HIMAF32360引言PSD作为一种精密的光电位置传感器，具有灵敏度高、响应时间短、位置分辨率高、光谱响应范围大等特点，因此被广泛应用于现代光电检测技术中，尤其是高精度、高速度的数据采集技术中。如何在极短的响应时间内实现多数据的采集，成了采集PSD输出数据的关键。本文基于单片机技术，设计搭建了一套高速的PSD输出数据采集及控制电路，通过在实验室条件下对PSD输出数据进行采集，从而为后续的PSD定位精度以及抗干扰研究奠定理论基础。1PSD的工作原理光电位置敏感器件PSD(PositionSensitiveDetector)是一种基于横向光电效应、连续分布的半导体位置探测器件，能快速、准确给出入射光点在光敏面上的位置，即PSD输出的信号与光点在光敏面上的位置有关。如图1所示，表面P+层为感光面，两边各有一信号输出电极。中间为I层，底层的公共电极用于加反向偏压。当光线入射到光敏面上时，由于与结面平行的横向电场作用，光生载流子形成向两端电极流动的电流X1和X2,且总电流X0=X1+X2.当入射光斑与两电极的间距发生变化时，两电极的输出电流也随之变化，从而实现了位置测量功能。如图2所示，如果PSD的面电阻是均匀的，且阻值R1和R2远大于负载电阻RL,则R1和R2的值仅取决于光点的位置，即：式中：L为PSD中点到信号电极的距离;x为入射光点到PSD中点的距离。将X0=X1+X2代入式(1)，即可得到光点坐标：显然上式与入射光强X0无关，这就是一维PSD的定位原理。二维PSD的基本原理与一维PSD相同，只是计算公式不同。2PSD的选取本文选取的是SPC01光电位置传感器。它是一款二维两面分流型PSD,采用PSD使用厚膜技术制造，将PSD传感器与处理电路集合为一体，处理电路只有前置放大、加法器和减法器，其处理电路框图如图3所示。将输出电压DiffX、DiffY和SumX、SumY与二维位置的关系式为：因此，采集对象为DiffX、DiffY、SumX、SumY四个输出量，通过对四输出量的采集，便可运用原理运算来实现PSD在二维坐标下的位置数据。3数据采集及控制电路基于单片机的PSD数据采集及控制电路由Atmega16单片机、AD1674模/数转换芯片、AD7501多路转换开关、MAX232串行通信芯片等组成，其电路框图如图4所示。3.1多路转换开关AD7501是一个8通道多路转换开关，其功能是通过三个二进制的地址线来选择一个有效的输入.其具体连接关系如图5所示。图5中，使能端EN(3)与+5V相连，使其始终处于工作状态;信号输入端S1~S4(13、11、10、9)分别与PSD输出信号DiffX、DiffY、SumX、SumY相连;输入信号选择端A0、A1(16、1)分别由Mgea16单片机的I/O口PC3(25)、PC4(26)控制、A2(4)与GND相连，依序选通4路输入电压信号，送至图6所示的电压跟随器后进入AD1674进行模/数转换;3.2模/数转换电路AD1674是一款12位带并行微机接口的逐次逼近型模/数转换芯片。基本特点和主要参数如下：带有内部采样保持的完全12位逐次逼近(SAR)型模/数转换器;采样频率为100kHz;转换时间为10μs;数据可并行输出，采用8/12位可选微处理器总线接口;采用双电源供电：模拟部分为±12V或±15V,数字部分为+5V.如图7所示，AD1674的数据输出端口DB4~DB11(20~27)与单片机的PB口(1~8)相连;AD1674工作状态由逻辑端口(2~6)控制，其真值见表1.由单片机控制CE为高电平，CS、R/C、A0为低电平，启动12位数据转换;转换状态输出端口STS(28)与单片机的PD2(16)相连，当STS为高电平时，AD1674处于模/数转换状态，而STS为低电平时，模/数转换结束，可以读取转换数据;由于只采用8个输入端口读数据，故转换的12位数据需要分两次读出：即先将R/C、A0端口(5、4)电平置高，读低4位数据至单片机，然后将A0端口电平置低，读高8位数据至单片机。3.3单片机控制电路单片机是整个电路系统的核心部件，其作用是控制实验过程和数据的转换、存储与传输。本实验采用的是Atmega16单片机，其引脚及功能如图8所示。3.3.1信号控制单片机的PC1口(23)接7407同相缓冲器，信号经电流驱动后调制激光器发光。3.3.2数据存储和串行传输(1)数据存储如图4所示，单片机的PB口(1~8)与AD1674的数据输出端(20~27)相连，为A/D转换后的数字电压输入口，每次传输8位数据。由3.2节可知，电压信号经A/D转换后为12位数字信号，需分为2次传输，而单片机也需要2个字节存储1个数据。即采集PSD输出的DiffX、DiffY、SumX、SumY等4个数据需要8个字节存储。(2)数据传输由于采集的数据在单片机中是连续存储的，因此数据通过RS232串行传输至计算机时，需对采集的数据进行分组、加标识，以免数据组合时发生错误。表2给出了对DiffX、DiffY、SumX、SumY4个12位二进制数据编码的规则。即采集的一组数据，每个字节中前2位为标识位，后6位为数据位，并且只对前4个字节的标识位进行编码。Mega16单片机的串行通信端口RXD(14)和TXD(15)分别与MAX232串行通信芯片[8]的RXD(11)和TXD(12)端连接，通过串口实现与计算机的通信，并可在计算机中使用串口调试工具Comtools软件读取数据。最后经数学处理，得到表示x,y位置信息的数字电压值。3.4实际电路图9为数据采集、信号传输及过程控制单片机电路的实物图。4结论本文先通过介绍高精度光电位置传感器PSD的工作原理，并根据实际选取的PSD的结构及输出特性提出了一种基于单片机技术的PSD输出信号数据采集电路的设计方案。该设计方案中的电路在保证有效对数据进行快速采集的基础上，具备结构简单、成本低廉、体积较小等优点，适合在实验室条件下进行实验操作，为后续的PSD定位精度、输出特性、抗干扰措施等研究奠定基础。本文是关于EMI排查系列文章的第4部分。这一次，我们将探讨用示波器捕获EMI时用到的一些技术。正如任何其他电子信号一样，示波器根据信号特征进行触发捕获并做进一步分析十分有用——在捕获电磁干扰方面情况大致相同。然而，考虑到EMI的特征，其捕获技术有些不同于捕获常规电子信号所使用的技术，会更具挑战性。下面是一些用于EMI排查的推荐设置。充分利用示波器模数转换器(ADC)的动态范围。核查所捕获时域信号的垂直档位，通常需要在1~5mV/格的范围。确保ADC得到充分利用同时避免信号削波，因为这些将纳入FFT计算。不恰当的设置可能会导致数十分贝的频谱测量差异。测量前设置适当的分辨率带宽(RBW)和频跨。例如，100kHz到1MHz的RBW一般用于测量30MHz跨距的辐射发射；观察电源相关信号(如开关电源(SMPS))的EMI通常不超过30MHz。测量前找到合适的RBW和频跨将大大节省您的EMI排查时间。但是，请注意，较高的RBW设置需要较多的采样点和较长的记录长度。图1：采用4项检测方式观察EMI---包络(红色迹线)、平均值(黑色迹线)，有效值RMS(白色迹线)和带灰度等级的样本采集。在一或两条采集和触发路径上使用低通滤波器是必要的。抑制不相关高频噪声时滤波器特别管用。触发路径上的低通滤波器仅抑制高频噪声，并将处理后的波形用于触发判定，而同时保留的未被滤除的信号被捕获并测量。当需要触发信号叠加有干扰，难以触发时，这样做特别有用。适时更换采集检波器。选用包络、平均值还是RMS值检波器？这就取决于您试图捕获的辐射类型。峰值检测，它相当于射频仪器的最大保持，能够在扫描被测设备(DUT)的同时让您获得一个快速的浏览。表：针对不同的测量类型推荐不同的窗函数。图2-2：不同窗函数及它们的主瓣和旁瓣衰减曲线。为频谱选择最佳窗函数。不同的窗函数有不同的频率分辨率、幅度分辨率、主瓣电平和旁瓣衰减，因此不是所有窗函数都推荐用于EMI测量。首先，避免使用矩形窗函数，因为由于它容易导致频谱泄露，只在非常罕见情况这种窗函数的使用才或许有意义。其他都还行，但Gaussian最适合EMI排查，因为真实的EMI滤波器也具有Gaussian形状。采用触发和模板违规进行捕获。正确设置示波器后，现在让我们来看一看捕获干扰进行分析的一些方法。使用频谱分析仪或EMI测试接收机，您通常启用最大保持来观察干扰。然而，这些仪器无法一阵见血地进行干扰定位，因为它们不捕获违规信号。下例中给出一些使用RTO示波器捕获这些间歇EMI的有用技术。1、当您想把在时域捕获的事件与FFT结果联系起来时，对时域信号触发。如果时域波形具备明显特征能够直接用时域方法进行触发，这将是十分便利的。随着今天的示波器ADC有效位数(ENOB)达到7位以上，并提供改善的触发灵敏度，使用时域事件是实现与FFT中事件相关联的最简单方法。图3：时域触发给您一个与上面看到的一致的宽带干扰捕获。2、对协议和数字通道触发。通常情况，电磁干扰是由像SPI、I2C、CAN或LIN这样的通信信号引入的。工作在TTL电平上的重复串行数据模式很容易导致EMI在整个印刷电路板(PCB)上传播。然而，这样的控制信号可以通过接通或断开特定的功能或组件使被测设备工作在不同状态，而这些功能或组件往往又能够诱发EMI问题。使用示波器，您可以对特定总线信号的状态和逻辑进行触发，以观察可重复的辐射。图4：采用设置为4的DLC，在标识符0630ABCDH上的进行的CAN协议触发。您能够轻松观察到由此通信总线引入的EMI。您可以用选通FFT确定此干扰是否由该通信信号引起，以作进一步分析。3、对时域/频域信号设置模板违规捕获。为进一步分析而需要捕获特定干扰信号时，可用模板违规捕获技术实现。每当信号的任意一部分进入到用户定义的模板区域，示波器能够设置停止采集或用蜂鸣声警告用户，以便工程师能够据此进行相应分析。图5：模板违规捕获。注意，您在时域和频域都可以使用模板违规。与射频仪器相比的关键不同是示波器将干扰信号的时域波形均存在存储器中，并且之后可用于FFT的后期处理分析。已捕获的保存在存储器中的信号，也可采用目前已在大多数示波器中普遍使用的历史模式，让用户可以回顾并将信号与过去采集的波形进行比较。捕获干扰不仅限于讨论的例子。总有不止一种解决问题的方法，多在适当设置上用心并充分利用示波器的各种功能，您在干扰捕获方面会有一个良好开端。一旦您知道如何隔离干扰事件，下一步是分析它的特征和发现产生它的根源。)