三角测距系统中PSD转换电路的仿真分析

摘要：光电位置传感器（PSD）在三角测距系统中的应用越来越广泛。本文主要对一维PSD传感器的结构和工作原理进行了简单的介绍，同时针对一维PSD传感器的等效电路和转换电路，在Multisim虚拟工具下进行了仿真分析。

关键词：一维PSD传感器 三角测距 转换电路 Multisim

中图分类号：TH761.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0200-02

1、引言

随着科技的发展，距离的测量方法也随之发展，其中在非接触测量方法中，基于PSD的三角测距方法己成为了当前研究的热门。PSD具有位置分辨率高、响应速度快、不需要扫描、信号处理简单等优点，使PSD特别适合于对距离、位置、位移以及角度等量的实时测量。

2、PSD结构和工作原理

光电位置传感器（PSD）是一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的PIN型光电二极管，结构上包含有P层、I层、N层，都制作在同一硅片上，其中P层是光敏层，如图1所示。一般PSD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可测光点在平面上的位置坐标。

当入射光照射到一维PSD的P层光敏面上时，假设入射光产生总的光电流，由于在入射点到信号电极间存在横向效应，则相应于光能量的电荷在入射点上产生，电荷通过P层电阻被电极收集，两极得到光电流、，和的大小取决于入射光点位置及两极间的等效电阻和。如果P型层是一种均匀的电阻层，电极收集到的光电流与入射光点和电极间距离成反比。据此可计算出光点的位置。设光点离中心点的距离为x，PSD的输出极①和②的电流分别表示为：

式中、是电极收集到的光电流，是总的光电流，L是电极间的距离。

3、一维PSD转换电路

由于一般PSD传感器件接收到的光信号都很微弱，产生的两极光电流、也很小，因为在转换电路当中首先应该将应对PSD输出的光电流进行电流电压转换且将转换后的电压信号进行放大，再根据光点位置计算公式，通过加、减法运算放大器进行相加和相减运算，最后再通过模拟除法器相除，得到一个与光照强度大小无关的位置信号。根据这个对PSD转换电路的设计理念，在虚拟仿真工具Multisim界面中搭建了一维PSD传感器的简易等效电路和其转换电路，如图3所示，其中PSD简易等效电路用恒流源I1和电位器R1代替，U1、U2是用来实现电流电压和放大功能，其中Rf之取决于输入电平的大小，U3、U4则是分别对转换放大后的两电压信号进行加、减法运算，最后将模拟计算结果显示在虚拟示波器上。

4、仿真结果及分析（图4）

在、情况下，根据光点位置计算公式推导出。为了尽可能提高电路系统的性能，仿真时应选取适当的电阻、电容值。同时又为了计算方便，一般情况下，我们取电容均为，电阻均为。经Mmltisim仿真后得到最终结果约，与理论计算结果是相同的。

5、结语

PSD作为光电位置敏感器件，在距离、位置、位移以及角度等测量领域里的使用是越来越广泛。此次在虚拟工具Multisim上进行的是理想仿真，没有考虑实际情况中暗电流、背景光以及温度等的影响，不过给三角测距的设计打下了很好的基础。为了消除实际的影响，应该尝试多种集成放大器和设计电路进而改善测量的精度。

参考文献

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