中国测试  2019, Vol. 45 Issue (8): 135-139

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张天宇, 贾方秀, 周强, 李浩
ZHANG Tianyu, JIA Fangxiu, ZHOU Qiang, LI Hao
基于FPGA的二维PSD信号处理系统设计
Design of two-dimensional PSD signal processing system based on FPGA
中国测试, 2019, 45(8): 135-139
CHINA MEASUREMENT & TEST, 2019, 45(8): 135-139
http://dx.doi.org/10.11857/j.issn.1674-5124.2018070067

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收稿日期: 2018-07-17
收到修改稿日期: 2018-08-21
基于FPGA的二维PSD信号处理系统设计
张天宇 , 贾方秀 , 周强 , 李浩     
南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室,江苏 南京 210094
摘要:为实现对入射光斑位置坐标的精确测量,设计以FPGA为核心的二维PSD信号处理系统。针对窄脉冲激光照射下前置放大放电路,建立相应等效噪声模型,引入频率对电路输出电压噪声的影响得到提高电路分辨率措施。搭建自动增益控制电路,并结合FPGA给出的相应增益控制策略实现对幅值大动态范围变化的光电流合理放大。设计峰值脉冲检测电路实现窄脉冲信号峰值的准确测量,其测量误差小于3%。通过FPGA设计状态机实现A/D芯片模式配置和数据读取,并搭建相应坐标解算模块和串口模块,实现入射光斑坐标的解算与传输。实验表明该系统测量非线性度小于10 μm,测量精度高。
关键词位置敏感探测器    窄脉冲信号处理    自动增益控制电路    峰值检测电路    FPGA    
Design of two-dimensional PSD signal processing system based on FPGA
ZHANG Tianyu , JIA Fangxiu , ZHOU Qiang , LI Hao     
ZNDY of Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
Abstract: In order to realize the precision measurement of the incident spot coordinates,the two-dimensional PSD signal processing system based on FPGA was designed.The noise model of amplifier circuit under the narrow pulse laser irradiation was established and the effect of frequency on the output voltage noise was introduced to improve the resolution of the circuit.The large dynamic range photocurrent was amplified by the AGC circuit according to the gain control strategy and the peak value of pulse signal was detected by the peak detection circuit and the error is less than 3%.The A/D chip configuration and data reading were realized by the state machine of FPGA and the coordinate solving model and the UART model was also established to realize the solution and transmission of the incident spot coordinates. Experiment shows that nonlinearity of system is less than 10 μm.
Key words: PSD     narrow pulse signal processing     AGC     peak detection circuit     FPGA    
0 引 言

位置敏感探测器(PSD)因其响应速度快,无死区,位置输出信号只与入射光的重心位置有关,对光斑形状无严格要求[1]等优点特别适用于位移、距离、滚转角等高精度非接触快速测量[2-4]。而PSD信号处理系统性能好坏直接影响最终测量精度。江孝国等[5]建立PSD等效噪声模型并进行测试分析,给出光电流与位置分辨率之间的关系。刘媛等[6]对转换电路各环节进行敏感性分析,得出了元器件性能参数对电路噪声的影响规律。吴立雄等[7]对改进二维PSD线性度进行研究,指出将入射光斑控制在A区能有效提高测量精度。杨海马等[8]设计了基于FPGA的PSD多路光电数据采集系统。史狄等[9]设计了基于DSP的二维PSD信号处理系统。贾天祥[10]设计了基于LabVIEW的PSD自动测试系统。

传统PSD信号处理系统均针对直流激光源设计,而当PSD接受峰值功率相同时直流激光源消耗功率远大于脉冲激光源。因此本文针对窄脉冲激光源设计相应的信号处理系统,分析脉冲激光照射下提高电路分辨率的措施,通过自动增益控制电路和峰值检测电路实现PSD与激光照射器距离大动态范围变化时响应光电流准确测量。最终通过FPGA实现入射光斑位置坐标解算。

1 二维PSD工作原理

PSD不仅是光电转换器,更是光电流分配器件,根据各电极上收集到的电流信号比例即可确认入射光的位置。二维枕型PSD结构如图1所示。

图 1 二维枕型PSD结构图

其中,x1x2y1y2分别是PSD 4个电极,LxLy分别为x轴方向和y轴方向PSD光敏面长度,当以器件中心为原点时入射光位置坐标与电流关系式为:

$ \frac{x}{{{L_x}/2}} = \frac{{\left( {{I_{x_2}} + {I_{y_1}}} \right) - ({I_{x_1}} + {I_{y_2}})}}{{{I_{x_1}} + {I_{x_2}} + {I_{y_1}} + {I_{y_2}}}} $ (1)
$ \frac{y}{{{L_y}/2}} = \frac{{\left( {{I_{x_2}} + {I_{y_2}}} \right) - ({I_{x_1}} + {I_{y_1}})}}{{{I_{x_1}} + {I_{x_2}} + {I_{y_1}} + {I_{y_2}}}} $ (2)

其中xy为解算得到的入射光斑位置横、纵坐标, $I_{x_1} $ $I_{x_2} $ $I_{y_1} $ $I_{y_2} $ 是PSD相应电极输出电流。

2 系统方案

本文中PSD信号处理系统采用脉冲激光源,并设计相应峰值保持电路保证A/D能够采集到正确的脉冲峰值。同时,为避免因电流信号过于微弱或过大饱和导致无法精确测量的情况,需设计适用于大动态范围的自动增益控制电路对信号进行合理放大。图2所示为信号处理系统硬件框图。

图 2 信号处理系统硬件框图

PSD经脉冲激光照射后产生的相应光电流,被前放电路转换为电压。自动增益控制电路根据FPGA给出的控制策略将该电压放大适当倍数,最终由峰值检测电路得到该脉冲电压峰值。同时峰值时刻判断模块将脉冲电压峰值到来信息传递给FPGA并由FPGA控制A/D电路开启转换得到数字电压信号,最后通过FPGA解算得到入射光斑重心位置坐标。

2.1 前放电路

电路分辨率与电路噪声直接相关,因此需对电路噪声进行分析。前放电路中光、暗电流和PSD极间电阻[11]以及前放电路反馈电阻,运算放大器自身[12]均会产生噪声,其等效噪声模型如图3所示。

图 3 前放电路等效噪声模型

is是由光电流Io和暗电流Id产生的散粒噪声,iieif分别是极间电阻Rie和反馈电阻Rf产生的热噪声,en则是运放自身产生的电压噪声。Cf为补偿电容。前放电路信号增益As定义为运放输出电压值Vo与负相输入端输入电流值Io之比,噪声增益An定义为当输入噪声存在于运算放大器同相输入端时检测放大电路输出噪声eno与输入噪声eni之比。根据定义结合运放“虚短”和“虚断”特性可得:

$ {A_{\rm s}} = \frac{{{V_{\rm o}}}}{{{I_{\rm o}}}} = \frac{{ - {R_f}}}{{(1 + {\rm j}f/{f_p})(1 +{\rm j}f/{f_x})}} $ (3)
$ {A_{\rm n}} = \frac{{{e_{\rm{no}}}}}{{{e_{\rm{ni}}}}} = (1 + \frac{{{R_f}}}{{{R_{ie}}}})\frac{{1 +{\rm j}f/{f_z}}}{{(1 + {\rm j}f/{f_p})(1 +{\rm j}f/{f_x})}} $ (4)

其中: ${f_p}\! =\! \displaystyle\frac{1}{{2\pi {R_f}{C_f}}};{f_{\textit z}} \!=\! \displaystyle\frac{1}{{2\pi ({R_{ie}}||{R_f})({C_j} + {C_f})}}; $ ${f_x} \!= \!{f_t}({C_f}/ $ $({C_f} + {C_j}))$ ft为运放单位增益带宽。

考虑频率影响,电路输出电压Vo和输出电压噪声Vno分别为:

$ {V_{\rm o}} = {I_{\rm o}}{A_{\rm s}} $ (5)
$ {V_{\rm{no}}} = \mathop \smallint \nolimits_{{f_l}}^{{f_h}} \sqrt {\left({i_{\rm s}}^2 + {i_j}^2 + {i_{Rf}}^2\right)|{A_{\rm s}}{|^2} + {e_{\rm n}}^2|{A_{\rm n}}{|^2}} $ (6)

其中,flfh分别为积分下限频率和上限频率。针对脉宽为纳秒级脉冲信号,电路分辨率更易受瞬时噪声值的影响而非噪声RMS值影响。该情况下信号峰值与噪声峰值之比十分重要,因此以 $K = {V_{\rm o}}/ $ $({V_{\rm{no}}} \times {\rm{CF}})$ 作为衡量电路分辨率的指标。其中CF(波峰因数)是噪声峰值与噪声RMS值的之比,通常取CF=6.6[13]。对于一确定PSD信号处理系统,上述公式中除补偿电容Cf以外其余参数均为定值。因此令dK/dCf=0,即可求得使K值最大时的Cf值,此时电路分辨率也将最大。

2.2 自动增益控制电路

为使后续电路便于精确测量输出电压,幅值既不能过小淹没在噪声中,又不能过大超出测量范围。因此当电源供电5 V时,输出电压信号范围为0.5 ~4.7 V。自动增益控制电路通过一个运放搭配不同增益电阻实现,这样电路只有一级,可避免引入过多噪声。同时相邻两放大系数之间应保证过渡阶段输出电压变化范围限制在0.5 ~4.7 V。

自动增益控制策略如图4所示,光电流Io既适用于放大系数A2又适用于放大系数A3,当放大系数为A2时,Io是该区间内的最大电流值,此时其对应输出电压A2Io应小于4.7 V;而当放大系数变为A3时,Io是该区间内的最小电流值,因此其对应输出电压A2Io应大于0.5 V。

图 4 自动增益控制策略

2.3 峰值检测电路

峰值检测电路如图5所示。该电路通过放大器、二极管等电子器件搭建模拟电路实现对脉冲信号峰值的检测。

图 5 峰值检测电路

该电路主要由3个模块组成:用来保持脉冲信号峰值的模拟存储器,即电容器,它存储电荷的功能能使它充当一个电压存储器;当峰值出现时用来对电容充电的运放OP1和单向电流开关二极管D;使电容电压能够跟随输入电压的器件运放OP2。

当峰值到达时,OP1输出正向电压,二极管D导通,电容C充电并跟随峰值电压。而当峰值之后OP1输出电压减小,由于二极管D单向导通特性使电容C上电压继续保持峰值大小并通过OP2将该峰值电压输出。

3 FPGA逻辑设计

本文采用EP4CE22作为主控芯片完成解算控制功能,其主要由ADC逻辑控制模块,坐标解算模块,增益控制策略模块和串口模块组成,如图6所示。

图 6 FPGA系统框图

ADC逻辑控制模块主要通过Verilog HDL编写状态机实现的。本文采用A/D芯片为MAX1304,其配置时序和读取时序。配置寄存器时,将 $\overline {{\rm{CS}}} $ $\overline {{\rm{WR}}} $ 设为低电平,然后将D0~D7位数据装载到并行总线,再将 $\overline {{\rm{WR}}} $ 置为高电平。配置数据在 $\overline {{\rm{WR}}} $ 的上升沿锁存。

随后将 CONVST由低拉高,开启A/D转换。当 $\overline {{\rm{EOLC}}} $ 由高变低时,A/D转换结束,通过 $\overline {{\rm{RD}}} $ $\overline {{\rm{CS}}} $ 信号的配合可读取出相应的数据。因二维PSD有4路电极输出,因此需要读取ch0~ch3通道数据。

根据以上时序,ADC逻辑控制模块状态图如图7所示。

图 7 ADC逻辑控制模块状态图

当ADC逻辑控制模块读取4路通道数据完成后将该信息同时传递给增益控制策略模块和坐标解算模块。增益控制模块会根据本次A/D采集电压信号大小决定下次自动增益控制电路增益大小,而坐标解算模块则主要负责将该4路电压信号转换为浮点数并进行浮点数运算进而得到光斑坐标。最终解算得到的坐标信息将会通过如图8所示串口模块发送给上位机。

图 8 串口发送模块

4 实验验证

采用实验装置进行实验。该实验装置由激光源,光具座和信号处理系统组成。激光源可输出脉宽固定,频率、功率可调的平行脉冲激光束。光具座作为承载镜头装置,由俯仰台和旋转台组成,可分别作旋转和俯仰运动。信号处理系统则包括镜头、PSD和处理电路。PSD置于镜头内部且通过机械安装保证镜头光轴中心与PSD感光面中心重合,后续处理电路通过导线与PSD连接。实验时镜头与光具座固连且镜头中心与俯仰台,旋转台运动中心重合。将激光源与光具座固定在带有螺纹孔的底板上且令激光源镜面与镜头保持平行且保证激光源发射平行光束可完全覆盖镜头,以该位置视为旋转与俯仰运动的0°。

首先测试该信号处理系统模拟电路部分性能即峰值检测电路检测精度。令光具座旋转与俯仰角度为0°,脉冲激光源脉冲频率50 Hz,改变激光源发射功率分别测试小信号和大信号下峰值检测电路检测精度,结果如图9, 图10所示。

图 9 小信号峰值检测电路输出响应

图 10 大信号峰值检测电路输出响应

图中黄色线为峰值检测电路输入波形,蓝色为输出波形。当输入电压528 mV时,电路输出为532 mV,而当电压输入4.16 V时,输出为4.26 V。检测误差小于3%,能够满足大动态范围内对信号的准确检测。

其次测试该系统非线性度。固定镜头俯仰角度为一定值,令镜头分别像左右两个方向做旋转运动,入射光斑将在PSD上形成一条直线,直线上相邻个光斑距离为l=ftan∆θ,其中f为镜头焦距,该值为17.08 mm,∆θ为相邻两次旋转运动角度之差,值是1°。测试结果如图11

图 11 信号处理系统线性度测试结果

图中xy分别为PSD横纵坐标轴,红色光斑为入射光斑测量结果,相邻两光斑距离即为l,红色光斑形成的轨迹即为入射光斑运动轨迹,黑线为理论结果,可以看出PSD信号处理系统测量非线性度在10  μm以内。

5 结束语

本文设计了以FPGA为核心的二维PSD信号处理系统。通过建立前放电路等效噪声模型,得到使电路在脉冲激光照射下分辨率最高时补充电容Cf取值原则。所搭建的自动增益控制电路和峰值检测电路能有效保证大动态范围变化光电流的准确检测,测量误差小于3%。实验结果表明该信号处理系统测量非线性度在10  μm之内,测量精度高。可广泛应用于非接触式的位移、距离、滚转角测量。

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