全数字式四象限精密光电方位探测器
全数字式四象限精密光电
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。
图1 目标在四象限光电探测器上成像
图2是方位探测器原理框图。
图2 方位探测器原理
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，
图3 ads7864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：
方位探测器
ads7864与单片机连接电路
ads786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。
图4 ads7864与89c51的连接
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。
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图1 目标在四象限光电探测器上成像
图2是方位探测器原理框图。
图2 方位探测器原理
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，
图3 ads7864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：
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图4 ads7864与89c51的连接
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：
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