【文章內(nèi)容簡介】 好，體積小、壽命長、轉(zhuǎn)換效率高，而且其制造工藝和半導(dǎo)體電子器件和集成電路 的生產(chǎn)工藝兼容，便于與其他器件實(shí)現(xiàn)單片光電子集成。并且還可以用頻率高第三章 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 達(dá) GHz 的電流進(jìn)行直接調(diào)制而獲得高速調(diào)制的激光輸出。本系統(tǒng)使用中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 (海特光電子技術(shù)公司 )生產(chǎn)的 HTL67T05 型 5mw 輸出 670nm 基橫模量子阱激光器。 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基本光學(xué)原理 濃度檢測的基本光學(xué)原理如圖 31 所示，當(dāng)待測液體濃度發(fā)生改變時(shí)，入射光線折射角也將變化，通過測量光線折射角度的偏移（這一偏移幾乎與待測液體濃度成正比），經(jīng)計(jì)算就可以得出待測液體的濃度。 圖 31 液體濃度檢測的基本原理圖 測量水槽由兩部分組成，一部分裝有參考液體（即蒸餾水），另一部分裝有待測液體，中間傾斜放置一塊透射的光學(xué)玻璃窗將兩部分隔開，這樣，當(dāng)兩部分液體折射率差值變化時(shí)入射光的折射角度也跟著變化。當(dāng)光線如圖 31 所示的情況入射，則兩種液體折射率之差 n? 與光線偏移量 d 之間的關(guān)系可用如下表示： kdnnnn ???????? 2/c o t 20 ? (31) 其中， ? 為光線出射角， ? 為光線入射角， k 為與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。 光學(xué)系統(tǒng)圖 基于濃度檢測的基本光學(xué)原理，本文采用 了一種雙隔離窗的光透射液體濃度檢測的實(shí)驗(yàn)裝置。 如圖 32 所示。 入射光線 待測液體 ? d ? n 蒸餾水 第三章 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 圖 32 雙隔離窗光透射液體濃度檢測 實(shí)驗(yàn)裝置 光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)裝有蒸餾水的參考水槽和一個(gè)裝有待測液體的測量水槽組成，用兩個(gè)平行放置的光學(xué)透射窗將三個(gè)水槽隔開，水平入射的光線通過第一部分蒸餾水后經(jīng)光學(xué)透射窗 1 進(jìn)入待測液體，并產(chǎn)生入射角 ? 。在裝有第二部分蒸餾水的水槽中裝有兩個(gè)互成 90 度的平面鏡，光線經(jīng)過兩個(gè)平面鏡的反射后，經(jīng)由透射窗 2 再次進(jìn)入待測液體，同樣又產(chǎn)生一個(gè)入射角 ? ，最后光線經(jīng)由第一部分蒸餾水出射，通過濾光片投射在 PSD 的光敏面上，當(dāng)待測液體濃度發(fā)生變化時(shí)，投射到 PSD 的光敏面上的光斑位置也發(fā)生變化，這一變化經(jīng) PSD線性輸出，又通過后續(xù)電路的處理計(jì)算最終實(shí)現(xiàn)濃度的檢測。加入濾波片的目的是為了濾除大部分環(huán)境雜散光對檢測的影響。 光線的幾何軌跡如圖 33 所示。在圖 33 的幾何光學(xué)光線軌跡中用 d 來表示 PSD 所測得的被測液體是待測液體（虛光線）和蒸餾水（實(shí)光線）時(shí)的光線偏移量。根據(jù)圖 33 所示幾何關(guān)系和光學(xué)折射定律有： 21 ddd ?? （ 32） ? ? ? ??? ??? ta n111 dsd （ 33） ? ? ? ??? ??? t a n212 dsd （ 34） 和 ?? sinsin0 gnn ? （ 35） 蒸餾水 2 蒸餾水 1 水槽 雙平面鏡 待測液體 光學(xué)透射窗 2 光學(xué)透射窗 1 PSD 濾光片 激光器 第三章 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 ?? sinsin gx nn ? （ 36） 式中， 1s 為兩隔離窗距離。從式中可以看到，當(dāng)入射角、參比液體和兩隔離窗間距選定以后， ? 、 0n 和 1s 就是 固定值，將（ 32）、（ 33）式代入（ 31）式得到光線偏移量為 ? ?? ? ? ?? ??? ???? ?? ?? ???? ???? ta n1 ta nta n1 ta n 1121 ssddd ? ?xxx nfnnnns?????????????????????????????????????????s i nar c s i nt an1s i nar c s i nt an2001 （ 37） 第四章 基于 MSP430單片機(jī)的 PSD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 10 第四章 基于 MSP430 單片機(jī)的 PSD 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) PSD 工作原理及選型 PSD工作原理 光電位置敏感探測器 PSD（ Position Sensitive Detector）是一種對其感光面上入射光斑位置敏感的光電器件。即當(dāng)入 射光斑落在器件感光面的不同位置時(shí)，PSD 將對應(yīng)輸出不同的電信號(hào)。通過對此輸出電信號(hào)的處理，即可確定入射光斑在 PSD 的位置。入射光的強(qiáng)度和尺寸大小對 PSD 的位置輸出信號(hào)均無關(guān)。 PSD 可分為一維 PSD 和二維 PSD。一維 PSD 可以測定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)，二維 PSD 可測光點(diǎn)的平面位置坐標(biāo)。由于 PSD 是分割型元件，對光斑的形狀無嚴(yán)格的要求，光敏面上無象限分隔線，所以對光斑位置可進(jìn)行連續(xù)測量從而獲得連續(xù)的坐標(biāo)信號(hào)。 實(shí)用的一維 PSD 為 PIN 三層結(jié)構(gòu)，其截面如圖 41（ a）所示。表面的 P 層為感光面，其兩邊各有一信號(hào)輸 出電極。底層的公共電極是用來加反偏電壓的。當(dāng)入射光點(diǎn)照射到 PSD 光敏面上某一點(diǎn)時(shí)，假設(shè)產(chǎn)生的總的光生電流為 I0 。由于在入射光點(diǎn)到信號(hào)電極間存在橫向電勢，若在兩個(gè)信號(hào)電極上接上負(fù)載電阻，光電流將分別流向兩個(gè)信號(hào)電極，從而從信號(hào)電極上分別得到光電 I1 和 I2 。顯然， I1 和 I2 之和等于光生電流 I0 ，而 I1 和 I2 的分流關(guān)系取決于入射光點(diǎn)位置到兩個(gè)信號(hào)電極間的等效電阻 R1 和 R2 。如果 PSD 表面層的電阻是均勻的，則PSD 的等效電路為圖 41〔 b〕所示的電路。由于 Rsh 很大，而 C1 很小，故等效電路可簡化成圖 41 (c) 的形式，其中 R1 和 R2 的值取決于入射光點(diǎn)的位置。假設(shè)負(fù)載電阻 RL 阻值相對于 R1 和 R2 可以忽略，則有： 21II = xL xLRR ???12 (41) 式中， L 為 PSD 中點(diǎn)到信號(hào)電極的距離， x 為入射光點(diǎn)距 PSD 中點(diǎn)的距離。式（ 41）表明，兩個(gè)信號(hào)電極的輸出光電流之比為入射光點(diǎn)到該電極間距離之比的倒數(shù)。將 I0 = I1 + I2 與式（ 41）聯(lián)立得： 第四章 基于 MSP430單片機(jī)的 PSD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 11 圖 41 PSD 的結(jié)構(gòu)及等效電路 (a)截面電路 (b)等效電路 (c)簡化的等效電路 LxLII 201 ?? （ 42） LxLII 202 ?? （ 43） 從以上兩式可以看出，當(dāng)入射光點(diǎn)位置固定時(shí)， PSD 的單個(gè)電極輸出電流與入射光強(qiáng)度成正比。而當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時(shí)，單個(gè) 電極的輸出電流與入射光點(diǎn)距 PSD 中心的距離 x呈線性關(guān)系。若將兩個(gè)信號(hào)電極的輸出電流作如下處理： LxII IIPX ???? 12 12 （ 44） 第四章 基于 MSP430單片機(jī)的 PSD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 12 則得到的結(jié)果只與光點(diǎn)的位置坐標(biāo) x 有關(guān)，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)，此時(shí) PSD就成為僅對入射光點(diǎn)位置敏感的器件。 PX 稱為一維 PSD 的位置輸出信號(hào)。 PSD性能分析 為了選擇一個(gè)合適的 PSD器件，首先要對 PSD的主 要性能指標(biāo)進(jìn)行分析。性能指標(biāo)主要包括峰值響應(yīng)靈敏度、響應(yīng)速度、位置分辨率、位置線性度和暗電流。 (1)峰值響應(yīng)靈敏度是 PSD輸出電流與入射光功率之比，即在單位光功率的作用下 PSD的最大輸出電流。因?yàn)橄到y(tǒng)要進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量，由于光源能量的衰減，峰值響應(yīng)靈敏度就成為選擇 PSD的重要參數(shù)。選擇較高的響應(yīng)靈敏度，有利于提高系統(tǒng)的信噪比。 (2)響應(yīng)速度是反映 PSD瞬態(tài)特性的重要指標(biāo)， PSD的結(jié)電容和極間電阻越小響應(yīng)速度越快。 (3)位置分辨率是指最小可探測的光斑移動(dòng)距離，它主要受器件尺寸、信噪比等因素影響。一般規(guī)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)位置線性度是指光點(diǎn)沿著直線移動(dòng)時(shí) PSD的位置輸出偏離該直線的程度。由于 PSD N區(qū)材料的不均勻性和電極形狀等因素而造成 P區(qū)上電阻率不為恒量，導(dǎo)致 PSD呈非線性，因此在使用過程中人為地將 PSD敏感面劃為 A區(qū)和 B區(qū)。 (5)暗電流由體漏電流和表面漏電流兩部分組成，表面漏電流取決于材料質(zhì)量、器件制作過程所采取的表面鈍化工藝。暗電流存在于所有工作在反偏狀態(tài)下的結(jié)型器件中，因此在 PSD中也存在。由于存在暗電流，在設(shè)計(jì)信號(hào)放大器時(shí)必須選擇具有適當(dāng)偏置電流 的運(yùn)算放大器。 PSD的選型 結(jié)合 PSD 的性能參數(shù)、系統(tǒng)測量范圍和測量精度的分析，本文選用日本濱松公司的 S3932 型 PSD 產(chǎn)品，其響應(yīng)速度為 3 s? ，分辨率為 m? ，有效敏感區(qū)為 112 2mm ，光譜響應(yīng)特性曲線如圖 42， 它主要性能參數(shù)如表 41 所示。 第四章 基于 MSP430單片機(jī)的 PSD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 13 圖 42 S3932 光譜響應(yīng)范圍特性曲線 表 41 S3932 型 PSD 的主要性能參數(shù) 光敏面 112mm2 光譜響應(yīng)范圍 320~1100nm 上升時(shí)間 s? (VR=5V， RL=1K) 結(jié)電容 80pF(VR=5V， f=10kHZ) 暗電流 ~20nA(VR=5V) 極間電阻 30~80 ?K (Vb=) 工作溫度 10~60℃ 分辨率 m? 位置測量誤差 177。60 m? (Typ， Ta=26℃ ) OE=50% 400 600 800 1000 0 OE=100% S3979 S3931 S3932 響應(yīng)靈敏度（A/W） 波長（ nm） 第四章 基于 MSP430單片機(jī)的 PSD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 14 PSD 信號(hào)處理電路 PSD信號(hào)處理電路 基本 原理 PSD 兩極輸出的只是光電流 I1和 I2，要想得到位置輸出信號(hào) Px必須要有相應(yīng)的信號(hào)處理電路的支持。因?yàn)?Px=（ I1－ I2） /（ I1＋ I2），因此其基本檢測和處理電路的設(shè)計(jì)思想是先將 I1和 I2進(jìn)行加減運(yùn)算然后再進(jìn)行除法運(yùn)算。電路原理圖如圖 43 所示，光電流 I1和 I2先經(jīng)過 IC1 和 IC2 的低通濾波將高頻噪聲和脈沖干擾去處掉。然后分別通過加法電路 IC3 和 IC5 和減法電路 IC4 得到 I1＋I(xiàn)2 和 I1－ I2。最后 I1＋ I2 和 I1－ I2 通過除法電路 IC6 得到位置輸出信號(hào) Px=（ I1－ I2） /（ I1＋ I2）。我們可以將位移與液體濃度變化值之間的線形因數(shù)折算到 PSD的長度之中選擇合適的電阻阻值將輸出的位置信號(hào)在這一步將轉(zhuǎn)化為所對應(yīng)的濃度數(shù)值。 43 一維 PSD 基本檢測原理圖 該電路只是信號(hào)處理的基本原理電路，在實(shí)際檢測的環(huán)境中，外界的光會(huì)給以上電路的測試結(jié)果帶來很大的誤差，所以必須設(shè)計(jì)出實(shí)用的信號(hào)處理電路來消除背景光的干擾。 實(shí)用 的 PSD信號(hào)處理電路 設(shè)計(jì) 本 文 所設(shè)計(jì) 電路是 通過調(diào)制解調(diào)技術(shù)來去除信號(hào)中的背景光 干擾，從而減小誤差并對 PSD 信號(hào)進(jìn)行處理。 電路 主要 包括：前置 濾波 電路、 運(yùn)算 電路、信號(hào) 第四章 基于 MSP430單片機(jī)的 PSD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 15 采樣保持電路。 前置濾波電路 濾波電路的功能是讓指定頻段的信號(hào)通過，而將其余頻段上的信號(hào)加以抑制或使其急劇衰減。運(yùn)算放大器和 RC 網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器與無源濾波器件相比具有體積小，重量輕，線性特性好的優(yōu)點(diǎn)。其次，由于運(yùn)算放大器的增益和輸入阻 抗很高，輸出阻抗很低，所以有源濾波器還能提供一定的信號(hào)增益和緩沖作用。 低通濾波器如圖 44 所示。輸入的光電流型號(hào) I1和 I2通過濾波器轉(zhuǎn)換成放大的電壓信號(hào)。由于加在 PSD 上的光信號(hào)是由一 定頻率的方波驅(qū)動(dòng)的，因此PSD 兩個(gè)引腳輸出的 I1和 I2也是交流信號(hào)。 C1在電路中起的是隔直通交的作用。C2和 R2組成的 RC 網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器一起構(gòu)成低通濾波器，將輸入信號(hào)中的脈沖干擾和高頻噪聲過濾掉，濾波的帶寬的頻