第一章 信号采集处理模块

第一章信号采集处理模块
1.1 信号采集模块
1.1.1 传感器的选择：
在光电传感器选择的过程中，我们最终决定在两种传感器中选择一种作为粗调部分的传感器。

下面我们将通过一些典型数据和重要参数来对比光电二极管BPW34和PH102：
1.形状尺寸：
图1.1 左图为BPW34 右图为PH102
在形状尺寸对比方面，首先BPW34为方形，最大宽度为5.4mm，而PH102为圆形，其感光部分的直径为3.8mm。

在本项目中，透光环的界面近似为矩形，尽管PH102具有更小的尺寸，但是在实际应用中，我们认为BPW34更能符合我们的要求。

2.非线性度
从下图中，我们可以看出，两种传感器的非线性度差别并不大，在各个光强阶段其非线性变化很类似，但是在同样的光强下，PH102在电流的数值上更大。

所以在这一方面的对比中，两种传感器中PH102更好一些。

图1.2 左图为BPW34 右图为PH102
3.感光范围
BPW34：400——1100nm(最大响应波长：850nm)
PH102：400——1000nm(最大响应波长：800nm)
4.噪声及内部干扰
Bpw34作为光电二极管，其内部有暗电流，而PH102作为光电三极管，其内部有漏电流。

BPW34的暗电流D I nA 30≤，而PH102大概在微安级。

所以在这个方面的对比中，BPW34更加适用。

5.成本
两种传感器的价格都在2元左右，成本都很低。

6.反应灵敏度
光电二极管和光电三极管在灵敏度方面都很出色，所以在这两种传感器的灵敏度都很高。

综上：
我们最终决定采用BPW34。

主要原因是因为它的内部噪声和干扰更小，在精度上能做到更好。

同时，在其他方面并不弱于PH102，都具有感光范围大、反应灵敏度高、成本低及尺寸小的特点。

1.1.2 光电传感器BPW34的实际测试：
PIN 型光电二极管在接受光辐射后会产生光电流、暗电流、噪声电流，本次实验主要针对光电二极管的暗电流进行简单测试。

在BPW34的说明书中，所给出的暗电流在V V R 10=时，nA I R 30≤。

但在实际测试中，我们发现在完全无光的条件下，其测得数值比给出的阈值大一个数量级。

经分析，我们认为是光电二极管中的其他噪声及环境对所测结果造成了影响。

因为暗电流的绝对值很小，所以我们用将暗电流转化为电压的间接测量的方法进行测试，把整个元件用不透光的材料遮挡起来，再将电压测量线从电阻两端引出，测试电路见下图。

图1.3 BPW34测试电路
对于暗电流及噪声电流的处理,我们拟用以下几种措施：
1.硬件补偿：在运放端提供一个偏置电流，与干扰电流抵消。

2.降低运放的放大倍数。

或者：
再提供一个同性能的光电二极管，只用来检测干扰电流，这样既可以在硬件上进行处理，也可以对采集后的数值进行软件处理。

1.1.3 筒身参数的确定：
本项目装置的设计是希望白天探头追踪太阳轨迹运行，夜间自动复位到日出处等待次日太阳升起再次实现追踪，但由于晨昏线的存在，导致一年四季日出的角度方位随时间变化，为了简化算法，使无论何时日出，光都能照射到追光装置的探头底部，使传感器感光，避免日出时找不到太阳的情况，在设计探头参数时就应充分考虑这一情况。

如果把地球看作一个正球体，同时不考虑大气对太阳光线的散射作用，那么，地球上昼半球与夜半球的面积应相等，即晨昏圈是一个过球心的大圆，且平分地球。

晨昏线平面与太阳光垂直。

晨昏线上的各点太阳高度为0，昼半球上的各点太阳高度大于0，夜半球上的各点太阳高度小于0。

晨昏线自东向西移动15°/小时，与地球自转方向相反。

若α=0，即晨昏线（圈）与某经线圈重合。

若α最大，则晨昏线（圈）与极圈相切。

α的变化情况可以反映各纬度的昼夜长短情况（以北半球为例），当太阳直射北半球，若α增大，则昼变长，若α减小，则昼变短，这段时间里昼长始终大于夜长；当太阳直射南半球，若α增大，则昼变
短，若α减小，则昼变长，这段时间里昼长始终小于夜长。

图1.4 晨昏线示意图
我们通过晨昏线的有关资料，对追光结构中的筒身做了详细的设计及其尺寸的计算。

单位：mm
图1.5 筒身参数图
图1.6 筒高计算示意图
上图中，筒顶阴影部分为透光部分，其余部分涂上了不透光材料。

筒底四个圆为四个微调传感器，在两阵列上分别对称分布着八个粗调传感器（图中未画出），筒的各个参数主要由传感器的大小和晨昏线的夹角确定。

筒底直径：0.40*10+2*1=6cm
筒高度：2/tan 23°46´+0.2+0.2=4.95cm，考虑到制作工艺问题取5cm
图1.7 筒底形状示意图
由于本装置一直处于光照状态下，温度较高，会影响传感器的线性特性，从而对追光精度产生影响，为了最大程度降低此影响，筒的底部采用镂空的形式以增强通风情况。

图中阴影部分为四个支点，以便于传感器阵列的固定。

以上便是通的相关参数设计内容，现在已经着手准备成品的制作。

1.2 信号预处理模块
1.2.1 放大电路：
在对采集到的信号进行处理的时候，我们首先将对其进行放大信号的处理。

本项目我们采用AD620作为放大芯片。

AD620是一款低成本、高精度、单芯片仪表放大器，采用经典的三运放设计，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。

此外，AD620采用8引脚SOIC封装和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低（最大工作电流仅1.3mA），因而非常适合电池供电及便携式应用。

图1.8 输入失调电压典型分布
图1.9 电压噪声谱密度与频率的关系
图1.10 增益与频率的关系
同时，AD620具有高精度（最大非线性度40ppm ）、低失调电压（最大50µA）和低失调漂移（最大0.6µV/℃），传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。

此外，AD620还具有低噪声、低输入偏执电流和低功耗特性，并且成本很低，这些特性能使其更加完美的应用于本项目。

AD620的放大增益式为：
14.49+Ω=g R K G 1
4.49-Ω=G K R g 式中 G ——增益倍数。

图1.11 实验所需放大电路原理图
对于信号处理模块，有了更为深入的了解和规划。

首先本次项目大概要用到十个左右的传感器，对于信号处理部分，我们始终在寻找一个最佳的选择方案。

经过多次讨论和验证，我们在与老师沟通后，决定采用如下方案：通过一个模拟开关CD4051B 来逐个选择每一个信号，在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来，这样就不需要把每一路信号传输都连接后续的数据处理模块，只需要在多路开关选择器的输出端接一组滤波放大电路即可，再通过AD 转换模块传递到单片机中。

这个方案的优点是可以最大限度的节省成本，简化电路，减小体积，并且通过控制计数器进而控制多路选择器的扫描频率来实现信号扫描频率的调节。