陳叢 盧啟鵬

摘 要：文章針對采用InGaAs式電流型光電探測器的高精度近紅外光譜儀器，設計了一種基于DDC112的采集電路。采用雙通道電流輸入式A/D轉換器DDC112作為核心芯片，為其設計外圍電路，并利用芯片內(nèi)部的TEST模式進行電路性能測試。實驗結果表明，基于DDC112芯片所設計的高精度采集電路，其分辨率可達到16位，即轉換后的電壓信號可穩(wěn)定至5位，且所設計電路簡單、穩(wěn)定，進一步驗證了該電路應用于高精度近紅外光譜儀器的實用性和有效性。

關鍵詞：近紅外光譜；DDC112；A/D轉換

中圖分類號：TH744.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）08-0072-02

1 近紅外光譜分析儀的電子學結構

電子學系統(tǒng)是近紅外光譜分析系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括電源電路、前置預處理電路、采集電路和接口電路等。探測器將接收的光信號轉化為電信號后傳送至前置預處理電路，前置預處理電路主要實現(xiàn)信號的放大和濾波功能，將信號放大至后續(xù)電路可以正常工作的電壓。然后經(jīng)過A/D轉換電路將模擬信號轉換成數(shù)字信號，并通過接口電路傳入計算機進行后續(xù)的信號處理，其具體的結構圖，如圖1所示。

電子學系統(tǒng)是近紅外光譜分析系統(tǒng)的主要噪聲來源之一，設計快速高信噪比的光譜數(shù)據(jù)采集電路是提高整套系統(tǒng)的重要手段。本文針對InGaAs光電探測器設計了一種快速高信噪比的光譜數(shù)據(jù)采集電路，為提高光譜分析系統(tǒng)的檢測精度奠定了基礎。

2 基于DDC112的采集電路設計

2.1 DDC112的工作原理

DDC112是由TI公司生產(chǎn)的一款電流輸入式A/D轉換芯片。 它具有輸入范圍廣，分辨率高（可達20位） ， 采樣速度快（1.5 kHZ）等優(yōu)點，滿足近紅外光譜數(shù)據(jù)采集的需求。

DDC112主要依賴電容器的積分完成對輸入電流信號的采集。當DDC112工作時，積分電容器首先向VREF充電，隨著DDC112和電容器的不斷積分，輸入的電流信號將釋放電容器的電荷，進而導致運算放大器的輸出電壓被降低。而當積分完成時，輸入信號將切換至另一端，此時，芯片內(nèi)部的電壓輸入型ADC將測量VREF的保持值。

此過程不斷重復，持續(xù)、有效地進行，可不斷的將輸入信號進行積分，進而完成對電流信號的A/D轉換。

2.2 基于DDC112的采集電路設計

由于InGaAs光電探測器的輸出為電流信號，因此大多數(shù)近紅外光譜分析儀的采集電路的方案均采用先將電流信號轉換為電壓信號，然后利用前置放大電路進行信號的放大和濾波，最后通過輸入電壓式A/D轉換電路將信號以數(shù)字形式輸出。

此種方案雖然能夠完成光譜數(shù)據(jù)的采集，但是對于運算放大器引入的噪聲及放大電路中電阻的熱噪聲卻很難避免。

當被測量的物質(zhì)含量較少時，探測器的輸出信號極其微弱，則需要高阻值得電阻（有時達到幾兆）才能完成信號的放大。而電阻的熱噪聲與阻值成正比，此時的熱噪聲將不能被忽略，且會對采集電路的精度產(chǎn)生較大的影響。

本設計為了避免上述問題，采用直接對探測器的電流輸出信號進行數(shù)據(jù)采集的方法，通過DDC112和積分電容完成信號的轉換和采集，避免了高阻值電阻的使用，減少了電路中的熱噪聲，進而提高了采集電路的精度。

其具體原理圖，如圖2所示。

由圖2可見，DDC112的外圍電路較為簡單，且元器件較少，因此電路中引入的外部噪聲源也較少，有助于提高光譜數(shù)據(jù)的采集精度。本文采用DDC112內(nèi)部的Test模式對所設計的電路進行測試，輸出接口采用單向SPI接口。所測得的電路性能，見表1。

根據(jù)DDC112的datasheet，理論上當DDC112工作于TEST模式時的積分電容值應為13 pF、50 pF和75 pF，但電荷量變化的允許范圍是±20%，則積分電容值的范圍應為10.4～15.6 pF， 40～60 pF和60～90 pF，表1中的實測三個電容值均滿足要求。

由表1所示，當量程越低時，兩個通道的實測誤差越小，分辨率越高；反之量程越高時，兩個通道的實測誤差越大，分辨率越低。

但是，即使當量程最大為300 pC時，兩通道間的誤差也僅為0.117%，分辨率達到了16位，即采集數(shù)據(jù)的電壓有5位的穩(wěn)定數(shù)據(jù)，滿足近紅外光譜數(shù)據(jù)的采集要求。

3 結 語

本文針對采用InGaAs探測器的近紅外光譜分析儀器，設計了一種基于DDC112的高精度數(shù)據(jù)采集電路。文章針對采用InGaAs式電流型光電探測器的高精度近紅外光譜儀器，設計了一種基于DDC112的采集電路。采用雙通道電流輸入式A/D轉換器DDC112作為核心芯片，為其設計外圍電路，并利用芯片內(nèi)部的TEST模式進行電路性能測試。實驗結果表明，基于DDC112芯片所設計的高精度采集電路，其分辨率可達到16位，即轉換后的電壓信號可穩(wěn)定至5位，且所設計電路簡單、穩(wěn)定，進一步驗證了該電路應用于高精度近紅外光譜儀器的實用性和有效性。經(jīng)測試，所設計電路的分辨率達到16位，且外圍電路簡單、小型、穩(wěn)定，進一步驗證了該電路的可靠性。

由于該電路具有高精度、簡單、穩(wěn)定、低成本等優(yōu)點，因此可以作為一種有效電路應用于高精度近紅外光譜分析儀器。

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