基于二维PSD的发光点运动轨迹测量系统设计(2)
3.4.1 MAX1304性能参数说明 ... 21
3.4.2 MAX1304原理图绘制 . 22
3.5 单片机和FPGA最小系统设计 ... 24
3.5.1 FPGA最小系统设计 .. 24
3.5.2 单片机最小系统设计 28
3.5.3 最小系统设计实物图 30
3.6 本章小结 31
4 软件程序设计 .. 32
4.1 软件程序总体方案设计 32
4.2 MAX1304时序控制—即FPGA软件程序设计 33
4.2.1 MAX1304配置寄存器程序设计 . 33
4.2.2 MAX1304启动一次转换分析 ... 34
4.2.3 MAX1304读取转换结果程序设计 ... 35
4.2.4 MAX1304配置及读取总体流程图 ... 37
4.3 单片机程序设计 .. 38
4.3.1 单片机程序流程图 .. 38
4.3.2 单片机软件总程序 .. 38
4.4 本章小结 38
5 实验及数据分析 39
5.1 实验 39
5.1.1 实验准备 .. 39
5.1.2 处理、分析数据 40
5.2 本章小结 42
结 论 ... 43
致 谢 ... 44
参考文献 .. 45
附录A 调制光源产生PWM程序 .. 47
附录B FPGA程控程序 . 49
附录C 单片机程控程序 52
附录D 实物图 60
1 绪论 PSD 属于分割型器件，是一种新型的半导体位置信息连续输出探测器或称为坐标电池，从这个角度可认为是光伏器件。 除了PSD这种光电位置传感器（或光电位置敏感探测器）外，现今主要应用的光电位置传感器还包括Charge scan device(简称 CSD，电荷扫描器)、 Charge coupled Device （简称 CCD，电荷耦合器)、象限探测器、Charge inject device（简称CID，电荷注入器)以及红外焦平面探测器。他们的共同特点就是：可以对照射到其敏感表面的光点进行定位。 以上对敏感表面的光点进行定位的器件相对来说都有优缺点，尤其对成本及精度方面的要求比较高时。所以本文拟采用象限探测器和位置敏感探测器(PSD)，但是象限探测器用于位置测量时仍有不足之处，比如当象限探测器进行分割时会产生死区尤其当光斑较小时死区的影响更为明显；而且如果当被测光斑全部落入某个象限时，象限探测器输出的电信号也无法反应光斑的位置，因此它的测量范围不大。 所以本文主要使用的是PSD (position sensitive deteetor)。 与其它光电位置探测器相比PSD具有分辨率高、响应速度快、信号处理相对简单、对光源、光学系统的要求比较低、光谱响应比较宽等优点[1]。 1.1 课题背景和意义 光电测量法是非接触测量的一种，其是一种较为成熟的测量方法测量分辨率非高，对长度进行测量时，有的方法分辨率可达1nm以下，现在的高级机床等精密机械基本都采用了光电测量法用以提高其加工精度。但光电测量法同样有自己的弊端，比如采用其原理的测量仪器对环境的要求较高，通常仅适用于计量室等较好的环境。 近几十年来各种高性能光电器件不断完善并迅速发展，这使得光电法非接触式测量方法有了长足发展。传统的测量物体位移的激光法有了崭新的发展空间并且发展成为非常适合于目前工业现场的一种测量方法。它是使用光源发射光照射于被测物体上再利用光电位置敏感探测器如前面介绍的Charge coupled Device（简称CCD，电荷耦合器)、象限探测器、Charge inject device（简称 CID，电荷注入器)以及位置敏感器件 PSD 等来接收被测面的反射或漫散射光计算得出被测面的位移值。上面的测量方法已经在各种工业和军事上应用非常广泛。 本文就是利用二文 PSD 来测量发光点的运动轨迹。分析了 PSD 工作原理以及各种因素法的干扰对PSD精度性能的影响。研究了PSD对调制光(脉冲调制)的响应过程。制作了电路板。设计PCB，优化设计。为基于PSD的定位装置的发展打下了基础。 1.2 PSD 的结构分类及位置坐标计算方法 PSD 能准确给出入射光点在光敏面上的位置。当入射光是一个小光斑照射到光敏面时 PSD 的输出则与光斑能量中心位置有关。这种器件的特点是: 光斑位置可连续测量而且对光斑的形状无严格要求。 1.2.1 PSD分类 PSD 分为一文 PSD 和二文 PSD 分别可确定入射光点的一文位置坐标和二文位置坐标。一文 PSD 从感光面的连续性来看分为离散型和连续型。二文 PSD 相对于一文 PSD 类型较多但也基本上分为双面分流型和单面分流型两种。 （1）一文PSD 1）连续型一文PSD是指其光敏面具有连续的特点。如图1.1示，左边为连续型一文PSD的剖面图，右边为连续型一文 PSD 的俯视图。设 PSD 两端输出电流分别为 I1和 I2则入射光的重心位置表达式为： 2）为了改善连续型一文PSD的线性度，离散型一文PSD就是将连续的感光面分成离散的感光面而形成的。典型的离散型一文PSD为一文梳状结构PSD。 （2）二文PSD 二文PSD根据电极的位置可以分为双面分流型或者单面分流型PSD。 根据光敏面的形状可以分为四边形结构、二面型结构及枕形结构三类。其中四边形结构PSD为单面分流二面型，枕形结构为双面分流二面型。 1）图1.2为四边形结构PSD简化结构图。背面公共电极5用来加偏置电压，光敏面四周引出四条电极1.4。设四条电极输出电流分别为I1、I2、I3、I4，光敏面尺寸为L*L，则入射光斑的重心位置表达式为： 公式1.2和1.3是以光敏面中心点为参考点计算得到的。 四边形结构的优点是暗电流小、加反向偏置容易且制作工艺简单;其缺点是由于电极间相互影响致使输出的电信号非线性失真很大。
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