楊媛如，徐熙平，劉丹

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作中心，北京，100083)

在現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)光能量的檢測(cè)已應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，可以得知空氣密度、液體雜質(zhì)濃度、空氣中粉塵顆粒含量等，而如何提高對(duì)其光功率的采集精度，對(duì)空氣密度、液體雜質(zhì)濃度、空氣中粉塵顆粒含量等參數(shù)的獲得具有非常重要的意義。

1 光強(qiáng)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)原理

光強(qiáng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分為發(fā)光二極管、光電轉(zhuǎn)化以及電壓采集部分，系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 The principle diagram of system

在此系統(tǒng)中，選用砷化鎵二極管HG31，此發(fā)光二極管的最大功耗是 50mW；最大正向電流35mA；發(fā)光的峰值波長(zhǎng)是940nm，選用此波段的發(fā)光二極管可以避開(kāi)可見(jiàn)光波段，受空氣中的可見(jiàn)光干擾小，光電二極管選用日本濱松公司生產(chǎn)的S1336硅光二極管，S1336的響應(yīng)峰值是940nm，在光的波長(zhǎng)是940nm時(shí)響應(yīng)可以達(dá)到0.5A/W。當(dāng)硅光二極管接收到光的時(shí)候，硅光二極管處于反相偏置，使硅光二極管工作在其伏安特性的第三相限，光強(qiáng)與光電流呈線性關(guān)系，再經(jīng)過(guò)放大電路將由光電二極管轉(zhuǎn)化的微弱電信號(hào)放大為適合A/D轉(zhuǎn)化的模擬電壓。A/D轉(zhuǎn)化電路將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。單片機(jī)是儀器的控制器，用于處理按鍵，讀取采樣值、計(jì)算并顯示測(cè)量結(jié)果。

1.2 光電轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)化電路將傳感器光電二極管輸出的微電信號(hào)放大，光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 光電轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Photoelectric conversion circuit

硅光二極管處于反相偏置，使硅光二極管工作在其伏安特性的第三相限，光強(qiáng)與光電流呈線性關(guān)系，相對(duì)于零偏置這種形式的電路具有更低的噪聲和更好的線性度。由于硅光二極管輸出電流較小，因此為了減小運(yùn)放的偏置電流對(duì)測(cè)量的影響，必須選取低偏置電流的運(yùn)放；此外，溫漂、失調(diào)電流、失調(diào)電壓等參數(shù)也得考慮。綜合考慮，選用 AD515運(yùn)放，該運(yùn)放輸入失調(diào)電壓400uV，最大溫度漂移15uV/℃，偏置電流0.08pA，增益帶寬值：GB=350kHz，轉(zhuǎn)換速率1V/us，消耗功率：1.5mA，工作電壓：±5~±18V。噪聲：50nV/(Hz)1/2(1kHz)。由AD515將硅光二極管的電路信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，在后端設(shè)計(jì)儀表放大器，進(jìn)行信號(hào)的放大，儀表放大器選用AD620，儀表放大器典型連接電路如圖3。

圖3中選用運(yùn)放AD620，3腳輸入電壓信號(hào)，2腳接模擬地，1和8腳間加入可調(diào)電阻，通過(guò)改變滑動(dòng)電阻器阻值就可改變運(yùn)放倍數(shù)，最后有6腳輸出放大后的電壓信號(hào)。

1.3 A/D轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)

ADS1100是精密的連續(xù)自校準(zhǔn)模/數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，封裝為小型 SOT23-6。轉(zhuǎn)換按比例進(jìn)行以電源作為基準(zhǔn)電壓。ADS1100使用可兼容 IIC串行接口，在2.7～5.5V的單電源下工作。ADS1100可每秒采樣 8、16、32或128次以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)可編程的增益放大器PGA提供高達(dá)8倍的增益，允許對(duì)更小的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并且具有高分辨率。在單周期轉(zhuǎn)換方式中ADS1100在一次轉(zhuǎn)換之后自動(dòng)掉電，在空閑期間極大地減少電流消耗。此外，可以將光強(qiáng)采樣電路裝入金屬屏蔽盒中，并就近安置在光電傳感器的輸出位置，通過(guò)兩線串行輸出接口與單片機(jī)電路相連接，這樣的設(shè)計(jì)將模擬與數(shù)字電路分開(kāi)，盡量減小外界干擾帶來(lái)測(cè)量的誤差，提高測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

圖3 儀表放大器電路Fig.3 Instrumentation amplifier circuit

2 ADS1100工作原理

2.1 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADS1100的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器核由一個(gè)差分開(kāi)關(guān)電容-調(diào)節(jié)器和一個(gè)數(shù)字濾波器組成。調(diào)節(jié)器測(cè)量正模擬輸入和負(fù)模擬輸入的壓差，并將其與基準(zhǔn)電壓相比較，在 ADS1100中基準(zhǔn)電壓即電源電壓，數(shù)字濾波器從調(diào)節(jié)器接收高速位流并輸出一個(gè)代碼，該代碼是一個(gè)與輸入電壓成比例的數(shù)字。

2.2 輸出碼計(jì)算

輸出碼是一個(gè)標(biāo)量值。除電路削波以外，它與兩個(gè)模擬輸入端的壓差成比例，輸出碼限定在一定數(shù)目范圍內(nèi)，該范圍取決于代表輸出碼所需要的位數(shù)，而 ADS1100的代表輸出碼所需要的位數(shù)又取決于數(shù)據(jù)速率。對(duì)最小碼的最小輸出碼可編程增益放大器PGA的增益，設(shè)置VIN+與VIN-的正負(fù)輸入電壓以及VDD而言，輸出碼可由以下表達(dá)式計(jì)算出：

在以上表達(dá)式中須重點(diǎn)注意使用負(fù)的最小輸出碼，ADS1100輸出碼的格式為二進(jìn)制2的補(bǔ)碼，因此，最小和最大的絕對(duì)值不同，最大的n位碼是

例如數(shù)據(jù)速率為16SPS且PGA=2時(shí)輸出碼的理想表達(dá)式為：

ADS1100輸出的所有代碼右對(duì)齊，并且經(jīng)過(guò)符號(hào)擴(kuò)展，這時(shí)在數(shù)據(jù)速率碼較高時(shí)僅用一個(gè)16位的累加器就可進(jìn)行平均值的計(jì)算。

2.3 工作方式

ADS1100以下面兩種方式中的一種工作連續(xù)轉(zhuǎn)換和單周期轉(zhuǎn)換，在連續(xù)轉(zhuǎn)換方式中ADS1100連續(xù)地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，一旦轉(zhuǎn)換完成，ADS1100即將結(jié)果置入輸出寄存器并立即開(kāi)始另一輪轉(zhuǎn)換。當(dāng)ADS1100處于連續(xù)轉(zhuǎn)換方式中時(shí)，配置寄存器中的 ST/BSY位總是讀作1，在單周期轉(zhuǎn)換方式中，ADS1100會(huì)等待直到轉(zhuǎn)換寄存器中的ST/BSY位被置位為1，此時(shí)ADS1100上電并且工作在單周期轉(zhuǎn)換方式下。在轉(zhuǎn)換完成之后，ADS1100將結(jié)果置入輸出寄存器中，復(fù)位ST/BSY位為0并掉電，當(dāng)轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時(shí)，寫(xiě)1到ST/BSY，則不影響該位內(nèi)容，在從連續(xù)轉(zhuǎn)換方式切換到單周期轉(zhuǎn)換方式時(shí)ADS1100將完成當(dāng)前轉(zhuǎn)換復(fù)位ST/BSY位為0并掉電。

在 ADS1100上電時(shí)，它自動(dòng)地進(jìn)行一次復(fù)位作為復(fù)位的一部分，ADS1100將配置寄存器中的所有位置位為它們的默認(rèn)設(shè)置，ADS1100對(duì)IIC的總呼叫復(fù)位命令做出響應(yīng)。當(dāng) ADS1100接收到總呼叫復(fù)位命令時(shí)，它即進(jìn)行一次內(nèi)部復(fù)位就像剛被上電一樣，這種方法可使兩個(gè)器件不發(fā)生沖突，如果兩個(gè)器件同時(shí)驅(qū)動(dòng)總線則驅(qū)動(dòng)器不會(huì)發(fā)生沖突。

2.4 ADS1100的讀操作時(shí)序

用戶可從 ADS1100中讀出輸出寄存器和配置寄存器的內(nèi)容，為做到這一點(diǎn)要對(duì) ADS1100尋址并從器件中讀出三個(gè)字節(jié)，前面的兩個(gè)字節(jié)是輸出寄存器的內(nèi)容，第三個(gè)字節(jié)是配置寄存器的內(nèi)容并不總是需要從 ADS1100中讀取三個(gè)字節(jié)，如果只需要輸出寄存器的內(nèi)容，則只需讀兩個(gè)字節(jié)。從ADS1100中讀取多于三個(gè)字節(jié)的值是無(wú)效的，從第四個(gè)字節(jié)開(kāi)始的所有字節(jié)將為FFHADS1100的讀操作的時(shí)序如圖4所示。

圖4 ADS1100的讀操作時(shí)序圖Fig.4 Read operation timing diagram of ADS1100

2.5 ADS1100的寫(xiě)操作時(shí)序

用戶可寫(xiě)新的內(nèi)容至配置寄存器，但不能更改輸出寄存器的內(nèi)容，為了做到這一點(diǎn)，要對(duì) ADS1100尋址并進(jìn)行寫(xiě)操作，并對(duì) ADS1100寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)，這個(gè)字節(jié)被寫(xiě)入配置寄存器中，對(duì) ADS1100寫(xiě)入多個(gè)字節(jié)到ADS1100無(wú)效。ADS1100將忽略第一個(gè)字節(jié)以后的任何輸入字節(jié)，并且它只對(duì)第一個(gè)字節(jié)做出應(yīng)答，對(duì)ADS1100寫(xiě)操作的時(shí)序如圖5所示。

圖5 ADS1100的寫(xiě)操作時(shí)序圖Fig.5 Write operation timing diagram of ADS1100

ADS1100的完全差分電壓輸入非常適應(yīng)于連接到源極阻抗較低的差分源，如電橋傳感器和電熱調(diào)節(jié)器。盡管 ADS1100可讀取兩極差分信號(hào)，但它不能接收輸入端的負(fù)電壓用戶，可將 ADS1100的正輸入電壓執(zhí)行當(dāng)作非反向而將負(fù)輸入當(dāng)作反向，在ADS1100反向時(shí)它在短時(shí)尖峰電壓中吸收電流，0.1F的旁路電容器可從電源中為所需的附加電流提供瞬時(shí)脈沖。

ADS1100可與標(biāo)準(zhǔn)方式、快速方式和高速方式的IIC控制器直接接口，任何微控制器的IIC外圍設(shè)備只能用作主機(jī)和單一主機(jī)的IIC外圍設(shè)備，都可與 ADS1100一起工作。ADS1100不會(huì)將時(shí)鐘拉緊，即 ADS1100絕不會(huì)將時(shí)鐘線拉低，除非同一條IIC總線上有其它器件，上拉電阻對(duì)SDA和SCL線都是必要的，因?yàn)镮IC總線驅(qū)動(dòng)器是漏極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)器，這些電阻的大小取決于總線的工作速度和總線電容阻值，較高的電阻的功耗較低，但會(huì)延長(zhǎng)總線的轉(zhuǎn)換時(shí)間，限制總線速度阻值較低的電阻允許總線高速運(yùn)轉(zhuǎn)，但功耗較高的總線的電容需要較小的上拉電阻來(lái)補(bǔ)償，電阻不應(yīng)太小，如果電阻太小，總線驅(qū)動(dòng)器可能不能將總線拉低，其與單片機(jī)的具體連結(jié)電路圖如圖6所示。

圖6 ADS1100與單片機(jī)的連接電路Fig.6 The connecting circuit with microcontroller and ADS1100

3 結(jié)論

本光強(qiáng)采集系統(tǒng)采用了紅外發(fā)光二極管，此發(fā)光二極管和硅光二極管配合起來(lái)能夠很好的對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，可以有效的降低可見(jiàn)光對(duì)光強(qiáng)的干擾，采用 S1336硅光二極管對(duì)于紅外波段的光響應(yīng)度高，采用儀表放大器 AD620能夠?qū)⑿⌒盘?hào)精確放大，可以使光功率的測(cè)量在0.0001W~0.5W的范圍調(diào)整，使用高精度 A/D轉(zhuǎn)換器 ADS1100，簡(jiǎn)化了電路，提高了可靠性。此系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾性能好、且精度高，在現(xiàn)代光強(qiáng)測(cè)試中可以得到廣泛的應(yīng)用。

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