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为光电探测器件，该光电检测系统能够探测微弱光信号。同时，利用 51 单
片机对两个步进电机精确自动控制，单片机通过 I/0 口输出步进电机的控
制信号，脉冲控制信号经过芯片驱动步进，步进电机将脉冲控制信号转换
为电机的角位移，使电机的转子根据脉冲数来实现电机转速，从而齿轮也
跟着一起转动，光电探测器件被移动到待测点并且对二文平面内光场特征
进行采集，同时将采集到的数据进行滤波、放大。输出的电信号再由单片
机控制 A/D 转换器件，对放大的数据进行 A/D 转换并将转换处理后的数据
进行显示出来。
图 2.1 系统结构图 本科毕业设计说明书（论文） 第 5页 共42 页
3 光电检测系统设计
3.1 方案设计
光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱,而且光探测器输出的信号往往
被深埋在噪声之中,因此,要对这样的微弱信号进行处理,一般都要先进行预处理,
以将大部分噪声滤除掉,并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这
样, 就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤
除掉大部分噪声的待检测信号[8]
。其光电检测模块的组成框显如图 3.1所示：
3.2 光电二极管简介
对二文平面内的光场特征参数分布进行测量，要求检测器件的线性好、灵
敏度高、较好的动态特性，为满足以上要求，我们选择光电二极管作为检测器
件，它具有灵敏度高，体积小，响应速度快的优点。
光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个 PN 结组成的
半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把
光信号转换成电信号的光电传感器件。
普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流；
可光电二极管在反向偏压使PN结加宽，空间电荷区的载流子基本耗尽了。光入
射到 PN 结上，如果光子能量大于半导体材料的禁带宽度 ，价带上电子可以吸
图 3.2 光电二极管 图 3.1 光电检测电路模块结构图
收光子而跃迁到导带产生电子-空穴对。若电子-空穴对在耗尽层内产生，在电
场作用下，电子向 N 区漂移，空穴向 P 区漂移，形成光生电流。当入射光功率
变化时，光生电流随之线性变化，从而把光信号转化成电流信。
光电二极管一般有两种模式工作: 零偏置工作和反偏置工作, 图 3.3 所示
是光电二极管的两种模式的偏置电路。
图中, 在光伏模式时, 光电二极管可非常精确的线性工作; 而在光导模式
时,光电二极管可实现较高的切换速度, 但要牺牲一定的线性。事实上, 在反偏
置条件下, 即使无光照, 仍有一个很小的电流(叫做暗电流)。而在零偏置时则没
有暗电流, 这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声; 在反偏置时, 由于
导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此, 在设计光电二极管电路的过程中,
通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计, 而不是对两种模式都进
行最优化设计。一般来说, 在光电精密测量中, 被测信号都比较微弱, 因此, 暗
电流的影响一般都非常明显[9]
。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的
信号、尽量避免噪声干扰是首要任务, 所以设计时采用光伏模式。
3.3 光电转换电路及前置放大电路