基于單片機控制的光譜數據采集系統的設計

　　在光譜數據采集系統中,A/D轉換器選用MAX120。其引腳和電路原理如圖2所示。MAX120是一種采用BiCMOS工藝、帶采樣電路的12位模擬數字轉換器（ADC）;它有片內的跟蹤、保持電路（T/H）和低漂移電壓基準電路,而且轉換速度快、功耗低。它的轉換時(shí)間為1.6μs,其中包含了T/H電路250ns的采樣時(shí)間,因此,MAX120的吞吐率高達510 5次/s采樣,可以滿(mǎn)足一般測量需要。

　　MAX120可以接收-5～+5V的模擬輸入電壓,惟一需要的外部元件是去耦電容（用于為電源電壓和基準電壓去耦）。它的工作可用0.1～8MHz頻率范圍的時(shí)鐘信號。MAX120采用了標準的微處理器接口,3態(tài)數據輸出可直接與12位數據總線(xiàn)連接。訪(fǎng)問(wèn)數據和在線(xiàn)釋放的時(shí)序特性參數允許在不插入等待狀態(tài)的情況下與大多數微處理器兼容。所有的邏輯輸入端和輸出端與TTL/COMS電平兼容。

圖2（b）所示電路圖中,內部緩沖器對電容進(jìn)行充電以減少2次轉換之間所需的采集時(shí)間。模擬輸入端可以看作1個(gè)6kΩ電阻與10pF電容并聯(lián)的電路。2次轉換之間,緩沖器輸入通過(guò)輸入電阻與AIN相連。當轉換開(kāi)始時(shí),該輸入端又與AIN斷開(kāi),于是就采集了輸入信號。在轉換結束時(shí),緩沖器輸入端又重新與AIN相連,保持電容再次充電至輸入電壓。只要不是正在轉換過(guò)程中,T/H電路就處在跟蹤方式下。

　　MAX120有5種工作方式：全控制方式、獨立方式、慢存儲方式、ROM方式和連續轉換方式。方式1是全控制方式,它為用戶(hù)提供最大的控制能力,以控制轉換的開(kāi)始和取數操作。全控制方式用于能插入或不插入等待狀態(tài)的微處理機系統。方式2是獨立方式,為用戶(hù)提供較大的自主空間。方式3是慢存儲方式,主要用于A(yíng)DC的轉換期間微處理器不能被強制進(jìn)等待狀態(tài)的微處理器系統。方式4是ROM方式。方式5是連續轉換方式,用于基于微處理器的系統。

　　系統設計中采用MAX120的工作方式2,即獨立方式（MODE=開(kāi)路,RD=CS=DGND）電路連接方式如圖3所示。這種方式下,MAX120能直接與FIFO緩沖器相連或通過(guò)DMA口直接與存儲器相連。在獨立方式下,CONVST引腳上的下降沿啟動(dòng)一次轉換,數據輸出端總是開(kāi)放的,當INT/BUSY引腳電平的上升沿指示轉換結束時(shí),數據端上數據就得到更新。因為A/D的數據端總有數據,所以,用74HC245雙向三態(tài)八總線(xiàn)收發(fā)器進(jìn)行總線(xiàn)隔離。

MAX120的輸入信號范圍為-5～+5V。在對采集信號進(jìn)行電平調整時(shí),需要用1片LF356運算放大器,電路連接如圖4所示。通過(guò)對電位器RP2和RP3的調整來(lái)實(shí)現電平調整,以滿(mǎn)足A/D對輸入信號的要求。電路MAX120為雙極性輸入/輸出的變換函數。代碼的變換均出現在相繼兩個(gè)整數最小數據位（LSB）值的中間。輸出代碼是2的補碼的二進(jìn)制碼且1LSB=2.44mV（10V/4096）。

增益調整和雙極性偏置調整,由圖4中的電位器RP3和RP2來(lái)實(shí)現,調整中偏置調整應先于增益調整。調整雙極性偏置時(shí),將+1/2LSB（0.61mV）施加到?jīng)]有反向的放大器輸入端,然后調節RP3,使輸出代碼在0000 0000 0000和0000 0000 0001之間變化。對增益的調整,將滿(mǎn)量程（FS）-1/2LSB（2.4988V）施加到放大器的輸入端,然后調節RP2,使輸出代碼在0111 1111 1110和0111 1111 1111之間變化。這兩個(gè)調整之間可能有一些相互影響,須要反復調整。偏置和增益的調整是對A/D轉換的細分,目的在于提高A/D的精度。

　　2.A/D轉換的過(guò)程

　　本系統中,CCD輸出信號的重復頻率為200kHz,因而,要求模數轉換器的速率要高于200kHz。A/D轉換器的工作控制不用系統CPU來(lái)完成,而是用專(zhuān)用邏輯控制電路完成,包括地址產(chǎn)生器、總線(xiàn)緩沖隔離器、讀寫(xiě)控制邏輯電路和數據存儲單元。在數據轉換過(guò)程中,CPU只負責轉換電路的啟動(dòng)和檢測1幀數據轉換是否結束,中間過(guò)程無(wú)須CPU干預,使對CCD1幀數據轉換由邏輯控制電路自動(dòng)完成。A/D一次采樣的工作過(guò)程為：①接收光耦同步采集信號;

　?、隍寗?dòng)A/D轉換;③單片機查詢(xún)是否轉換完成;④讀出數據,存入存儲器。轉換過(guò)程控制程序框圖如圖5所示。
用光電倍增管對小于10kHz調制頻率的慢變化光譜信號的測量,50kHz的采樣頻率可以滿(mǎn)足測量的要求,其采集電路可以適用于各種光電倍增管的輸出信號采集。我們選用12MHz的時(shí)鐘頻率,對軟件進(jìn)行優(yōu)化,其運行的時(shí)間為20μs,采樣頻率為50kHz,可以滿(mǎn)足采樣的要求。

　　3.光電倍增管的高壓調整

　　在光電倍增管應用中,高壓的穩定性直接影響測量的精度。一般,光電倍增管的倍增級為10級左右,圖6所示為倍增管高壓與電流增益之間的電流增益之間的倍增關(guān)系。從圖6可看出電流增益約與陰極-陽(yáng)極間所加電壓的10 6～10 10成比例。所以PMT的輸出對工作電壓非常敏感,使用時(shí),必須用高穩定性的高壓電源。高壓電源的漂移、紋波、溫度變化、輸出變化、負載變化等的綜合穩定度必須優(yōu)手所要求的光電倍增管穩定度1個(gè)數量級。我們選用的是由HAMAMATSU（濱松）公司生產(chǎn)的高壓模塊,其電壓最大漂移量為0.03%h。

　　為擴大動(dòng)態(tài)范圍,須對光電倍增管的高壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整。圖7是控制電壓和控制電阻上相應的輸出電壓的關(guān)系曲線(xiàn)。光電倍增管的專(zhuān)用高壓模塊通過(guò)改變高壓模塊調整端的電壓或電阻,來(lái)改變輸出端的高壓。調整電阻用10kΩ電位器,電壓調整范圍為0～1.4V。

　　圖8所示為濱松公司高壓模塊的原理框圖。

　　為滿(mǎn)足不同的測量要求,需要設置三個(gè)量程。一般量程的調整為人工調整電位器,效率較低、精度不好控制。這里我們利用單片機控制可編程數字電位器X9C103來(lái)實(shí)現調整倍增管高壓,圖9是X9C103的接線(xiàn)原理圖。根據測量輸出信號的強弱,相應調整PMT的高壓,并將調整的狀態(tài)通過(guò)并口送入計算機。X9C103是一個(gè)包含100個(gè)電阻單元的電阻陣列。在每個(gè)單元之間和任一端都有可以被滑動(dòng)單元訪(fǎng)問(wèn)的抽頭點(diǎn)?；瑒?dòng)單元的位置由片選輸入端CS、升/降輸入端U/D、增加輸入端INC控制。它類(lèi)似于TTL升/降計數器,總阻值10kΩ、工作時(shí)鐘250kHz、工作電壓+5V,滑動(dòng)端位置存儲于非易失性存儲器中,可在上電時(shí)重新調用,滑動(dòng)端位置數據可保存100年。X9C103是固態(tài)非易失性電位器,它與機械電位器相比有調節更精確、不受意外影響（振動(dòng)、污染）、節省空間、易于安裝、滑動(dòng)端位置易于由單片機或邏輯電路控制的優(yōu)點(diǎn),是理想的數控微調電位器。三線(xiàn)接口由單片機P0口控制1片74LS374來(lái)完成鎖存,軟件編程實(shí)現。

二、應用

　　為了滿(mǎn)足光譜采集的需要,我們設計了相應的信號采集電路,應用單片機控制A/D芯片完成對于兩種不同的探測器輸出信號的采集。實(shí)際應用表明,采集系統的信噪比、采樣頻率等性能可以滿(mǎn)足測量的要求。

　　1.用于CCD輸出信號采集

　　采用CCD測量光譜大大縮短了測量時(shí)間,減少了外界環(huán)境對測量精度的影響。對于閃光燈、熒光和磷光等強度隨時(shí)間變化的光源,采用CCD測量其光譜分析,能得到精確的測量結果。