毕业设计（论文）基于PSD浓度检测系统设计与分析.doc

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1、SHANDONG 毕业论文基于PSD浓度检测系统设计与分析学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2011 年 6 月摘 要在化工制药、轻工食品饮料环保等各部门以及科研国防各个领域，都要求对液体浓度等参数进行检测与控制。目前，工业生产中检测液体浓度的方法比重法、化学分析法、超声波法及光学法等。但这些方法都需要费时和繁琐的人工取采样，滞后性大，无法实现液体浓度的实时在线检测，鉴于以上存在的问题，本文设计了一种基于位置敏感器件（PSD）的新型浓度检测系统。本系统是利用当入射光线固定，液体的浓度发生变化将导致其折射率也跟着变化这一理论基础，利用位置敏感探测器测量出光线偏移量的大小，进而

2、得出液体的折射率并计算出液体的浓度。所以，基于PSD的浓度检测系统主要由半导体激光器、双隔离窗光学系统、PSD信号处理电路、基于MSP430单片机的A/D采集运算控制电路和显示电路等组成。由激光器发出激光，经过光学系统照射在一维PSD上，PSD信号经处理电路，再由单片机A/D转换模块将模拟量转换为数字量，同时单片机处理数据后，由显示电路显示出待测液体的浓度。基于PSD的浓度检测系统检测方法的准确性在理论分析和实验仿真中得到了验证，实验表明，该系统具有结构简单、灵敏度高、稳定性好、响应时间快以及自动化程度高等优点，能够方便、准确地实现液体浓度的实时在线检测。关键词：浓度检测 , 位置敏感器件（P

3、SD），半导体激光器，MSP430单片机 ABSTRACT In the chemical and pharmaceutical, light industry and food and beverage and environmental protection departments and the various fields of scientific research and national defense are to detect and control the parameters of the liquid concentration. At present, the pro

4、portion of liquid concentration detected in the industrial production method, chemical analysis, ultrasonic and optical method. However, these methods are time-consuming and tedious manual to take sampling lag, can not achieve real-time online detection of the liquid concentration, in view of the ab

5、ove problems, this paper designs a new type of concentration detection system based on position sensitive detector (PSD). In the chemical and pharmaceutical, light industry and food and beverage and environmental protection departments and the various fields of scientific research and national defen

6、se are to detect and control the parameters of the liquid concentration. At present, the proportion of liquid concentration detected in the industrial production method, chemical analysis, ultrasonic and optical method. However, these methods are time-consuming and tedious manual to take sampling la

7、g, can not achieve real-time online detection of the liquid concentration, in view of the above problems, this paper designs a new type of concentration detection system based on position sensitive detector (PSD).This system is used when the incident light is fixed, the density of the liquid changes

8、 its refractive index also followed changes in the theoretical basis of the position sensitive detector to measure the size of the light offset, and then draw the liquids refractive index and calculate out the concentration of the liquid. Therefore, the concentration detection system based on the PS

9、D by the semiconductor laser, the optical system of double isolation window, the PSD signal processing circuit, based on the MSP430 microcontroller A / D acquisition operation control circuit and display circuit and other components. Issued by the laser laser, optical system irradiation in one-dimen

10、sional PSD, the PSD signal by the processing circuit, and then by the microcontroller A / D converter module will convert analog to digital, single-chip processing the data displayed by the display circuit under test the concentration of the liquid.Concentration detection accuracy of the detection m

11、ethod based on the PSD has been verified, the theoretical analysis and simulation experiments show that the system has a simple structure, high sensitivity, good stability, fast response time and high degree of automation, to facilitate the accurate real-time online detection of the liquid concentra

12、tion.Keywords: concentration detector, position sensitive detector (PSD), semiconductor lasers, the MSP430 microcontroller目 录摘 要.IABSTRACT.II目 录.IV第一章 引 言.11.1 课题研究的目的和意义11.2 液体浓度测量的国内外研究现状11.3 本论文的主要研究内容2第二章 系统总体方案设计.42.1系统总体方案设计42.2 系统性能指标5第三章 光学系统设计.63.1 光源的选择63.2 光学系统设计7第四章 基于MSP430单片机的PSD信号处理电路

13、设计104.1 PSD工作原理及选型104.1.1 PSD工作原理104.1.2 PSD性能分析124.1.3 PSD的选型124.2 PSD信号处理电路144.2.1 PSD信号处理电路基本原理144.2.2 实用的PSD信号处理电路设计144.3 MSP430单片机系统244.3.1 MSP430单片机概述244.3.2 单片机电路设计274.3.3 LED显示电路设计30第五章 系统软件设计335.1 系统软件总体设计流程335.2 ADC采集转换程序345.3 数据处理程序设计365.4 LED显示程序设计37第六章 浓度检测总体系统与误差分析396.1 浓度检测总体系统396.2 误

14、差分析406.2.1 位置敏感器件对系统的影响406.2.2 温度对系统测量的影响416.2.3 偶然因素对系统的影响42总 结43参考文献44致 谢46附 录47第一章 引 言1.1 课题研究的目的和意义浓度检测室是工业生产中至关重要的的一项工作，它直接关系着产品的质量，生产厂商一方面在化验室中对产品的浓度进行检验，另一方面还要求在生产线上对产品的浓度进行时时监控。相比化验室步骤繁琐的抽样检验，在线实时检测更具有时效性，而且更易控制产品质量。在在线时时检测系统中，操作人员在生产过程中可以随时掌握产品浓度的变化情况，及时采取措施，实现实时控制，从而使产品的浓度控制在要求的范围内，这对于保证产品

15、的质量有很重要的意义。目前液体浓度的检测方法虽然很多，但大部分采用接触式检测方法，此类方法对某些有害液体有一定危险性。本文所设计的基于PSD的浓度检测系统利用位置敏感器件PSD作为光敏元件，使用比较简单的光学系统和更为集成的电子电路便可以非常稳定地检测液体的浓度，大大节省成本，并且由于PSD只对光斑能量中心敏感，因而对光源的变化影响可忽略不计，降低了对准直聚焦光学系统的要求，更具有现实意义。1.2 液体浓度测量的国内外研究现状目前，工业生产中检测液体浓度的方法有很多，如比重法、化学分析法、超声波法及光学法等。这些检测方法的原理和设备结构有着非常大的差异，其适用的部门和场合也各不相同，而且各有其

16、优点与不足。比重法，使用起来比较方便，但在工业生产中，经常要在大型的槽或池中检测不同深度处的溶液浓度，而且由于比重计采用的是浮力原理，因此它只能检测到表面上层溶液的浓度，不能满足检测需求。另外在多组分溶液的装置中，用比重法也无法进行测量。化学分析法，此种方法虽然具有较高的检测精度，但它在使用过程中所耗费许多化学试剂非常昂贵，而且又需要很长的分析周期，不能满足时时在线检测的要求，最重要的是成本比较高。这些传统的液体浓度检测方法各有其局限性，它们都需要人工取采样，无法实现实时的在线检测，同时取样费时和繁琐，滞后性大，分析的结果又不是当时的情况，而且在时间间隔内，我们对的溶液浓度的变化是无法把握的，

17、这就对工业生产的产品质量和自动化控制造成了很大的影响，所以它们的应用范围有限，不能适应现代工业生产的实际要求。国外已报道的有：伯格曼通过使用光纤探头来检测各种液体的浓度、折射率；纳拉亚南，通过利用激光的棱镜检测含糖液体的浓度；Longtin and Fan以一个长方形单元为基础测量静止液体的浓度。其他同类的检测技术有平面荧光技术、热标记技术和干涉测量法技术等。国内已报道的有：浮力法、重力法、静压法、折光法、振动法、同位素法、势力学法及电导法等。然而，这些技术不是实验装置复杂就是所用材料价格昂贵，不能适用于流动液体浓度实时检测。采用光电传感检测的方法对溶液浓度的进行检测具有方便、快捷、不污染待测

18、液体、易于与电路系统进行连接实现信号的处理，系统的控制等。从而更加适应现代工业生产的检测要求，具有广阔的应用前景，所以越来越受到重视，有关的研究和应用也越来越多。光电传感检测的方法测量液体浓度的理论基础是光线透过待测溶液或者在待测溶液的界面上进行反射时，溶液浓度的变化会引起光线折射角度、偏振方向，溶液对光线的吸收率、折射率等物理量的变化，如果能将它们与溶液的浓度建立起关系，就可以通过测量这些物理量的变化来测量液体的浓度。本文采用的是光透射方法，采用了双隔离窗和双平面镜的独特光学系统，利用光电位置敏感器件检测出光线偏移量的大小，得到液体的折射率，进而计算出液体浓度。1.3 本论文的主要研究内容本

19、论文从原理分析、硬件设计、软件设计及误差分析等方面对基于PSD浓度检测系统进行设计与分析，主要研究内容为：(1)系统总体设计方案及框图(2)PSD特性分析(3)光学系统的设计(4)信号处理电路的设计(5)A/D转换及单片机控制电路设计(6)显示电路设计(7)浓度检测系统图设计(8)系统程序设计(9)系统误差分析本文的研究重点在光学系统的确定、PSD信号处理及单片机控制系统的研究，相比以往的浓度检测系统，设计了新型的光学系统、选择了位置敏感探测器PSD并建立相应的单片机软硬件系统。在传统的浓度检测系统中，比较用见的是比重法和化学分析法，采用光电系统检测浓度还是比较少见得。在已了解到的利用激光透射

20、方法进行浓度测量的系统中，系统结构比较复杂，造成误差来源较多，所用传感器敏感度不高，难以有效提高测量精度。本系统采用了一种新的光学系统双隔离窗透射法，利用光在液体浓度变化时引起折射率变化的原理，对浓度测量，通过引入高精度的位置敏感器件PSD作为接受传感器，同时采用外围设备丰富的MSP430系列单片机作为核心处理芯片，从而简化了检测系统的整体结构，使得安装调试更为简便，同时减少了许多误差来源，保证了测量值的较高精度，这是本文的创新之处。 第二章 系统总体方案设计浓度的变化会引起液体对光的折射率的变化，对于由激光器发出的固定倾斜入射的光线，折射率的变化会导致出射光线发生偏移，利用位置敏感器件（PS

21、D）将得到的电流信号经过放大处理后检测出偏移量的大小，将这个模拟量经过A/D转换后发送给单片机，以单片机为核心对浓度检测系统进行控制处理，最后由显示系统显示液体的浓度。2.1系统总体方案设计基于PSD浓度检测系统主要包括以下几部分：半导体激光器、光学系统、PSD信号处理电路、基于单片机的A/D转换与控制系统和显示电路等。液体浓度检测系统的系统框图如图2-1：半导体激光器光学系统PSD传感器PSD处理电路基于MSP430单片机的A/D转换采集与控制系统显示电路系统按键输入图2-1 液体浓度检测系统的系统框图系统工作原理为：由激光器发出激光，经过光学系统照射在一维PSD上，PSD信号经处理电路，再

22、由单片机A/D转换模块将模拟量转换为数字量，同时单片机对数据处理后，由显示电路显示出待测液体的浓度。在整个系统中，以单片机为核心处理控制器件，进行数据处理，控制A/D转换模块、LED显示系统与按键输入，对整个系统负责，使检测系统自动智能化。 2.2 系统性能指标基于PSD浓度检测系统的主要技术指标有：系统分辨力、系统测量范围、系统测量精度等。 1、系统分辨力系统理论可分辨0.00001的折射率变化，但实际测量中，将会受放大器、A/D转换采集和单片机处理的影响，综合分析，系统的分辨力可达0.0025。 2、系统测量范围系统中采用了日本滨松公司的S3932型，其有效敏感区为112mm2，考虑到边缘

23、误差太大，实际可用约11.6mm，可测量折射率1.229861.50137。如果增加PSD的长度，则测量范围可进一步加大。 3、系统测量精度系统测量精度取决于系统误差修正后的残差和偶然误差的总均方根值。若以表示浓度检测系统的测量精度。则： 第三章 光学系统设计3.1 光源的选择光电测量系统的光源一般有钠灯、发光二极管、激光器等可以选择。对于本文所选用光源的的要求是单色性好、方向性强、稳定性比较好、光亮度较高，结构简单、使用方便等。1、钠灯钠灯利用钠蒸汽放电产生可见光的电光源。钠灯分别在589.0纳米和589.6纳米的两条双D谱线上集中了主要的放电辐射，它们与眼视觉曲线的最高值（555纳米）非常

24、接近人，所以它的发光效率非常高，因此钠灯是比较重要的单色光源之一。钠灯的光源质量比较好，为标准参考波长，所以测量出来的数值不需要修正，但体积比较大，需要限流器，启动电压也比较高。2、发光二极管发光二极管，常简写为LED。它与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。LED具

25、有体积比较小、坚固耐用、使用电压低、寿命比较长等优点，但它的单色性较差，强度较弱，方向性也不理想。3、激光器激光光源是一种新型光源，与其他光源相比有单色性好、方向性强、光亮度极高的优点，因而在国防、科研、工农业生产和医疗方面得到广泛的应用。半导体激光器(激光二极管LD)具有单色性好，方向性比较好，体积小、寿命长、转换效率高，而且其制造工艺和半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容，便于与其他器件实现单片光电子集成。并且还可以用频率高达GHz的电流进行直接调制而获得高速调制的激光输出。本系统使用中国科学院半导体研究所(海特光电子技术公司)生产的HTL67T05型5mw输出670nm基横模量子阱激光

26、器。3.2 光学系统设计1、基本光学原理浓度检测的基本光学原理如图3-1所示，当待测液体浓度发生改变时，入射光线折射角也将变化，通过测量光线折射角度的偏移（这一偏移几乎与待测液体浓度成正比），经计算就可以得出待测液体的浓度。入射光线待测液体dn蒸馏水图3-1 液体浓度检测的基本原理图测量水槽由两部分组成，一部分装有参考液体（即蒸馏水），另一部分装有待测液体，中间倾斜放置一块透射的光学玻璃窗将两部分隔开，这样，当两部分液体折射率差值变化时入射光的折射角度也跟着变化。当光线如图3-1所示的情况入射，则两种液体折射率之差与光线偏移量d之间的关系可用如下表示： (3-1)其中，为光线出射角，为光线入射

27、角，k为与结构有关的常量。2、光学系统图基于浓度检测的基本光学原理，本文采用了一种双隔离窗的光透射液体浓度检测的实验装置。如图3-2所示。蒸馏水2蒸馏水1水槽双平面镜待测液体光学透射窗2光学透射窗1PSD滤光片激光器图3-2 双隔离窗光透射液体浓度检测实验装置光学系统由两个装有蒸馏水的参考水槽和一个装有待测液体的测量水槽组成，用两个平行放置的光学透射窗将三个水槽隔开，水平入射的光线通过第一部分蒸馏水后经光学透射窗1进入待测液体，并产生入射角。在装有第二部分蒸馏水的水槽中装有两个互成90度的平面镜，光线经过两个平面镜的反射后，经由透射窗2再次进入待测液体，同样又产生一个入射角，最后光线经由第一部

28、分蒸馏水出射，通过滤光片投射在PSD的光敏面上，当待测液体浓度发生变化时，投射到PSD的光敏面上的光斑位置也发生变化，这一变化经PSD线性输出，又通过后续电路的处理计算最终实现浓度的检测。加入滤波片的目的是为了滤除大部分环境杂散光对检测的影响。光线的几何轨迹如图3-3所示。在图3-3的几何光学光线轨迹中用d来表示PSD所测得的被测液体是待测液体（虚光线）和蒸馏水（实光线）时的光线偏移量。根据图3-3所示几何关系和光学折射定律有： （3-2） （3-3） （3-4）和 （3-5） （3-6）式中，为两隔离窗距离。从式中可以看到，当入射角、参比液体和两隔离窗间距选定以后，、和就是固定值，将（3-2

29、）、（3-3）式代入（3-1）式得到光线偏移量为 （3-7）第四章 基于MSP430单片机的PSD信号处理电路设计4.1 PSD工作原理及选型4.1.1 PSD工作原理光电位置敏感探测器PSD（Position Sensitive Detector）是一种对其感光面上入射光斑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

30、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4-1（a）所示。表面的P层为感光面，其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。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I和I。显然，I和I之和等于光生电流I，而I和I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和R。如果PSD表面层的电阻是均匀的，则PSD

31、的等效电路为图4-1b所示的电路。由于R很大，而C很小，故等效电路可简化成图4-1 (c) 的形式，其中R和R的值取决于入射光点的位置。假设负载电阻R阻值相对于R和R可以忽略，则有： = (4-1)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（4-1）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= I+ I与式（4-1）联立得：图4-1 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 （4-2） （4-3）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

32、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： （4-4）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称为一维PSD的位置输出信号。4.1.2 PSD性能分析为了选择一个合适的PSD器件，首先要对PSD的主要性能指标进行分析。性能指标主要包括峰值响应灵敏度、响应速度、位置分辨率、位置线性度和暗电流。(1)峰值响应灵敏度是PSD输出电流与入射光功率之比，即在单位光功率的作用下PSD的最大输出电流。因为系统要进行远距离测量，由于光源能量的衰减，峰值响应灵敏度就成为选择PSD的重要参数

33、。选择较高的响应灵敏度，有利于提高系统的信噪比。(2)响应速度是反映PSD瞬态特性的重要指标，PSD的结电容和极间电阻越小响应速度越快。(3)位置分辨率是指最小可探测的光斑移动距离，它主要受器件尺寸、信噪比等因素影响。一般规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)位置线性度是指光点沿着直线移动时PSD的位置输出偏离该直线的程度。由于PSD N区材料的不均匀性和电极形状等因素而造成P区上电阻率不为恒量，导致PSD呈非线性，因此在使用过程中人为地将PSD敏感面划为A区和B区。(5)暗电流由体漏电流和表面漏电流两部分组成，表面漏电流取决于材料质量、器件制作过程所采取的表面

34、钝化工艺。暗电流存在于所有工作在反偏状态下的结型器件中，因此在PSD中也存在。由于存在暗电流，在设计信号放大器时必须选择具有适当偏置电流的运算放大器。4.1.3 PSD的选型结合PSD的性能参数、系统测量范围和测量精度的分析，本文选用日本滨松公司的S3932型PSD产品，其响应速度为3，分辨率为0.3，有效敏感区为112，光谱响应特性曲线如图4-2，它主要性能参数如表4-1所示。(Typ，Ta=26)OE=50%400600800100000.20.40.60.8OE=100%S3979S3931S3932响应灵敏度（A/W）波长（nm） 图4-2 S3932光谱响应范围特性曲线 表4-1 S

35、3932型PSD的主要性能参数光敏面112mm2光谱响应范围3201100nm上升时间3.0(VR=5V，RL=1K)结电容80pF(VR=5V，f=10kHZ)暗电流0.220nA(VR=5V)极间电阻3080(Vb=0.1V)工作温度-1060分辨率0.3位置测量误差604.2 PSD信号处理电路4.2.1 PSD信号处理电路基本原理PSD两极输出的只是光电流I1和I2，要想得到位置输出信号Px必须要有相应的信号处理电路的支持。因为Px=（I1I2）/（I1I2），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4-3所示，光电流I1和I2先

36、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I1I2和I1I2。最后I1I2和I1I2通过除法电路IC6 得到位置输出信号Px=（I1I2）/（I1I2）。我们可以将位移与液体浓度变化值之间的线形因数折算到PSD的长度之中选择合适的电阻阻值将输出的位置信号在这一步将转化为所对应的浓度数值。4-3 一维PSD基本检测原理图该电路只是信号处理的基本原理电路，在实际检测的环境中，外界的光会给以上电路的测试结果带来很大的误差，所以必须设计出实用的信号处理电路来消除背景光的干扰。4.2.2 实用的PSD信号处理电路设计本文所设计电路是通过

37、调制解调技术来去除信号中的背景光干扰，从而减小误差并对PSD信号进行处理。电路主要包括：前置滤波电路、运算电路、信号采样保持电路。1、前置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。低通滤波器如图4-4所示。输入的光电流型号I1和I2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I1和I2也是交流

38、信号。C1在电路中起的是隔直通交的作用。C2和R2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R1和R2的值还可以调整低通滤波器的输出增益。图4-4 低通滤波器2、运算电路I1和I2经过滤波之后得到两个与I1和I2倒相的电压信号VS1和VS2。为了得到最终的位置输出信号Px。必须要进行（VS2VS1）/（VS1VS2）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。实用的PSD信号处理电路设计的加法电路是通过图4-5所示的电路来实现的。图4-5 加法电路这个电路接成

39、反相放大器，由于电路存在虚短，VI=0，在P端接地时，VN=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=（Rf / R1）VS1+（Rf / R2）VS2 （4-5）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R= R= Rf，则上式变为：V0=VS1+VS2 （4-6）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。

40、因此在实用的PSD信号处理电路设计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。实用的PSD信号处理电路设计的减法电路是通过图4-6所示的差分式电路来实现的。图4-6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： (4-7)在上式中，如果选取电阻值满足Rf/R= R3/R的关系，输出电压可简化为： (4-8)即输出电压与两个输入电压之差（VS2VS1）成比例，所以图4-6所示的减法电路实际上就是一个差分式放大电路。当Rf= R时，Vo= VS2VS1。实用的PSD信号处理电路设计的除法功能是使用实

41、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VOUT =VY（VZ /VX），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。实用的PSD信号处理电路设计使用了它的双输入除法运算功能。图4-7是AD538进行VOUT =10（VZ /VX）运算的连线图。图4-7 AD538实现VOUT =10（VZ /VX）如上

42、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VZ和分子模拟信号VX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VOUT =10（VZ /VX）。式子中除法项前的系数10是由外置电路决定的。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Px。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（INS）IS （4-9a）f(INw) =

43、 Iw （4-9b）f（INSINw）ISIw （4-9c）式子中INS是信号光输入，INw是外界光输入，IS是没有外界光时的信号光产生的光电流，Iw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。PSD信号处理电路设计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INw，设外界光经过PSD产生的光电流为Iw，由于外界光强恒定所以INw和Iw也为固定常值。由处理电路设计产生一个周期为300s、脉冲宽度为90s的方波如

44、图4-8所示来驱动信号光源，从而得到调制的信号光。在没有外界光干扰的情况下，设方波高电平时输入信号为INS，经过PSD产生的光电流为IS，方波低电平时光源不发光所以输入信号和产生的光电流都为零。 T=300s t=90s图4-8 脉冲驱动方波在实际检测过程中外界光是一直存在的。加在PSD上的光是调制信号光和外界干扰光的叠加。在驱动方波高电平时输入信号为INSINw，由线性特性可知高电平时产生的光电流为ISIw。在驱动方波低电平时由于没有信号光所以输入信号为INw，产生的光电流为0Iw。分别在驱动方波高电平和低电平的时候对光电流采样保持，然后将高电平的采样保持信号ISIw和低电平的采样保持信号Iw做减法运算，最终得到的是没有外界光干扰的驱动方波高电平信号光电流Is。在实际电路设计上由于考虑到滤波电路等因素，这个采样保持电路是在加法电路和减法电路之后的。这并不影响电路去除外界光的功能。通过以上的调制解调，能将外界光干扰从信号光中去除掉。但它的前提条件是保持外界光是恒定光源。如果不是恒定光源，在高、低电平时采样的Iw不是同一个值，这会导致最后测试结果错误。PSD信号处理电路设计的调制解调电路主要有两个