四象限光电探测器电路的设计方案

四象限光电探测器是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，常用于激光制导或激光准直中。目前在光电探测系统中广为使用的多元非成像光电探测器多为四象限光电探测器件（以下简称四象限）。它包括各种规格的硅光电池以及类型各异的四象限光电二极管，如四象限PIN光电二极管、四象限雪崩光电二极管等。优质厂商主要有上海欧光OTRON品牌等。

一、原理

四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，如图1。一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位），若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或θ角来。

信号通过放大和调理后由由A/D转换器（本系统中采用ADS7864）采样转换成数字量送入单片机，由单片机处理后得到目标的方位，并根据实际系统的需要输出方位控制指令。

二、电路设计

根据实际系统的需要，A/D转换器用ADS7864，单片机用最常见的89C51。

这里对ADS7864作一介绍。ADS7864是TI公司生产的12bit高性能模数转换器，片上带2.5V基准电压源，可用作ADS7864的参考电压。每片ADS7864实际由2个转换速率为500ksps

的ADC构成，每个ADC有3个模拟输入通道，每个通道都有采样保持器，2个ADC组成3对模拟输入端，可同时对其中的1～3对输入信号同时采样保持，然后逐个转换。由于6个通道可以同时采样，很适合用来转换四象限光电探测器的4路光电信号，剩下2个通道作系统扩展用。

*下面主要介绍电路中的信号采样转换和处理部分。

ADS7864前端调理电路

模数转换器的前端调理电路缩放和平移要采样的信号，通过调理后的信号适合A/D转换器的模拟输入要求。图3是ADS7864一个输入通道的前端调理电路，

ADS7864模拟输入通道的+IN和-IN的最大电压输入范围为-0.3V～+5.3V（ADS7864 +5V供电）。图3的电路中使用了2个运放，A1用作跟随器，用来缓冲ADS7864输出的2.5V基准电压源；A2和四个电阻构成了信号调理网络，适当配置R1～R4电阻可以实现对输入信号Vi的缩放和平移以适合ADS7864模拟通道的输入要求。+IN端的输入电压表示如下：

ADS7864与单片机连接电路

ADS7864转换后的结果通过DB0～DB15输出，若将BYTE引脚接高电平，则每个结果分两个字节从DB0～DB7读出，用8位的单片机读取非常的方便。为了避免89C51对ADS7864的干扰，用一片74HC244缓冲器来连接89C51的P0口和ADS7864的DB0～DB7，控制ADS7864的信号/HOLDA～/HOLDC、A0～A2也是通过89C51的P0口输出，用一片74HC373来锁存这些控制信号。图4是89C51与ADS7864的连接电路图，其中略去了其它的一些电路连接。

系统采用89C51的P2.7寻址ADS7864，地址为8000H，同时用这个地址信号配合89C51的/WR和/RD信号作74HC244和74HC373的使能信号。要求当89C51的/RD=0，P2.7=1时才开启74HC244，读取ADS7864的转换结果；当89C51的/WR=0，P2.7=1时74HC373才锁存89C51 P0口上的数据信号，实现往ADS7864的控制端写数据，其它时候74HC244和74HC373都是关闭的，这样避免了89C51 P0口上的其它信号对ADS7864的干扰。采用锁存器74HC373来连接89C51和ADS7864的原因是为了在ADS7864转换数据的时候保持/HOLDA～/HOLDC、A0～A2端的电平保持不变，免得影响ADS7864转换数据的精度。74HC244和74HC373的使能信号真值表如下：

根据真值表，可以用图4中的逻辑电路来实现这两个使能信号。系统的最终目标就是获取数据，然后计算得出结果。89C51控制ADS7864转换和读取转换结果的代码如下：

启动转换后，在读取数据前需要延迟的指令周期数需根据89C51和ADS7864的运行速度来决定。有关计算目标方位的代码和算法这里就不再叙述。

三、 结束语

使用本文提出方案设计的方位探测仪器具有简单有效、灵活易扩展、体积小、使用方便等特点，可以应用在很多需要测量目标方位的领域。