PSD移动目标轨迹测量系统设计+电路图+程序(3)

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PSD信号后期处理电路的设计也会带来各种误差，例如在放大电路中，我们需要测量四路电极输出信号，由于PSD电极输出信号分别独立传输，所以各路信号传输和调理电路中的元器件应该保持一致，否则会在信号输出端产生累积误差。前置放大电路的作用是将PSD输出的电流信号转换为电压信号并放大，但是放大过程会引入噪声信号，包括运算放大器的本身自带的噪声，失调电流电压，偏置电流都会带来给测量结果带来误差。其次就是芯片本身的原理误差，例如数据采集转换误差是信号通道上所有元器件产生误差的总和，因此AD元器件本身的原理误差和环境影响AD元器件带来的误差都会给移动目标轨迹测量带来偏差，影响系统的非线性。AD元器件自身的误差有微分非线性，积分非线性，失调和增益误差以及其他因素带来的误差。积分非线性的定义为转换结果与理想转换函数之间的差距。失调误差俗称零漂是指系统在0V输入的情况下ADC器件产生的漂移。温漂在数据采集中是一个非常重要的性能指标，但是往往被忽略，在实验中，由于环境温度的变化，器件温漂可能会影响系统的精度。

在实际实验中，除了实验需要的入射光以外，会有其他光源和背景光作用在PSD的敏感表面，这样肯定会干扰到位置敏感探测器对入射光的检测，给实验系统带来严重偏差，使实验精度降低。背景光如太阳光落在PSD的敏感表面是成均匀的光强分布的，其几何中心与PSD 的敏感中心重合，在背景光的作用下，PSD各个电极探测到的电流强度相同。故背景光的作用就等同于在位置敏感探测器的敏感表面的几何中心入射一个光点。所以当背景光和入射光同时作用时，其实际测量值会在PSD敏感表面的几何中心和入射光光点之间，是两者的内插值。所以实际测量结果的坐标值会比实际值更接近于位置敏感探测器的中心，造成实验误差。

所以为了提高移动目标轨迹测量系统的准确度，降低测量环境对系统精度的影响，必须要合理选择器件与合理设计电路，以期获得一个比较良好的移动目标轨迹测量系统，这就是本次课题研究的意义及目的所在。

1.2 国内外PSD移动目标轨迹测量的发展状况

1.3 本文研究方向及所做工作

本次研究主要工作是放在通过对PSD原理熟悉，了解由于PSD结构特性等因素带来的误差并找到解决方法。再者就是对PSD信号的处理（包括驱动电路，放大电路，滤波的等电路的设计），通过实验器材检测信号处理电路的功能并改善。然后以设计FPGA为核心的信号采集、存储和读出系统，并设计移动目标轨迹测量实验，完成测量系统的功能，并分析系统的性能指标。

2 硬件电路设计

2.1 系统总体方案设计

本课题要达到的目的就是能够测量移动目标轨迹，并把测量结果通过软件在上位机PC实时显示。本课题中的移动目标轨迹测量系统主要由五个部分组成：入射光、位置敏感探测器PSD、信号处理电路、以FPGA为核心的信号采集，存储和读出系统、上位机PC。

位置敏感探测器PSD用来实时检测入射光的光斑信号转换为电流信号，并通过电流电压转换电路、信号处理电路、滤波电路对信号进行转换放大和滤波。处理过后的信号经过采样保持和AD变换，传输到以FPGA为核心的信号采集和存储读出系统，由FPGA进行位置解算过后，通过串口电路在上位机PC上显示。在整个系统中，重点是信号处理电路和以FPGA为核心的信号采集和存储读出系统。

2.2 模拟电路模块

2.2.1 偏置电压电路设计

根据PSD的原理可知，位置敏感探测器实质是P-N结，所以实际的实验使用中，需要对PSD加一个反向的偏置电压，合适的反偏电压对于系统精度会有一定的提高，在本次实验中，我们选择20V的反偏电压。但是我们实际输入电源最高只有5V，所以要设计一个电路来获得20V电压。DC-DC升压器MAX1606是Maxim公司生产的电流控制型升压开关稳压电源专用集成电路。具有体积小、效率高、外围电路简单等优点，MAX1606属于低功耗的CMOS集成器件