位置敏感探测器输出信号的处理电路与处理方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 本发明采用以下技术方案实现：
[0007] -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；
[0008] 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Ixl、Ix2、Iyl和Iy2，输出信号为相应的电压信号V xl、Vx2、Vyl和Vy2，并作为运 算电路的输入；
[0009] 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 xl、Vx2、Vyl和Vy2，输出信号为DX?、DY?以及SUM?作为 积分保持电路的输入信号；
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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ΡΧ、ΡΥ，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。
[0014] 利用上述处理电路，本发明的处理方法包括以下步骤：
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 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；
[0021] ⑦等待下一个激光器的脉冲同步信号，并重复步骤②。
[0022] 与在先技术相比，本发明有以下优点：
[0023] 1、可同步处理多路PSD信号
[0024] 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
[0025] 2、能够处理短脉冲激光照射下PSD的输出信号。
[0026] 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1 μ s，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，便于后续的米集，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。
[0027] 3.节约数据采集硬件资源
[0028] 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。
[0029] 4.抗干扰性强
[0030] 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。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1是本发明PSD信号处理的原理示意图。
[0032] 图2是本发明的I-V变换电路的一个实例。
[0033] 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。
[0034] 图4是本发明的运算电路3的一个实例。
[0035] 图5是本发明的积分保持电路1的一个实例。
[0036] 图6是本发明的除法电路1的一个实例。
[0037] 图7是本发明的差分电路1的一个实例。
[0038] 图8是本发明的控制时序示意图。
【具体实施方式】
[0039] 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。
[0040] 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。
[0041] 前端处理电路以PSD1前端处理电路为例，所述PSD电流信号Ixl、I x2、Iyl和Iy2经 I-V变换后输出电压信号vxl、Vx2、Vyl和Vy2。所述V xl、Vx2、Vyl和Vy2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Vxl、Vx2、Vyl和Vy2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Vxl、Vx2、Vyl和Vy2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-。
[0042] 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。
[0043] 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 xl，输出信号为Vxl。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Ixl、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 xl，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，
[0044] Vxl = -IxlXR。
[0045] 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。
[0046] 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 xl、Vx2、Vyl以及Vy2，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 yl相连，所述电阻R6的另一端与所述输出信号Vx2 相连，所述电阻R7的另一端与所述输入信号Vxl相连，所述电阻R8的另一端与所述输入信 号Vy2相连，所述电阻R10的另一端相连。当R5 = R6 = R7 = R8 = R9 = R10时DX?= (Vx2+Vyl)-(Vxl+V y2)
[0047] 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Vy2输入到负输入端，Vxl和Vyl输入到正输入端，当Rll = R12 = R13 = R14 =R15 = R16 时，DY ?=(Vx2+Vy2)-(Vxl+Vyl)
[0048] 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 xl、Vx2、Vyl以及Vy2，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 -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 xl 相连，所述电阻R18的另一端与所述输入信号Vyl相连，所述电阻R18的另一端与所述输入 信号Vx2相连，所述电阻R20的另一端与所述输入信号Vy2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 ?= Vxl+Vx2+Vyl+Vy2
[0049] 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。
[0050] 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
[0051]
【权利要求】
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出信号为所述的积分保持电路的输入信号； 所述I-V变换电路是将PSD输出的电流信号Ixl、Ix2、Iyl和I y2，分别转化为电压信号Vxl、 Vx2、Vyl和Vy2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Vxl、Vx2、Vyl和Vy2，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 入开关和充电开关控制同时打开或关闭； 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，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。
2. 利用强烈要求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。
【文档编号】G01D5/26GK104111083SQ201410371007
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】侯莉颖, 黄立华, 何国俊, 黄惠杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所