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高精度角位移传感器ASIC光电芯片研究

慕雨松  
【摘要】:角度位移传感器作为一种多学科交织的精密光学仪器在国家基础研究、经济发展和国防建设发展中的地位日益突显。但是,高端角度位移传感器产品需要的关键核心零部件几乎全部来自于国外进口,产业链短板长期存在且愈发严重。在此背景下,科技部、工信部、国家自然科学基金委等部门设置了一系列的“重大科学仪器设备开发”专项,本文的工作就是来源于科技部重大科学仪器设备开发专项“ASIC光电集成芯片设计”,研究的目的是开发一款专用于高精度角位移传感器的光电集成芯片,具体包括与传感器系统匹配的光电探测器阵列、高性能的光电集成电路和工业级的芯片制备方案。本论文的主要创新性贡献概括如下:1.提出了一种伪随机信号和增量信号的同步方法。采用一位伪随机码象元对应增量码的一个明暗条纹的机制,在码盘刻画误差不大于1/4个周期的范围内,不需要复杂的算法来寻找到伪随机码的首位,可以直接进行绝对位置信息的读取。并基于本方法设计了专用光电集成芯片。2.提出了一种专用于读取伪随机信息的线阵探测器方案。为了更好的实现高速弱光检测,探测器被设计成与码盘刻画完全重合的扇形,保证了每个探测器感光情况的一致性;同时,每个探测器采用独立的读取单元进行积分采集,再由时序控制串行输出,在保证一致性和信噪比的情况下可以实现7.4k Hz的读出帧频。3.提出了一种可以提高莫尔条纹信号质量的光电探测器方案。将四场裂相的探测器细分成多个不同相位的行组合,利用相位差滤波的原理提高了光电探测器所读取莫尔条纹信号的质量。放大电路采用一级高增益TIA和一级全差分放大器的架构,在保证相位差的同时也对噪声进行了有效的抑制。4.采用标准CMOS工艺实现了ASIC光电芯片的制备,并验证了光电芯片的性能及稳定性。运用该芯片完了高精度角位移传感器的研制,测试准确度≤1″,主要技术指标达到国际先进水平,实现了高精度角位移传感器的国产替代及产业化。


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