单片机PSD数据采集电路设计方案

根据高精度光电位置灵敏探测器（PSD）的工作原理及输出特性，本文介绍了一套基于单片机技术的PSD输出信号数字采集电路的设计方案。通过Atmega16型单片机控制AD1674模/数转换、AD7501多路转换等实现对PSD输出模拟信号的数字化转换和采集。电路结构简单、成本低廉、体积较小，广泛适用于各实验室的PSD输出信号采集模拟实验。

　　0 引言

　　PSD作为一种精密的光电位置传感器，具有灵敏度高、响应时间短、位置分辨率高、光谱响应范围大等特点，因此被广泛应用于现代光电检测技术中，尤其是高精度、高速度的数据采集技术中。如何在极短的响应时间内实现多数据的采集，成了采集PSD输出数据的关键。本文基于单片机技术，设计搭建了一套高速的PSD输出数据采集及控制电路，通过在实验室条件下对PSD输出数据进行采集，从而为后续的PSD定位精度以及抗干扰研究奠定理论基础。

　　1 PSD 的工作原理

　　光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）是一种基于横向光电效应、连续分布的半导体位置探测器件，能快速、准确给出入射光点在光敏面上的位置，即PSD输出的信号与光点在光敏面上的位置有关。如图1所示，表面P+层为感光面，两边各有一信号输出电极。中间为I层，底层的公共电极用于加反向偏压。当光线入射到光敏面上时，由于与结面平行的横向电场作用，光生载流子形成向两端电极流动的电流X1 和X2，且总电流X0 = X1 + X2.

　　当入射光斑与两电极的间距发生变化时，两电极的输出电流也随之变化，从而实现了位置测量功能。

　　如图2 所示，如果PSD 的面电阻是均匀的，且阻值R1 和R2 远大于负载电阻RL，则R1 和R2 的值仅取决于光点的位置，即：

　　式中：L 为PSD 中点到信号电极的距离；x 为入射光点到PSD中点的距离。

　　将X0 = X1 + X2 代入式（1），即可得到光点坐标：

　　显然上式与入射光强X0 无关，这就是一维PSD 的定位原理。二维PSD的基本原理与一维PSD相同，只是计算公式不同。

　　2 PSD 的选取

　　本文选取的是瑞典SiTek公司出品的SPC01光电位置传感器。它是一款二维两面分流型PSD，采用PSD使用厚膜技术制造，将PSD 传感器与处理电路集合为一体，处理电路只有前置放大、加法器和减法器，其处理电路框图如图3所示。

　　将输出电压Diff X、Diff Y 和Sum X、Sum Y 与二维位置的关系式为：

　　因此，采集对象为Diff X、DiffY、Sum X、Sum Y 四个输出量，通过对四输出量的采集，便可运用原理运算来实现PSD在二维坐标下的位置数据。

　　3 数据采集及控制电路

　　基于单片机的PSD 数据采集及控制电路由Atmega16单片机、AD1674模/数转换芯片、AD7501多路转换开关、MAX232 串行通信芯片等组成，其电路框图如图4所示。

(点击查看大图)

　　3.1 多路转换开关

　　AD7501 是一个8 通道多路转换开关，其功能是通过三个二进制的地址线来选择一个有效的输入.其具体连接关系如图5所示。