CN104111083B - 位置敏感探测器输出信号的处理电路与处理方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲激光照射下位置敏感探测器输出信号的处理电路与处理方法，所述的处理电路由前端处理电路、通道切换电路和输出电路组成，所述的前端处理电路包括多组功能完全相同的子电路，每一组子电路处理一个PSD输出的电流信号，所以，前端处理电路所包括子电路的数量等于需要处理的PSD的数量。本发明具有多组独立的前端处理电路，能够同步处理多路PSD信号；采用积分保持电路，能够处理短脉冲激光照射下PSD的输出信号；多组PSD信号由同一组输出通道分时输出，节约数据采集硬件资源；采用差分输出电路，提高了装置的抗干扰性。

Description

位置敏感探测器输出信号的处理电路与处理方法

技术领域

本发明涉及光电探测领域，特别是一种位置敏感探测器输出信号的处理电路与处理方法。

背景技术

位置敏感探测器(Position Sensitive Detector，以下简称为PSD)是一种利用半导体PN结的横向光电效应工作的位置敏感探测器件。它不仅具有灵敏度高、位置分辨率高和良好的瞬态响应特性，并且其检测位置输出只与光斑能量中心有关，与光斑形状和大小无关。因此，PSD广泛应用于微位移测量、空间通信、粒子物理、高能物理、生物医学、闪烁成像、半导体制造等领域。

在先技术1“一种PSD信号的处理方法”(中国申请号201310151842.2)，这种方法是在PSD前面放置脉冲光源，当脉冲光源发出脉冲光时，PSD信号经放大后由AD采集；当脉冲光源关闭时，PSD信号经放大后由AD采集。AD第一次采集到的数据与第二次采集到的数据相减，得到脉冲光源的真实信号。这种方法可以消除背景光的干扰，但是这种方法用到的脉冲光源需具有一定的脉冲宽度，PSD能够输出稳定的信号，使得PSD的信号能够被AD直接采集。因此，此方法对脉冲激光的脉冲宽度和重复频率都有一定的要求。

在先技术2“一种基于调制光的PSD信号单通道处理方法及处理电路”(中国申请号201210083070.9)，这种方法首先通过调制激光产生调制光信号，利用激光三角法使光斑成像于PSD上，然后通过I-V转换电路将PSD两端输出的电流信号转换为电压信号，接着通过电子开关切换将两路信号用同一信号处理通道来进行后续信号处理。后续电路主要包括比例放大、高阶带通滤波、峰值检波和AD转换电路。这种峰值检波法虽然降低了系统对AD转换电路的频率要求，但是PSD在短脉冲光下的输出信号的时间很短，只有几微秒，峰值检波很难捕捉到信号。同时，尽管采用电子开关切换的方法使用同一通道对PSD输出的两路信号进行处理，但只能分时对两路信号进行处理，若在对第二路信号进行处理时突遇光斑位置的变化，则可能给出错误的位置信息。

发明内容

针对上述在先技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种在短脉冲激光照射下的位置敏感探测器输出信号的处理电路与处理方法。本发明具有多组独立的前端处理电路，能够同步处理多路PSD信号；采用积分保持电路，能够处理短脉冲激光照射下PSD的输出信号；多组PSD信号由同一组输出通道分时输出，节约数据采集硬件资源；采用差分输出电路，提高了装置的抗干扰性。

本发明采用以下技术方案实现：

一种脉冲激光照射下位置敏感探测器输出信号的处理电路，其特点在于由前端处理电路、通道切换电路和输出电路组成，所述的前端处理电路包括多组功能完全相同的子电路，每一组子电路处理一个PSD输出的电流信号，所以，前端处理电路所包括子电路的数量等于需要处理的PSD的数量；每组子电路均包括4个I-V变换电路、3个运算电路和3个积分保持电路；所述的前端处理电路的输入为PSD输出的电流信号，输出信号为通道切换电路的输入信号；

所述I-V变换电路的作用是把PSD输出的电流信号转化为电压信号，其输入为PSD输出的电流信号I_x1、I_x2、I_y1和I_y2，输出信号为相应的电压信号V_x1、V_X2、V_y1和V_y2，并作为运算电路的输入；

所述的运算电路的作用是把信号处理为能够反映光斑在PSD上的位置的信号，其输入信号为I-V变换的输出信号V_x1、V_X2、V_y1和V_y2，输出信号为DX～、DY～以及SUM～作为积分保持电路的输入信号；

所述积分保持电路的作用是把很窄的信号转换为具有一定宽度的信号，方便后续采集。其输入信号为运算电路的输出信号DX～、DY～以及SUM～，输出信号DX、DY以及SUM作为通道切换电路的输入；积分保持电路的积分或保持状态由电路中信号输入开关和充电开关控制。所述子电路中的3个积分电路的3个信号输入开关和3个充电开关应同时打开或关闭。

所述的通道切换电路用于选择所述的前端处理电路中不同列的子电路的信号输出至所述的输出电路。所以，所述通道切换电路的输入信号为所述前端处理电路的子电路中的积分保持电路的输出信号，输出信号作为所述的除法电路的输入信号。所述的通道切换电路包括多组开关，其开关的组数等于所述的前端处理电路中子电路的数量。所述的通道切换电路中的每组开关由3个开关组成，这3个开关同时打开或关闭。但在某一时刻，所述的通道切换电路中只有一组开关处于关闭状态，表示此时只有与此组开关相连接的所述前端处理电路中的子电路的信号输出至所述的输出电路。

所述的输出电路包括除法电路和差分电路；无论本发明中的所述前端处理电路包含多少组子电路，而所述的输出电路只包含一组输出电路。所述除法电路的作用是根据积分电路的输出结果，计算光斑在PSD上的位置。其输入信号为通道切换电路的输出入信号，输出信号PX、PY作为差分电路的输出信号。

所述差分电路的作用是把信号转为差分信号，在本发明中作为最终输出接口，其输入信号为除法电路的输出信号PX、PY，输出信号PSD_X+、PSD_X-、PSD_Y+和PSD_Y-作为PSD信号处理电路的最终输出信号。采用差分处理的目的是减小噪声，提高抗干扰能力。

利用上述处理电路，本发明的处理方法包括以下步骤：

①初始时，所述的前端处理电路中的积分电路的信号输入开关处于断开状态，充电开关处于闭合状态，通道切换的所有开关处于断开状态；

②检测激光器的同步脉冲信号，当检测到所述激光器的同步脉冲信号时，同时闭合所述的前端处理电路中的所有积分保持电路的信号输入开关闭合，此时，所有的积分保持电路中的充电开关断开，积分保持电路处于积分状态，此时开始对信号进行积分；

③积分结束后，同时断开所述的前端处理电路中全部积分电路的信号输入开关，此时，所有的积分保持电路中的充电开关仍处于断开状态，此时积分保持电路处于保持状态，可输出平稳的直流信号；

④同时闭合所述的通道切换电路中第一组开关中的3个开关，表示所述前端处理电路中的第一组子电路中的3路信号同时输出，也就是经所述的前端处理电路处理后的第一个PSD的信号输出至输出电路；

⑤断开第一组开关，同时闭合第二组开关，输出第二个PSD的信号；

⑥依次进行上述操作，当所有通道的PSD信号全部输出结束后，闭合积分保持电路的充电开关，对积分保持电路复位；

⑦等待下一个激光器的脉冲同步信号，并重复步骤②。

与在先技术相比，本发明有以下优点：

1、可同步处理多路PSD信号

本发明可以处理多路PSD信号，他们有独立的前端处理通道，并且能够在积分保持电路中同步进行信号的积分和保持，所以本发明可以在某一时刻同时处理多路PSD的输出信号

2、能够处理短脉冲激光照射下PSD的输出信号。

PSD对短脉冲激光的响应特点是：只能输出一个窄的脉冲信号，脉宽小于1μs，通常不能直接采集。本发明采用积分的方法对PSD的信号进行积分后保持，可以增大采集信号幅值和信号宽度，便于后续的采集，克服了在先技术要求PSD输出稳定信号，或者一定时间宽度的脉冲信号的局限。

3.节约数据采集硬件资源

多路PSD的信号采用分时输出的方法，多个PSD的信号仅需一个输出电路，节约了数据采集的硬件资源。

4.抗干扰性强

本发明采用差分输出的方式输出PSD的信号，使在AD采集之前的信号传输的抗干扰性增强。

附图说明

图1是本发明PSD信号处理的原理示意图。

图2是本发明的I-V变换电路的一个实例。

图3是本发明的运算电路的实例，其中(a)是运算电路1的一个实例，(b)是运算电路2的一个实例。

图4是本发明的运算电路3的一个实例。

图5是本发明的积分保持电路1的一个实例。

图6是本发明的除法电路1的一个实例。

图7是本发明的差分电路1的一个实例。

图8是本发明的控制时序示意图。

具体实施方式

本发明所列举的实施例，不应理解为本发明保护范围的鉴定。在不脱离本发明思想的前提下，对本发明的改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围。

请参阅图1，图1是本发明PSD对短脉冲激光响应的信号处理方法的原理示意图。由图可见，本发明由前端处理电路、通道切换电路以及输出电路组成。所述的前端处理电路包括多组功能完全一样的子电路，每一组子电路处理一个PSD输出的电流信号，所以，前端处理电路包括子电路的数量等于需要处理的PSD的数量。每组子电路均包括并串联的4个I-V变换电路、3个运算放大电路和3个积分保持电路。所述的前端处理电路的输入为PSD输出的电流信号，输出信号为通道切换电路的输入信号。

前端处理电路以PSD1前端处理电路为例，所述PSD电流信号I_x1、I_x2、I_y1和I_y2经I-V变换后输出电压信号V_x1、V_X2、V_y1和V_y2。所述V_x1、V_X2、V_y1和V_y2信号经运算电路1后输出DX～，所述DX～信号经积分保持电路1后输出DX；所述V_x1、V_X2、V_y1和V_y2经运算电路2后输出DY～，所述DY～经积分保持电路2后输出DY；所述V_x1、V_X2、V_y1和V_y2信号经运算电路3后输出SUM～，所述SUM～经积分保持电路3后输出SUM。当所述开关组S1闭合，同时所述S2～Sn断开时，所述PSD1通道的信号DX、DY以及SUM信号可以进入输出通道。所述DX和SUM信号经除法电路1后输出PX；所述DX和SUM信号经除法电路2输出PY。PX和PY分别经过差分电路1和差分电路2后分别输出PSD_X+、PSD_X-、PSD_Y+和PSD_Y-。

所述其他PSD前端处理电路与PSD1前端处理电路有相同的处理方法。

请参阅图2，图2是本发明的I-V变换电路1的一个实例电路图。所述I-V变换电路2的输入信号为I_x1，输出信号为V_x1。I-V变换电路1包括一运放U1，四个电阻R1、R2、R3和R4，一电容C1。所述运放U1的正输入端与所述输入信号I_x1、所述电阻R1的一端、R2的一端以及C1的一端相连，所述运放U1的正输入端2与所述电阻R3的一端、R4的一端相连，所述运放U1的输出端作为I-V变换电路的输出端输出V_x1，同时与所述电阻R1的另一端以及所述电容C1的另一端相连，所述电阻R2的另一端与12V电压相连，所述电阻R3的另一端与12V电压相连，所述电阻R4的另一端与地相连。当R1＝R2＝R3＝R4＝R时，

V_x1＝-I_x1×R。

所述I-V变换电路2和I-V变换电路3与I-V变换电路1有相同的原理。

请参阅图3，图3(a)是本发明的运算电路1的一个实例。运算电路1的输入信号为V_x1、V_X2、V_y1以及V_y2，输出信号为DX～。运算电路1包括一运放U1，六个电阻R5、R6、R7、R8、R9以及R10。所述运放U1的负输入端3与所述电阻R5的一端、R6的一端以及R9的一端相连，所述运放U1的正输入端2与所述电阻R7的一端、R8的一端以及R10的一端相连，所述运放的输出端1作为运算电路1的输出端输出信号DX～，同时与R9的另一端相连，所述电阻R5的另一端与所诉输入信号V_y1相连，所述电阻R6的另一端与所述输出信号V_X2相连，所述电阻R7的另一端与所述输入信号V_x1相连，所述电阻R8的另一端与所述输入信号V_y2相连，所述电阻R10的另一端相连。当R5＝R6＝R7＝R8＝R9＝R10时DX～＝(V_x2+V_y1)-(V_x1+V_y2)

图3b)是本发明的运算电路2的一个实例电路图。图3b)与图3a)有相同的原理，但是V_X2和V_y2输入到负输入端，V_x1和V_y1输入到正输入端，当R11＝R12＝R13＝R14＝R15＝R16时，DY～＝(V_X2+V_y2)-(V_x1+V_y1)

请参阅图4，图4是本发明的运算电路3的一个实例电路图。所述运算电路3的输入信号为V_x1、V_X2、V_y1以及V_y2，输出信号为SUM～，运算电路3包括1运放U4和七电阻R17、R18、R19、R20、R21、R22以及R23。所述运放U4的负输入端3与所述电阻R21的一端以及R23的一端相连，所述运放U4的正输入端2与所述电阻R17的一端、R18的一端、R19的一端、R20的一端以及R21一端相连，所述运放U4的输出端作为运算电路3的输出端输出信号SUM～，同时与所述电阻R21的另一端相连，所述电阻R17的另一端与所述输入信号V_x1相连，所述电阻R18的另一端与所述输入信号V_y1相连，所述电阻R18的另一端与所述输入信号V_X2相连，所述电阻R20的另一端与所述输入信号V_y2相连，所述R22的另一端接地，所述电阻R23的另一端接地。当R17＝R18＝R19＝R20＝R21＝R22＝R23时，SUM～＝V_x1+V_X2+V_y1+V_y2

请参阅图5，图5是本发明的积分保持电路1的一个实例电路图。所述积分保持电路1的输入信号为所述减法电路1的输出信号DX～，输出信号为DX，所述积分保持电路1包括一运放U5、一电阻R24、一电容C2、二开关SW1和SW2。所述运放U5的正输入端2接地，所述运放U5的负输入端3与所述电阻R24的一端、所述电容C2的一端以及所述开关SW2的一端相连，所述运放U5的输出端1作为积分电路的输出端输出信号DX，所述电阻R24的另一端与所述开关SW1的一端相连，所述开关SW1的另一端与所述输入信号DX～相连，所述电容的另一端与所述运放的输出端1相连，所述开关SW2的另一端与所述运放的输出端1相连。

当所述开关SW1闭合，SW2断开时，DX～信号可以进入积分保持电路，并通过所述电容C2进行积分；当所述开关SW1断开，SW2断开时，C2两极板的电荷保持在极板上，积分保持电路处于保持状态；当所述开关SW1断开，SW2闭合时，C2两极板电荷通过闭合的SW2放电，电路复位；当所述开关SW1闭合，SW2闭合式，所述积分电路处于跟随状态，此状态在本发明中一般不会出现。如果开关SW1闭合同时SW2断开的时间为t，则在此时间内的输出为

积分保持电路2和积分保持电路3与积分保持电路1原理相同，且三个积分保持电路的相同位置的开关同时打开或闭合

请参阅图6，图6是本发明的除法电路1的一个实例电路图。所述除法电路1的输入信号为DX以及SUM，输出信号为PX，除法电路1包括一实时计算芯片U6，二电阻R25和R26，一二极管D1。所诉计算芯片U6的2引脚与所述输入信号SUM相连，15引脚与所述输入信号DX相连，3引脚与12引脚相连，13引脚和14引脚接地，11引脚与所述二极管D1的正极相连，8引脚作为除法电路的输出端输出PX，4引脚与所述电阻R25的一端相连，4引脚与所述电阻R25的另一端以及R26的一端相连，R26的另一端接地，所述二极管D1的阴极接地，根据所述实时计算芯片AD538的特点，除法电路的输出为

当时，PX即为光斑在PSD上的位置。

所述除法电路2与所述除法电路1原理相同。

请参阅图7，图7是本发明的差分电路1的实例电路图。所述差分电路1的输入信号为积分保持电路1的输出信号PX，输出信号为PSD_X-和PSD_X+。所述差分电路包括二运放U7、U8，六电阻R27、R28、R29、R30、R31以及R32。

所述运放U7的负输入端3与所述电阻R27的一端以及R28的一端相连，所述运放U7的正输入端接地，所述运放的输出端1作为差分电路1的一个输出端，输出PSD_X-，同时与所述电阻R28的另一端相连，所述电阻R27的另一端与所述输入信号PX相连。

所述运放U8的负输入端3与所述电阻R30的一端以及R31的一端相连，所述运放U8的正输入端2与所述电阻R32的一端以及R29的一端相连，所述运放U8的输出端作为差分电路的另一个输出端，输出信号PSD_X+，同时与所述电阻R31的另一端相连，所述电阻R30的另一端接地，所述电阻R32的另一端与诉述输入信号PX相连，所述电阻R29的另一端接地。

当R27＝R30＝R32＝2*R28＝2*R31＝2*R29时，

PSD_X+＝-PX/2

PSD_X-＝_PX/2

所述差分电路2与所述差分电路1原理相同。

请参阅图8，图8为PSD信号处理控制时序。时序信号包括TRIG、EN_INPUT、RST、OUTPUT1～OUTPUTn。所述TRIG信号是指激光器的同步脉冲信号，激光器在TRIG信号的上升沿是出光；所述EN_INPUT是指积分输入使能信号，低电平有效，控制所述开关SW1，同时控制其他PSD前端处理电路的相同位置的开关，这些开关同时打开或闭合；所述RST是指复位信号，即积分电容放电信号，低电平有效，控制开关SW2，同时控制其他PSD前端处理电路的相同位置的开关，这些开关同时打开或闭合。所述OUTPUT1～OUTPUTn是指PSD1～PSDn的输出使能信号，低电平有效，分别控制开关S1、S2…Sn。t1时刻产生激光器的同步脉冲；t2时刻所述EN_INPUT为电平，所述RST为高电平，所述SW1闭合，所述SW2断开，所述积分电路对其输入信号进行积分，积分时间的长短可根据PSD输出信号的宽度进行调整；t3时刻所述EN_INPUT为高电平，所述PST为高电平，所述SW1断开，SW2断开，所述积分电路处于保持状态，同时所述OUTPUT1为低电平，所述开关S1闭合，所述PSD1前端处理电路的信号开始输出；同样的原理，t4时刻所述PSD1通道停止输出，所述PSD2通道开始输出…t(n+2)时刻所述PSDn通道开始输出；t(n+3)时刻所述PSDn通道停止输出，此时所述RST为低电平，所述SW2闭合，积分电路放电，电路复位；t(n+4)时刻复位结束，等待下一次激光同步脉冲。

最佳实施例

所述放大器均选用AD648，AD648为双通道运算放大器。

所述开关均选用模拟开关ADG441。

所述实时计算芯片U6选用AD538，AD538是一款单芯片实时计算电路，提供精密模拟乘法、除法和指数运算功能，总传递函数为特定函数的编程通过引脚绑定进行。

所述二极管D1选择IN4148，IN4148是一种小型的高速开关二极管，开关比较迅速。

所述电容C1为陶瓷电容，容值为15pF，所述电容C2为聚苯乙烯电容，容值为2200pF。

所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16，R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R28、R28、R31的阻值为10K，所述电阻R27、R30、R32的阻值为20K，所述电阻R4的阻值为1K，当L_x＝12mm时，R25＝2K，R26＝3K。

Claims (2)

1.一种脉冲激光照射下的位置敏感探测器输出信号的处理电路，其特征在于由前端处理电路、一个通道切换电路和一个输出电路组成，所述的前端处理电路包括功能完全相同的子电路的数量等于需要处理的位置敏感探测器的数量；每组子电路均包括并联的4个I-V变换电路、并联的3个运算电路和并联的3个积分保持电路再串联构成；所述的前端处理电路的输入为PSD输出的电流信号，输出信号为所述的通道切换电路的输入信号，所述的通道切换电路的输入信号为所述的积分保持电路的输出信号；

所述I-V变换电路是将PSD输出的电流信号I_x1、I_x2、I_y1和I_y2，分别转化为电压信号V_x1、V_x2、V_y1和V_y2并作为3个运算电路的输入；

所述运算电路是把信号处理为反映光斑在PSD上的位置的信号，其输入信号为I-V变换的输出信号V_x1、V_x2、V_y1和V_y2，经第一运算电路、第二运算电路、第三运算电路处理后分别输出信号为DX～、DY～以及SUM～，作为积分保持电路的输入信号；

所述的3个积分保持电路分别将输入的DX～、DY～以及SUM～很窄的信号转换为具有一定宽度的输出信号DX、DY以及SUM；积分保持电路的积分或保持状态由电路中信号输入开关和充电开关共同控制；

所述的通道切换电路用于选择所述的前端处理电路中不同列的子电路的信号输出至所述的输出电路；

所述的输出电路包括除法电路和差分电路，所述除法电路的作用是根据积分电路的输出结果，计算光斑在PSD上的位置，输出信号PX、PY作为差分电路的输入信号；

所述差分电路的作用是把信号转为差分信号，作为最终输出接口，其输入信号为除法电路的输出信号PX、PY，输出信号PSD_X+、PSD_X-、PSD_Y+和PSD_Y-作为PSD信号处理电路的最终输出信号。

2.利用权利要求1所述的脉冲激光照射下的位置敏感探测器输出信号的处理电路的处理方法，包括以下步骤：

①初始时，所述的前端处理电路中的积分电路的信号输入开关处于断开状态，充电开关处于闭合状态，通道切换的所有开关处于断开状态；

②检测激光器的同步脉冲信号，当检测到所述激光器的同步脉冲信号时，同时闭合所述的前端处理电路中的所有积分保持电路的信号输入开关，此时，所有的积分保持电路中的充电开关断开，积分保持电路处于积分状态，此时开始对信号进行积分；

③积分结束后，同时断开所述的前端处理电路中全部积分电路的信号输入开关，此时，所有的积分保持电路中的充电开关仍处于断开状态，此时积分保持电路处于保持状态，可输出平稳的直流信号；

④同时闭合所述的通道切换电路中第一组开关的3个开关，表示所述前端处理电路中的第一组子电路中的3路信号同时输出，即输出第一个PSD的信号；

⑤断开第一组开关，同时闭合第二组开关，输出第二个PSD的信号；

⑥依次进行上述操作，当所有通道的PSD信号全部输出结束后，闭合积分保持电路的充电开关，积分保持电路复位；

⑦等待下一个激光器的脉冲同步信号，返回步骤②。