四象限光電探測器的設計方案

一、原理

四象限光電探測器實際由四個光電探測器構成，每個探測器一個象限，目標光信號經(jīng)光學系統(tǒng)后在四象限光電探測器上成像，如圖1。一般將四象限光電探測器置于光學系統(tǒng)焦平面上或稍離開焦平面。當目標成像不在光軸上時，四個象限上探測器輸出的光電信號幅度不相同，比較四個光電信號的幅度大小就可以知道目標成像在哪個象限上（也就知道了目標的方位），若在四象限光電探測器前面加上光學調制盤，則還可以求出像點偏離四象限光電探測器中心的距離或θ角來。 
             
                                    圖1 目標在四象限光電探測器上成像 

                        

                                                           圖2方位探測器原理框圖。

信號通過放大和調理后由由A/D轉換器（本系統(tǒng)中采用ADS7864）采樣轉換成數(shù)字量送入單片機，由單片機處理后得到目標的方位，并根據(jù)實際系統(tǒng)的需要輸出方位控制指令。

二、電路設計

根據(jù)實際系統(tǒng)的需要，A/D轉換器用ADS7864，單片機用最常見的89C51。

這里對ADS7864作一介紹。ADS7864是TI公司生產(chǎn)的12bit高性能模數(shù)轉換器，片上帶2.5V基準電壓源，可用作ADS7864的參考電壓。每片ADS7864實際由2個轉換速率為500ksps的ADC構成，每個ADC有3個模擬輸入通道，每個通道都有采樣保持器，2個ADC組成3對模擬輸入端，可同時對其中的1～3對輸入信號同時采樣保持，然后逐個轉換。由于6個通道可以同時采樣，很適合用來轉換四象限光電探測器的4路光電信號，剩下2個通道作系統(tǒng)擴展用。

*下面主要介紹電路中的信號采樣轉換和處理部分。

ADS7864前端調理電路

模數(shù)轉換器的前端調理電路縮放和平移要采樣的信號，通過調理后的信號適合A/D轉換器的模擬輸入要求。圖3是ADS7864一個輸入通道的前端調理電路，
            
                                       圖3 ADS7864前端調理電路

       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個運放，A1用作跟隨器，用來緩沖ADS7864輸出的2.5V基準電壓源；A2和四個電阻構成了信號調理網(wǎng)絡，適當配置R1～R4電阻可以實現(xiàn)對輸入信號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與單片機連接電路

ADS786轉換后的結果通過DB0～DB15輸出，若將BYTE引腳接高電平，則每個結果分兩個字節(jié)從DB0～DB7讀出，用8位的單片機讀取非常的方便。為了避免89C51對ADS7864的干擾，用一片74HC244緩沖器來連接89C51的P0口和ADS7864的DB0～DB7，控制ADS7864的信號/HOLDA～/HOLDC、A0～A2也是通過89C51的P0口輸出，用一片74HC373來鎖存這些控制信號。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，同時用這個地址信號配合89C51的/WR和/RD信號作74HC244和74HC373的使能信號。要求當89C51的/RD=0,P2.7=1時才開啟74HC244，讀取ADS7864的轉換結果；當89C51的/WR=0,P2.7=1時74HC373才鎖存89C51 P0口上的數(shù)據(jù)信號，實現(xiàn)往ADS7864的控制端寫數(shù)據(jù)，其它時候74HC244和74HC373都是關閉的，這樣避免了89C51 P0口上的其它信號對ADS7864的干擾。采用鎖存器74HC373來連接89C51和ADS7864的原因是為了在ADS7864轉換數(shù)據(jù)的時候保持/HOLDA～/HOLDC、A0～A2端的電平保持不變，免得影響ADS7864轉換數(shù)據(jù)的精度。74HC244和74HC373的使能信號真值表如下：

                             
      
根據(jù)真值表，可以用圖4中的邏輯電路來實現(xiàn)這兩個使能信號。系統(tǒng)的最終目標就是獲取數(shù)據(jù)，然后計算得出結果。89C51控制ADS7864轉換和讀取轉換結果的代碼如下：



啟動轉換后，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的運行速度來決定。有關計算目標方位的代碼和算法這里就不再敘述。

三、 結束語

使用本文提出方案設計的方位探測儀器具有簡單有效、靈活易擴展、體積小、使用方便等特點，可以應用在很多需要測量目標方位的領域。