2 的相位差 Ψ 來表示，則 ?60?? 時前置 濾波 器穩(wěn)定， FC 須滿足 此 條件： 1?FPSDF RCC ? （ 412） 1? —是前置 濾波 器的開環(huán)單位增益帶寬。因此 ,AD538 具有其它同類產(chǎn)品所不具備的特殊優(yōu)點 ,PSD 器件的坐標(biāo)處理電路是由 AD538 模擬除法器構(gòu)成的。隨著電容的增大，衰減率 不斷 降 低 ，為了獲得 更 小的衰減率， 應(yīng) 選擇大電容，取Ch=。保持各個電阻和電容的對稱關(guān)系，可以是對應(yīng) 頻率 ZHf 500 ? 的信號互相抵消，陷波器的參數(shù)關(guān)系式為 RCf 10? (415) )1(4 1kQ ?? (416) k 值決定阻帶寬度， k 越大， Q 越高，頻率選擇性越好。 AD574A 的 主要 性能指標(biāo) 如下： 第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計 26 （ 1）分辨率： 12 位 ， 非線性 誤差：小于 LBS2/1? 或 LBS1? （ 2）轉(zhuǎn)換速率：最大 35 s? ，適 用于 轉(zhuǎn)換速率低于 30 SKb/ 的領(lǐng) 域 （ 3）模擬電壓輸入范圍： 1~0V 和 1~20V， 0~ 5? V 和 0~ 10? V 共 四種 （ 4） 芯片工作 模 式： 分 全速工作模式 和單一工作模 式 兩種 （ 6） 數(shù)據(jù) 輸出 格式： 12 位 /8 位 。 開始 轉(zhuǎn)換時， STS 會 達到 高電平并在 轉(zhuǎn)換過程中 一直 保持高電平。這里不管 AD574 A 是處在啟動、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果， 使能端 CE都必須為 1，因此將 單 片機 的寫控制線 WR 和讀控制線 RD 通過 74LS00 與非門 與AD574 A 的 使能端 CE 相連。 AC、 DC 模擬、數(shù)字公共端。通常 我們把 A/D轉(zhuǎn)換器及其接口稱為模擬量輸入通道。 PSD 輸出 的信號 為微弱 電流 信號 ， 在惡劣的 環(huán)境中， 工頻干擾耦合 在 被放大 后 會將信號 掩蓋 。 采樣保持器 將由外觸發(fā)電路提供 采樣保持信號， 在 點亮光源前 ， 通過人工手動 啟動 采樣干擾電平 。低輸入 /輸出偏移電壓和優(yōu)異的線性性能的結(jié)合 ,使其可在一個非常寬的輸入動態(tài)范圍內(nèi)進行精確的運算。 PSD 光電流流過 RF 反饋電阻，反饋電容 CF 控制增益峰值， 其值 大小 由 PSD 結(jié)電容Cd 決定 。 （ 2） 入射光點的中心位置 PSD 的位置輸出只與入射光點的中心位置有關(guān)，而與光點尺寸無關(guān)。而當(dāng)入射光強度 固定 時，單個電極的輸出電流與入射光點距 PSD 中心的距離 x 呈線性關(guān)系。一維可以測定光點的一維位置坐標(biāo)，而二維可以檢測出光點的平面二維位置坐標(biāo)。本系統(tǒng)使用 HTL67T05 型輸出基橫模量子阱 半導(dǎo)體 激光器。最大相當(dāng)于 20 度氯化鈉溶液的 90%的濃度精度。 比重法， 雖然 方便，但在工業(yè)濃度檢測中，常需檢測大槽或大池中的不同深度處的溶液濃度，由于比重計采用浮力原理，它只能檢測上層表面的溶液濃度，無法適應(yīng)工業(yè)檢測 的 需 求 。42 第一章 緒論 1 第一章 緒論 液 體 濃度測量在工業(yè)中占有 非常 重要的地位。23 電源電路設(shè)計 12 影響 PSD 性能的因素 10 半導(dǎo)體位置敏感器件 PSD 本系統(tǒng) 主要由半導(dǎo)體激光器、 雙隔離窗 光學(xué)系統(tǒng)、 PSD 信號處理電路、基于 8051 單片機的 A/D 采集運 算控制電路和顯示電路等組成。 1960 年 Lucovskey 推導(dǎo)出了描述橫向光電效應(yīng)的 Lucovskey 方程，奠定了 PSD 的理論基礎(chǔ)。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本 濃度檢測系統(tǒng)主要 分 以下幾 個 部分：半導(dǎo)體激光器、光學(xué)系統(tǒng)、 PSD 信號調(diào)理電路、 8051 單片機 系統(tǒng) 、 A/D 轉(zhuǎn)換電路 、 顯示電路 等 等。 發(fā)光二級管 具有體積小、堅固 、 耐用、使用電壓低、壽命長等優(yōu)點。在裝有蒸餾水 2 的水槽裝有一個 雙平面鏡 ，光線經(jīng)過 雙平面鏡 的反射后， 再次進入 待測液體 ，同樣 入射光線 待測液體 ? d ? n 蒸餾水 第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 8 圖 32 光學(xué) 系統(tǒng)圖 會 ?產(chǎn)生一個入射角 ，再次進入裝有蒸餾水的水槽 1，最后 通過窄帶 濾 光片投射在 位置敏感器件 的光敏面上，當(dāng) 待測液體 的 濃度 改變 時， 光線 透射 后到位置敏感器件 光敏面上的光斑位置也發(fā)生變化， 而 PSD 此時 就會線性的輸出這一變化，從而實現(xiàn)濃度的 檢測 。底層的公共電極 用于 加反偏電壓。 我們 應(yīng)盡量 讓 光點 擊 打 a 區(qū)域， 從而 提高位置檢測精度。 主要 由 前置 濾波 部分 、 主放大電路 、減法器 部分、 除法器 部分 等 組 成 ，其中 IC IC IC IC3 為高精度運放 電路 ， IC1 和 IC2 是前置運放電路， IC3 和 IC4 分別形成加法器 、 減法器，AD538 是 模擬除法器，入射光強 決 定 Rf 大小 。 +IC2OP07R0R1R2 R3GNDGNDVinV0 圖 47 主放大電路圖 圖中 Vin 為前置放大器的輸 入 電壓，前置放大器輸出電阻 R0 數(shù)值 很 小 直接第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計 19 忽略。 （ 1） 消除 背景干擾及暗電流 的 電路 此處 我們 同時 使 用光學(xué)法和電學(xué)法中的第一種 措施 來 對 背景干擾和暗電流進行 消除 。 因此 我選擇 值 為 材料為 聚四氟乙烯 的 保持電容 。由圖 412 可 知 ，第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計 24 本系統(tǒng)中單片機最小系統(tǒng)包括單片機本體、復(fù)位電路 和 時鐘電路。 A0：字節(jié)選擇控制線。其引腳圖見圖 415。 EA /VPP：片內(nèi)、片外程序存儲器選擇輸出 /編程電壓輸入。在讀出期間： 若是 Ao=0 時，高 8 位數(shù)據(jù)有效； 若是 Ao＝ l 時，低 4 位數(shù)據(jù)有效，中間4 位為 “0”，高 4 位為三態(tài)。 振蕩電路 ：單片機本身是同步時序電路， 但 為 實現(xiàn) 同步工作方式，必須 且只能 有一個時鐘信號 。設(shè)計 電路 如圖 410 所示，電路有兩個 RC 網(wǎng)絡(luò) 和 一個 schmidt（施密特） 觸發(fā)器 。 （ 2） 干擾電平的采樣 與 保持 我們采用 LF198 采樣保持器 ，它 的直流精度 非常 高 、捕獲時間 較低 而且 衰減率 較小 。 放大器的輸出電壓要被送到數(shù)采模塊進行 A/D 轉(zhuǎn)換，因此 必須 考慮放大器的輸出與數(shù)采模塊的模擬輸入電壓范圍