四象限光電探測(cè)器的方案設(shè)計(jì)

一、原理

四象限光電探測(cè)器實(shí)際由四個(gè)光電探測(cè)器構(gòu)成，每個(gè)探測(cè)器一個(gè)象限，目標(biāo)光信號(hào)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限光電探測(cè)器上成像，如圖1。一般將四象限光電探測(cè)器置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或稍離開焦平面。當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時(shí)，四個(gè)象限上探測(cè)器輸出的光電信號(hào)幅度不相同，比較四個(gè)光電信號(hào)的幅度大小就可以知道目標(biāo)成像在哪個(gè)象限上(也就知道了目標(biāo)的方位)，若在四象限光電探測(cè)器前面加上光學(xué)調(diào)制盤，則還可以求出像點(diǎn)偏離四象限光電探測(cè)器中心的距離或θ角來(lái)。

圖1 目標(biāo)在四象限光電探測(cè)器上成像

圖2方位探測(cè)器原理框圖。

信號(hào)通過(guò)放大和調(diào)理后由由A/D轉(zhuǎn)換器(本系統(tǒng)中采用ADS7864)采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)，由單片機(jī)處理后得到目標(biāo)的方位，并根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要輸出方位控制指令。

二、電路設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要，A/D轉(zhuǎn)換器用ADS7864，單片機(jī)用最常見的89C51。

這里對(duì)ADS7864作一介紹。ADS7864是TI公司生產(chǎn)的12bit高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片上帶2.5V基準(zhǔn)電壓源，可用作ADS7864的參考電壓。每片ADS7864實(shí)際由2個(gè)轉(zhuǎn)換速率為500ksps的ADC構(gòu)成，每個(gè)ADC有3個(gè)模擬輸入通道，每個(gè)通道都有采樣保持器，2個(gè)ADC組成3對(duì)模擬輸入端，可同時(shí)對(duì)其中的1～3對(duì)輸入信號(hào)同時(shí)采樣保持，然后逐個(gè)轉(zhuǎn)換。由于6個(gè)通道可以同時(shí)采樣，很適合用來(lái)轉(zhuǎn)換四象限光電探測(cè)器的4路光電信號(hào)，剩下2個(gè)通道作系統(tǒng)擴(kuò)展用。

*下面主要介紹電路中的信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換和處理部分。

ADS7864前端調(diào)理電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端調(diào)理電路縮放和平移要采樣的信號(hào)，通過(guò)調(diào)理后的信號(hào)適合A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入要求。圖3是ADS7864一個(gè)輸入通道的前端調(diào)理電路，

圖3 ADS7864前端調(diào)理電路

ADS7864模擬輸入通道的+IN和-IN的最大電壓輸入范圍為-0.3V～+5.3V(ADS7864 +5V供電)。圖3的電路中使用了2個(gè)運(yùn)放，A1用作跟隨器，用來(lái)緩沖ADS7864輸出的2.5V基準(zhǔn)電壓源;A2和四個(gè)電阻構(gòu)成了信號(hào)調(diào)理網(wǎng)絡(luò)，適當(dāng)配置R1～R4電阻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)Vi的縮放和平移以適合ADS7864模擬通道的輸入要求。+IN端的輸入電壓表示如下：

ADS7864與單片機(jī)連接電路

ADS786轉(zhuǎn)換后的結(jié)果通過(guò)DB0～DB15輸出，若將BYTE引腳接高電平，則每個(gè)結(jié)果分兩個(gè)字節(jié)從DB0～DB7讀出，用8位的單片機(jī)讀取非常的方便。為了避免89C51對(duì)ADS7864的干擾，用一片74HC244緩沖器來(lái)連接89C51的P0口和ADS7864的DB0～DB7，控制ADS7864的信號(hào)/HOLDA～/HOLDC、A0～A2也是通過(guò)89C51的P0口輸出，用一片74HC373來(lái)鎖存這些控制信號(hào)。圖4是89C51與ADS7864的連接電路圖，其中略去了其它的一些電路連接。

圖4 ADS7864與89C51的連接

系統(tǒng)采用89C51的P2.7尋址ADS7864，地址為8000H，同時(shí)用這個(gè)地址信號(hào)配合89C51的/WR和/RD信號(hào)作74HC244和74HC373的使能信號(hào)。要求當(dāng)89C51的/RD=0,P2.7=1時(shí)才開啟74HC244，讀取ADS7864的轉(zhuǎn)換結(jié)果;當(dāng)89C51的/WR=0,P2.7=1時(shí)74HC373才鎖存89C51 P0口上的數(shù)據(jù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)往ADS7864的控制端寫數(shù)據(jù)，其它時(shí)候74HC244和74HC373都是關(guān)閉的，這樣避免了89C51 P0口上的其它信號(hào)對(duì)ADS7864的干擾。采用鎖存器74HC373來(lái)連接89C51和ADS7864的原因是為了在ADS7864轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時(shí)候保持/HOLDA～/HOLDC、A0～A2端的電平保持不變，免得影響ADS7864轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的精度。74HC244和74HC373的使能信號(hào)真值表如下：

根據(jù)真值表，可以用圖4中的邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)使能信號(hào)。系統(tǒng)的最終目標(biāo)就是獲取數(shù)據(jù)，然后計(jì)算得出結(jié)果。89C51控制ADS7864轉(zhuǎn)換和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的代碼如下：

啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后，在讀取數(shù)據(jù)前需要延遲的指令周期數(shù)需根據(jù)89C51和ADS7864的運(yùn)行速度來(lái)決定。有關(guān)計(jì)算目標(biāo)方位的代碼和算法這里就不再敘述。

三、 結(jié)束語(yǔ)

使用本文提出方案設(shè)計(jì)的方位探測(cè)儀器具有簡(jiǎn)單有效、靈活易擴(kuò)展、體積小、使用方便等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在很多需要測(cè)量目標(biāo)方位的領(lǐng)域。