下载文档原格式
第二章 PSD传感器与信号处理电路为了将电机轴的位置信号转换为相应的电信号，本文的传感器使用光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）。
本章介绍PSD及其信号处理电路的工作原理及选型。
2.1 PSD传感器的工作原理及选型传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位置、力、加速度等）转换成与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。
传感器在检测系统中是一个非常重要的环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。
如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器等的精度再高也将难以提高整个系统的精度。
所以在系统设计时慎重选择传感器是十分必要的。
光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）是一种对其感光面上入射光斑重心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的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。
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2.1.1所示。
表面P层为感光面，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I0。
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流I1和I2。
显然，I1和I2之和等于光生电流I0，而I1和I2的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻R1和R2。
华中科技大学硕士学位论文基于PSD的高速激光距离传感器的信号检测与处理姓名：莫伟申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：杨克成20080524摘要现代工业的飞速发展对距离测量提出了越来越高的要求。
与传统的测量手段不同，高速激光距离传感器可对高速运动中的目标进行非接触、短测程、高精度的距离测量，对于军事和民用范围内的应用都有着重要的研究意义。
本文对高速激光距离传感器的设计进行了论述。
以激光三角法测距作为理论基础，对其理论模型进行了讨论，详细分析了激光三角法的距离计算方法。
在此基础上，对比电荷耦合器件CCD和位置敏感器件PSD的特点和优势，选用PSD作为位置传感器。
根据PSD两极输出电流随光敏面上光斑位置不同而不同这一特点，对装置的信号检测和处理系统进行了深入分析和设计。
传统的PSD信号处理电路采用大量的模拟器件进行信号运算，电路复杂且精度不高。
本文对传统处理方式加以改进，采用数字化的方式对传感器进行设计。
信号检测和处理系统分为电源模块、前置放大电路、数据采集电路和单片机接口电路四个部分。
由于信号源输出信号为一个微弱信号，选定高精度线性电源模块为系统供电。
然后采用电阻结合集成运算放大器实现信号的I/V转换和前置放大。
模拟信号的数字化是系统的关键部分。
课题要求在1~1.5m处对探测目标实现精度为20cm的定距测量，根据这一指标计算选择12位高速A/D芯片实现数据采集。
单片机实现系统的总体控制，包括预置/探测状态选择、A/D控制、信号的计算和预警。
采用普通按键、发光二极管对单片机外围电路进行了设计。
改进传统的平均算法，提出新的算法实现了A/D控制和距离值的计算与预警。
在电路板的设计中采用光电耦合器件、铁氧体磁珠、旁路电容滤波等方式减小了噪声。
文章最后对传感器样机进行了实验分析。
实验采用不同颜色目标、不同光照条件作为对照，证实传感器样机能够完成1~1.5m处目标的定距测量；性能随目标反射率的增加而提高；背景光对探测的影响较小。
PSD工作原理标题：PSD工作原理引言概述：PSD（Position Sensitive Detector）是一种用于检测光线位置的传感器，广泛应用于光学测量、光通信、激光雷达等领域。
本文将详细介绍PSD的工作原理，匡助读者更好地理解这一传感器的工作机制。
一、PSD的基本结构1.1 PSD的构成PSD通常由一片半导体材料制成，表面覆盖有金属电极。
半导体材料会产生光电效应，金属电极则用于接收光信号并产生电流。
1.2 工作原理当光线照射在PSD表面时，光子会激发半导体材料中的电子，使其跃迁到导带中，形成电子-空穴对。
这些电子-空穴对会在电场的作用下分离，产生电流信号。
1.3 位置检测由于PSD的电极布置方式不同，电流信号的大小和相位会随着光线位置的变化而变化，通过测量电流信号的大小和相位差，可以确定光线的位置。
二、PSD的工作特性2.1 灵敏度PSD具有高灵敏度，能够检测微弱光信号并实现高精度的位置检测。
2.2 分辨率PSD的分辨率取决于其结构和创造工艺，通常能够实现亚毫米级别的位置测量精度。
2.3 响应速度PSD响应速度快，能够实现高频率的位置检测，适合于快速运动的光学系统。
三、PSD的应用领域3.1 光学测量PSD广泛应用于光学测量领域，如位移测量、角度测量等，实现高精度的光学检测。
3.2 光通信在光通信系统中，PSD可以用于接收光信号并实现数据传输，提高通信系统的稳定性和可靠性。
3.3 激光雷达PSD在激光雷达系统中用于测量目标距离和位置，实现精准的激光测距。
四、PSD的优势和局限性4.1 优势PSD具有高灵敏度、高分辨率和快速响应速度，适合于各种光学检测应用。
4.2 局限性PSD对光线的波长和入射角度敏感，需要在设计和使用时注意光源的选择和位置。
4.3 发展趋势随着技术的不断进步，PSD的性能将进一步提升，应用领域也将不断扩大。
五、总结本文详细介绍了PSD的工作原理、特性、应用领域以及优势和局限性，希翼能够匡助读者更好地了解这一光学传感器。
![一种PSD位置传感器的放大电路[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/ed12a9013868011ca300a6c30c2259010202f306.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201921719776.3(22)申请日 2019.10.14(73)专利权人 沈阳中光电子有限公司地址 110027 辽宁省沈阳市经济技术开发区四号街16号(72)发明人 杨璘 (74)专利代理机构 北京中强智尚知识产权代理有限公司 11448代理人 黄耀威(51)Int.Cl.H03F 3/42(2006.01)G01B 11/00(2006.01)(54)实用新型名称一种PSD位置传感器的放大电路(57)摘要本实用新型公开了一种PSD位置传感器的放大电路，利用跨阻放大电路将由PSD位置传感器的输出电流信号放大为电压信号并进行滤波，然后由电压放大电路对电压信号进行放大。
因此，本实用新型可将PSD位置传感器产生的微弱电流信号放大为电压信号，并在滤波处理后进行再次放大，以使PSD位置传感器所在系统能准确提取PSD位置传感器产生的微弱电流信号，从而保证系统操作的准确性。
权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 210745088 U 2020.06.12C N 210745088U1.一种PSD位置传感器的放大电路，其特征在于，包括两个放大电路，两个所述放大电路分别与PSD位置传感器的电流输出电极连接，每个所述放大电路分别包括顺次连接的跨阻放大电路和电压放大电路；所述跨阻放大电路包括跨阻放大器T1、第一电阻R1、第二电阻R2、第二电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第三电容C3、第一电容C1和第二电容C2；所述跨阻放大器T1的反向输入端与所述PSD位置传感器的电流输出电极连接，所述跨阻放大器T1的反向输入端分别通过第二电容C2和第三电阻R3与所述跨阻放大器T1的输出端连接；所述跨阻放大器T1的正向输入端通过所述第一电容C1接地，所述跨阻放大器T1的正向输入端还通过所述第二电阻R2接地，所述跨阻放大器T1通过所述第一电阻R1与电源VCC连接；所述第三电容C3与所述跨阻放大器T1的输出端连接，所述第三电容C3还通过第五电阻R5与电源连接，所述第三电容C3还通过第四电阻R4接地；所述电压放大电路包括电压放大器T2、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第四电容C4；所述电压放大器T2的反向输入端通过第六电阻R6与第三电容C3连接，所述电压放大器T2的反向输入端分别通过第七电阻R7和第四电容C4与电压放大器T2的输出端连接，所述电压放大器T2的输出端还与所述第八电阻R8连接。
2001年第15卷第2期华北工学院测试技术学报VO1.15NO.22001 (总第36期D JOURNAL OF TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY(Sum NO.36D文章编号;1008-6374(2001D02-083-03SD信号处理电路的研究苏少华石庚辰(北京理工大学机电工程学院北京100081D摘要;目的简化SD信号处理电路降低噪声信号和温漂的技术.方法用软件代替部分硬件电路的方法.结果简化了电路提高了信噪比.结论这种方法适于多SD计算机信号处理的智能测试系统.关键词;位置敏感元件;信号处理;计算机中图分类号;331.2文献标识码;SD(OsitiOH SeHsitive DetectOr D是一种基于横向光电效应的光电位置敏感器件当入射光点落在器件感光表面的不同位置时SD将对应输出不同的电信号.通过对输出信号的处理即可确定入射光点在SD器件上的位置;入射光点的强度和尺寸大小对SD 的位置输出信号均无关.由于SD是非分割型元件对光斑的形状无严格要求所以可对光斑的位置进行连续测量从而获得连续的坐标信号.与传统的象限光电池CCD等光电位置敏感元件相比SD具有高灵敏度和良好的瞬态响应特性结构紧凑处理电路简单性能价格比较高.特别适用于对位置~位移~角度等的实时测量;基于以上的优点SD 被广泛用于航空对接~精密对中~振动~位移等非接触实时测量倍受工程界的青睐.1SD信号处理电路SD结构和工作原理可参阅有关文献[1 2].现以一维的SD为例介绍其处理电路.如图1所示为一维SD信号的基本检测和处理电路.一维SD信号的基本检测和处理电路主要包括前置放大~加法器~减法器~除法器等部分.其中IC1~IC5为高精度运放IC1和IC2是前置运放电路应选用低温漂高输入阻抗运放IC3和IC4分别形成加法器和减法器IC6为模拟除法器Rf的可根据入射光的强度而定.图1中的电路由于没有消除暗电流~背景光等干扰信号的功能当有用信号微弱到毫伏或微伏级就会被噪声所淹没因此在实际应用中必须采用消除背景光和暗电流等干扰信号的措施[3].收稿日期;2000-09-29图]一维PSD 信号处理电路Z实现PSD 信号处理电路的其它的方法上述PSD 信号处理电路中的前置放大~加法器~减法器和除法器都是模拟电路9电路的噪声~温漂等都会给电路的精度带来很大的影响9这种处理电路通常不需要计算机进行信息处理与控制时采用.很显然9电路中的加法~减法和除法功能完全可以通过直接的数学运算来实现.对于需要通过计算机进行信号处理的PSD 测量系统9可以采用软件来实现原PSD 处理电路中的加法器~减法器和除法器的模拟运算9其原理框图如图Z 所示.图Z用软件代替运算器后的信号处理电路如图Z 所示9PSD 输出信号通过运放电路直接与数据采集卡相连9经A /D 变换将PSD 的两路模拟信号变换为数字信号9送入计算机进行加法~减法和除法的运算9得到入射光点在PSD 上的位置.采用这一方法有以下几个优点..可简化硬件电路9大幅度降低成本9对于多路PSD 测量系统尤明显.b .加法器~减法器~除法器都是模拟电路9本身都存在一定的噪声干扰信号和温漂9会产生测量误差.用软件代替加法器~减法器~除法器的方法可从根本上消除三者的干扰信号影响.G .加法器~减法器~除法器输出模拟信号的精度受到器件性能的影响9每个器件的精度都会对处理电路的精度产生影响.而采用软件法9由于计算机的有效位数可达几十位9其处理精度只与前置放大电路有关9随检测精度的不同要求9取不同的有效位数9完全可以满足精度的要求.以6维振动测试系统为例[4]9在此测试系统中需要使用6个一维PSD 器件.再测试时需要确定入射光点在PSD 上的位置9然后代入有关公式进行运算9得出枪械6维振动的参数9程序框图B 中A 1 9B 1 分别为经A /D 变换后PSD 的两路数字输出;下标1(1I ]9Z 94华北工学院测试技术学报Z ]年第Z 期--图3程序框图Yes 结束zZm 解六维参数方程,求出:X z ,Y z ,Z z ,U z ,B z ,7zYeszZ6z=z-1X zj = zj 9L M zj N zj=X zj Lzj =N zj =A zj -B zj M zj =A zj -B zj 输入数据A zj B zj z=1j=1此z 6,z 每循环一次,可解得到一组6维振动数据X j ,Y j ,Z j ,U j ,B j ,7j ,分别为被测体的三维平动和三维转动;m 为所需的测试点的点数.当被检测信号微弱到毫伏或微伏级时,图1中的IC 1和IC 2选用一般的运放很难达到电路的要求.AD 524是一种专用的精密仪器放大电路,可用于要求精度高,工作环境恶劣的多种数据采集系统.其特点是低噪声[0.1~Z -10~Z 时为0.3pV ];低非线性(0.003%);高共摸抑制比(120dB );低失调电压(50pV );低失调电压温漂(0.5pV)增益带宽乘积(25M~Z );管脚可编程增益(1,10,100,1000);输入保护,电源通到电源断,不要求外部元件;内有补偿.还可直接输出信号到14位A D 变换器.基于AD 524精密仪器放大器的以上优点,当PSD 的输出信号小于毫伏时,IC 1和IC 2选用AD 524会得到满意的结果.综上所述,设计者可根据具体的电路要求,选择灵活的电路设计方案,在达到预期要求的前题下,简化电路,降低成本.参考文献:[1]朱尚明.位置敏感检测器PDS 及其应用研究[J ].北京:仪表技术与传感器,1996,(2):39.[2]贺安之.现代传感器原理及应用[M ].北京:宇航出版社,1994.93.[3]王占强.一维PSD 信号调理电路及其应用[J ].仪表技术与传感器,1997,(12):25.[4]石庚辰,王俊.光电多维位移传感器研究[J ].仪表技术与传感器,1999,(5):20.Research about PSD Signal Processing circuitSU Shao -hua ,S~I Geng -chen(Dept .of eng i nee ri ng Be iji ng Inst i tute of T echno 1og y ,Be iji ng 100081,Ch i na )A bstract :A i m T o i nt r oduce a ki nd of techno 1og y used to s im p 1i f y PSD s i gna 1p r ocess i ng c ir cu i t and to r educe no i se and te m pe r atu r e d ri ft .M etho d s Usesoft W a r e to r ep 1ace pa r t of ha r d W a r e c ir cu i t .ResultsT he PSD s i gna 1p r ocess i ngc ir cu i t i s s im p 1i f i ed and s i gna 1no i se r ate i s enhanced .conclusion T h i s m ethodapp 1i es to seVe r a 1PSD i nte 11i gent test i ng s y ste m s W h i ch uses co m pute r to d i sposeof s i gna 1s .58(总第36期)PSD 信号处理电路的研究(苏少华等)。
第二章 PSD传感器与信号处理电路为了将电机轴的位置信号转换为相应的电信号，本文的传感器使用光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）。
本章介绍PSD及其信号处理电路的工作原理及选型。
2.1 PSD传感器的工作原理及选型传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位置、力、加速度等）转换成与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。
传感器在检测系统中是一个非常重要的环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。
如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器等的精度再高也将难以提高整个系统的精度。
所以在系统设计时慎重选择传感器是十分必要的。
光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）是一种对其感光面上入射光斑重心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的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。
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2.1.1所示。
表面P层为感光面，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I0。
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流I1和I2。
显然，I1和I2之和等于光生电流I0，而I1和I2的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻R1和R2。
第二章 PSD传感器与信号处理电路为了将电机轴的位置信号转换为相应的电信号，本文的传感器使用光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）。
本章介绍PSD及其信号处理电路的工作原理及选型。
2.1 PSD传感器的工作原理及选型传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位置、力、加速度等）转换成与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。
传感器在检测系统中是一个非常重要的环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。
如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器等的精度再高也将难以提高整个系统的精度。
所以在系统设计时慎重选择传感器是十分必要的。
光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）是一种对其感光面上入射光斑重心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的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。
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2.1.1所示。
表面P层为感光面，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I0。
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流I1和I2。
显然，I1和I2之和等于光生电流I0，而I1和I2的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻R1和R2。
目录中文摘要 (3)英文摘要 (4)第一章引言§1.1 PSD的市场分析 (5)§1.2 PSD的应用现状 (6)§1.3 本文的工作 (8)第二章PSD的结构、工作原理、等效电路及部分工作特性参数§2.1 PSD的结构 (9)§2.2 PSD的工作原理及等效电路 (9)§2.3 PSD的主要特性及部分工作特性参数 (11)§2.3.1 PSD的主要特性 (11)§2.3.2 PSD的部分工作特性参数 (12)第三章实验装置和检测电路§3.1 实验装置 (14)§3.1.1CSY—2000G光电传感器实验台 (14)§3.1.2 PSD实验模板和PSD (14)§3.2 检测电路 (15)第四章实验结果及数据分析§4.1 电路放大系数对PSD的测量范围、灵敏度、非线性误差的影响 (17)§4.2 中点位置的选取对PSD的测量范围、灵敏度、非线性误差的影响 (21)§4.3 光点的大小对PSD的测量范围、灵敏度、非线性误差的影响 (25)第五章总结 (29)参考文献 (30)致谢....................................................................................... .. (32)位置传感器PSD的特性研究中文摘要PSD(Position Sensitive Detector)器件是近几年出现的一种新型位置探测器，可直接用来测量角度、高度、距离及运动。
本文先对PSD 做了一个概述，然后介绍了PSD的结构、工作原理及特性，PSD位置传感器实验装置及检测电路，着重研究了光点的大小、电路的放大系数的大小、中点位置的选取对PSD的测量范围、灵敏度、非线性误差的影响。
关键词：位置传感器，灵敏度，非线性误差、电路放大系数、横向光电效应AbstractPSD (Position Sensitive Detector ) device is a kind of new-type position detector appearing in recent years, can be used for measuring the angle , height , distance and sport directly.This text has done a summary to PSD first , then introduce the structure , operation principle and characteristic of PSD, PSD position sensor experimental provision and measuring the circuit, study size , to enlarge size , mid point position of coefficient choose measurement range , sensitivity , non-linear influence of error in PSD circuit of luminous point emphatically.Keyword: Position sensor, sensitivity, non-linear error , circuit enlarge coefficient , horizontal photoelectric effect第一章引言PSD(Position Sensitive Detector)器件是80年代初期发展起来的一种新型位置传感器。
第二章 PSD 传感器与信号处理电路为了将电机轴的位置信号转换为相应的电信号，本文的传感器使用光电位置敏感器件PSD （Position Sensitive Detector ）。
本章介绍PSD 及其信号处理电路的工作原理及选型。
2.1 PSD 传感器的工作原理及选型传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位置、力、加速度等）转换成与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。
传感器在检测系统中是一个非常重要的环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。
如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器等的精度再高也将难以提高整个系统的精度。
所以在系统设计时慎重选择传感器是十分必要的。
光电位置敏感器件PSD （Position Sensitive Detector ）是一种对其感光面上入射光斑重心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 的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。
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2.1.1所示。
表面P 层为感光面，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 0。
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流I 1和I 2。
显然，I 1和I 2之和等于光生电流I 0，而I 1和I 2的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻R 1和R 2。
如果PSD 表面层的电阻是均匀的，则PSD 的等效电路为图2.1.1〔b 〕所示的电路。
由于R sh 很大，而C j 很小，故等效电路可简化成图2.1.1 (c) 的形式，其中R 1和R 2的值取决于入射光点的位置。
假设负载电阻R L 阻值相对于R 1和R 2可以忽略，则有：（2.1.1）I I R R L x L x1221==-+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（2.1.1）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 0= I 1+I 2与式（2.1.1）联立得：l l 图2.1.1 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（2.1.2）L xL I I 201-=（2.1.3）LxL I I 202+=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：（2.1.4）P I I I I x LX =-+=2121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 x 称为一维PSD 的位置输出信号。
本文选用的PSD 是日本HAMAMATSU PHOTONICS 公司生产的S1352一维线阵列PSD2.2 PSD 传感器信号处理电路原理PSD 两极输出的只是光电流I 1和I 2，要想得到位置输出信号P x 必须要有相应的信号处理电路的支持。
下面介绍PSD 传感器信号处理电路原理。
由上一节可知，P x=（I1－I2）/（I1＋I2），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2.2.1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I1＋I2和I1－I2。
最后I1＋I2和I1－I2通过除法电路IC6得到位置输出信号P x=（I1－I2）/（I1＋I2）图2.2.1 一维PSD基本检测原理图该电路只适用于没有外界光只有信号光的理想情况。
在实际检测的环境中，外界光是存在的，并且会给上面的原理电路的测试结果带来很大的误差，因此在电路设计中要着重考虑如何消除外界光源的信号干扰。
2.3 C5923 PSD信号处理电路本文选用的PSD信号处理电路是由HAMAMATSU PHOTONICS公司出品的C5923一维PSD信号处理电路。
该信号处理电路是专门针对HAMAMATSU公司生产的一维PSD传感器设计的。
C5923采用调制解调技术来去除信号光中的背景光干扰。
C5923信号处理电路的所有组件都安装在一块PCB电路板上，这些电路包括：调制信号光源驱动电路、前置放大电路、信号加法、减法电路、信号除法电路、信号采样保持电路。
具体的电路原理图参见图2.3.1，现就各个电路的功能来介绍C5923。
2.3.1 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。
图2.3.1 C5923信号处理电路原理图C5923采用的低通滤波器如图2.3.2所示。
输入的光电流型号I 1和I 2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I 1和I 2也是交流信号。
C 1在电路中起的是隔直通交的作用。
C 2和R 2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R 1和R 2的值还可以调整低通滤波器的输出增益。
图2.3.2 低通滤波器2.3.2 运算电路I 1和I 2经过滤波之后得到两个与I 1和I 2倒相的电压信号V S1和V S2。
为了得到最终的位置输出信号P x 。
必须要进行（V S2－V S1）/（V S1＋V S2）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。
C5923的加法电路是通过图2.3.3所示的电路来实现的。
图2.3.3加法电路这个电路接成反相放大器，由于电路存在虚短，V I=0，在P端接地时，V N=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=（R f /R１）V S1＋（R f /R２）V S2 （2.3.1）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R１= R２= R f，则上式变为：－V0=V S1＋V S2 （2.3.2）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C5923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。
C5923的减法电路是通过图2.3.4所示的差分式电路来实现的。
图2.3.4 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。
在理想运放的情况下，根据虚断，虚短原理，可以得到下列方程式：在上式中，如果选取电阻值满足R f /R１= R3 /R２的关系，输出电压可简化为即输出电压与两个输入电压之差（V S2－V S1）成比例，所以图2.3.4所示的减法电路实际上就是一个差分式放大电路。
当R f= R１时，V o= V S2－V S1。
C5923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V OUT =V Y（V Z /V X）m，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。
C5923使用了它的双输入除法运算功能。
图2.3.5是AD538进行V OUT =10（V Z /V X）运算的连线图。
图2.3.5 AD538实现V OUT =10（V Z /V X）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V Z和分子模拟信号V X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V OUT=10（V Z/V X）。
式子中除法项前的系数10是由外置电路决定的。
在C5923中通过对AD538的5脚电压调节可以改变系数的大小来线性调整最终输出的幅值。
同时C5923还引出参考电压V REF来测试光源的强度。
如果测出光源强度偏小可以调整C5923的可调电阻VR2来增加系数来提高增益。
具体的C5923的AD538布线参考图2.3.1的U10。
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P x。
2.3.3 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（IN S）＝I S（2.3.5a）f（IN w）＝I w （2.3.5b）f（IN S＋IN w）＝I S＋I w （2.3.5c）式子中IN S是信号光输入，IN w是外界光输入，I S是没有外界光时的信号光产生的光电流，I w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。
C5923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IN w，设外界光经过PSD产生的光电流为I w，由于外界光强恒定所以IN w和I w也为固定常值。
由C5923产生一个周期为300μs、脉冲宽度为90μs的方波如图2.3.6所示来驱动信号光源，从而得到调制的信号光。
