基于單片機(jī)的光電二極管陣列驅(qū)動電路設(shè)計
摘要:介紹了一種基于單片機(jī)的光電二極管陣列驅(qū)動電路。在單片的單片機(jī)上完成光電二極管陣列時序信號產(chǎn)生、A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸整個過程,能夠檢測nA級微弱信號,與常用的可編程邏輯器件相比具有成本低、功耗低、電路結(jié)構(gòu)簡單的特點。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/307611.htm引言
傳統(tǒng)的紫外光譜檢測系統(tǒng)采用單通道光電倍增管作為光電接收器件,由波長掃描機(jī)構(gòu)實現(xiàn)波長掃描,完成整個波長范圍內(nèi)的光電檢測。這種光電檢測系統(tǒng),體積龐大、測量速度慢,只能做單波長檢測。光電二極管陣列屬于多通道檢測器件,因其具有體積小、單片集成信號讀出電路、光譜響應(yīng)寬等特點,可廣泛應(yīng)用于各類多通道光譜檢測系統(tǒng),目前大多數(shù)光電二極管陣列多采用現(xiàn)場可編程邏輯器件控制光電二極管時序電路的產(chǎn)生,會造成資源上的浪費。本文采用一片單片機(jī)80C52就能夠完成包括光電二極管時序的產(chǎn)生、ADC采樣及數(shù)據(jù)傳輸處理整個過程,解決了采用現(xiàn)場可編程器件資源浪費的問題,節(jié)省了成本。
本文所采用的光電二極管陣列是日本濱松公司生產(chǎn)的S3923-256Q,S3923-256Q具有較大的波長響應(yīng)范圍,能夠響應(yīng)200~1 000 nm范圍波長,最大暗電流只有0.08 pA,當(dāng)波長λp=600 nm時,陣列靈敏度為2.4 A/W。光敏面積大,S3923—256Q的像元高度可以達(dá)到0.5 mm,寬度為25μm,光電二極管陣列S3923—256Q將數(shù)字移位寄存器、有效光電二極管陣列和啞元二極管陣列集成在一起,使得S3923—256Q能夠在時序電路的控制下完成自掃描的過程,從而提高了響應(yīng)速度,能夠響應(yīng)0.1~500kHz的信號,電路靈活性強(qiáng)。其功耗僅有10 mW,適用于做微弱光信號檢測。
1 硬件設(shè)計
1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
以單片機(jī)為控制芯片的光電二極管陣列驅(qū)動電路設(shè)計的總體設(shè)計如圖1所示。
測試樣品在激光的照射下發(fā)出微弱的光信號,經(jīng)過光學(xué)分光系統(tǒng)分離出不同波長范圍的光,由光電二極管陣列接收處理。單片機(jī)是整個系統(tǒng)的核心部件,負(fù)責(zé)產(chǎn)生光電二極管陣列S3923—256Q的驅(qū)動信號,使S3923—256Q產(chǎn)生響應(yīng)并輸出相應(yīng)波長所對應(yīng)的電信號,經(jīng)過放大電路放大后控制ADC采樣信息送往串口,最終由上位機(jī)進(jìn)行處理。
1.2 光電二極管陣列驅(qū)動的設(shè)計
圖2為光電二極管的驅(qū)動電路,通用驅(qū)動信號由單片機(jī)的輸入/輸出口直接產(chǎn)生驅(qū)動脈沖,由軟件控制脈沖的時序,該方法的優(yōu)點是脈沖產(chǎn)生靈活方便。
1.3 前置放大器模塊
放大器OPA111是高精度運算放大器,電阻經(jīng)激光矯正,使其輸入偏置電流和輸入補償電流最大只有幾個pA,輸入最大電流噪聲為0.8 fA/
,最大電壓噪聲為80nV/
,適用于微弱光檢測前置放大電路。
前置放大器模塊主要是由OPA111組成的儀表放大器,此電路利用差分的方法同時抵消溫漂和暗電流的影響。
OPA111構(gòu)成的精密儀表放大器如圖3所示。
放大器增益為:
經(jīng)過儀表放大器后的信號有效地減少了溫漂和暗電流的影響,但對于nW級信號來說,儀表放大器若放大倍數(shù)太大,放大器自身仍會引入較強(qiáng)溫漂等噪聲信號。若要將信號送往ADC處理,需要進(jìn)一步對信號進(jìn)行放大處理。可以采用由OP07組成的同相比例運算放大電路,通過不同開關(guān)控制反饋電阻大小得到所需的放大倍數(shù),使其能夠控制在A/D采樣輸入電壓范圍內(nèi),有利于ADC的采樣和處理。
2 軟件設(shè)計
單片機(jī)初始化后,首先產(chǎn)生光電二極管驅(qū)動脈沖,與此同時建立一個中斷脈沖啟動信號,使中斷響應(yīng)與二極管陣列時序驅(qū)動輸出同步,以便響應(yīng)中斷后能夠迅速控制ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了提高讀取速度,可以把單一數(shù)據(jù)的傳輸以頁寫的方式批量讀取,并給每一頁編號,最終由上位機(jī)完成整頁數(shù)據(jù)的疊加,從而可以有效地消除隨機(jī)噪聲。程序流程如圖4所示。
2. 1 光電二極管陣列時序產(chǎn)生
利用單片機(jī)定時器中斷產(chǎn)生光電二極管S3923—256Q控制時序,用均分的方法把光電二極管陣列時序每個周期分為10段(A~I(xiàn)表示不同的狀態(tài)),每一段定時為100μs,從而產(chǎn)生周期為t=10×100μs=1 ms(頻率為f=1/t=1 kHz)的時序脈沖??梢酝ㄟ^改變定時器定時時間的長短value_h和value_l的值,更改光電二極管陣列的驅(qū)動時序頻率。時序產(chǎn)生部分程序如下:
num實現(xiàn)A~I(xiàn)狀態(tài)的切換,其中b表示在沒有重新啟動時,每次進(jìn)入定時器中斷時切換到某一特定狀態(tài)值。當(dāng)256個陣列掃描結(jié)束后,新的一輪開始。光電二極管的驅(qū)動時序如圖5所示。TRIG信號在每次光電二極管陣列產(chǎn)生視頻信號輸出之后復(fù)位之前,此時觸發(fā)單片機(jī)中斷,從而控制ADC開始轉(zhuǎn)換。
2.2 模擬量控制通道
模擬量控制通道是實現(xiàn)數(shù)據(jù)控制傳輸?shù)闹匾K,本文設(shè)計的模擬控制量控制通道采用單極性0~10 V電壓輸入,最大轉(zhuǎn)換時間為25μs的8/12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MX574。圖6給出了MX574的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取時序。ADC開始工作時,啟動轉(zhuǎn)換程序,當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志為置1(即STS=1)時,轉(zhuǎn)換結(jié)束,數(shù)據(jù)開始讀取,整個過程不到50μs,使數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r的傳送給上位機(jī)。
MX574的8位轉(zhuǎn)換時序如下:
MX574同時支持8位和12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,進(jìn)行12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時序相同,在數(shù)據(jù)讀取時12位轉(zhuǎn)換要先讀高8位,讀完高8位再讀低4位。系統(tǒng)中采用RS232通信模式,接收A/D采樣轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)通過串口直接傳遞給上位機(jī)進(jìn)行處理,最終顯示輸出數(shù)據(jù)波形。
3 實驗結(jié)果分析
實驗室所用發(fā)光光源為紅色LED照射,發(fā)光功率大約為1 nW,肉眼可以看到發(fā)出極其微弱的紅光,圖7為光電二極管檢測到的光譜圖。從圖中可以看出在680 nm附近采集到的電壓值最高,即在680 nm附近紅光的發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)。
結(jié)語
完成了在單片機(jī)上實現(xiàn)微弱光信號的檢測實驗,由上位機(jī)的測量數(shù)據(jù)的處理,可以實現(xiàn)光譜的檢測。由于光電二極管陣列對不同波長的光靈敏度不同,實驗數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步矯正,使其能夠更接近真實值。
實驗中不可避免地會引入各種干擾,尤其是50 Hz基波及二次諧波干擾最嚴(yán)重,能夠達(dá)到mV級,因此檢測電路必須用金屬外殼屏蔽。另外,摩擦電、外界震動、輸入連接及輸入電纜等都能引起誤差和漂移,要盡可能嚴(yán)格的連接,避免電纜的振動。優(yōu)質(zhì)的低噪聲或滲露電纜也可縮減泄露電流,并盡可能縮短輸入連接線路。
評論