基于單片機的光電二極管陣列驅動(dòng)電路設計

摘要：介紹了一種基于單片機的光電二極管陣列驅動(dòng)電路。在單片的單片機上完成光電二極管陣列時(shí)序信號產(chǎn)生、A/D轉換及數據傳輸整個(gè)過(guò)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、電路結構簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

引言

傳統的紫外光譜檢測系統采用單通道光電倍增管作為光電接收器件，由波長(cháng)掃描機構實(shí)現波長(cháng)掃描，完成整個(gè)波長(cháng)范圍內的光電檢測。這種光電檢測系統，體積龐大、測量速度慢，只能做單波長(cháng)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、光譜響應寬等特點(diǎn)，可廣泛應用于各類(lèi)多通道光譜檢測系統，目前大多數光電二極管陣列多采用現場(chǎng)可編程邏輯器件控制光電二極管時(shí)序電路的產(chǎn)生，會(huì )造成資源上的浪費。本文采用一片單片機80C52就能夠完成包括光電二極管時(shí)序的產(chǎn)生、ADC采樣及數據傳輸處理整個(gè)過(guò)程，解決了采用現場(chǎng)可編程器件資源浪費的問(wèn)題，節省了成本。

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(cháng)響應范圍，能夠響應200～1 000 nm范圍波長(cháng)，最大暗電流只有0.08 pA，當波長(cháng)λp=600 nm時(shí)，陣列靈敏度為2.4 A/W。光敏面積大，S3923—256Q的像元高度可以達到0.5 mm，寬度為25μm，光電二極管陣列S3923—256Q將數字移位寄存器、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(shí)序電路的控制下完成自?huà)呙璧倪^(guò)程，從而提高了響應速度，能夠響應0.1～500kHz的信號，電路靈活性強。其功耗僅有10 mW，適用于做微弱光信號檢測。

1 硬件設計

1.1 系統總體設計方案

以單片機為控制芯片的光電二極管陣列驅動(dòng)電路設計的總體設計如圖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(guò)光學(xué)分光系統分離出不同波長(cháng)范圍的光，由光電二極管陣列接收處理。單片機是整個(gè)系統的核心部件，負責產(chǎn)生光電二極管陣列S3923—256Q的驅動(dòng)信號，使S3923—256Q產(chǎn)生響應并輸出相應波長(cháng)所對應的電信號，經(jīng)過(guò)放大電路放大后控制ADC采樣信息送往串口，最終由上位機進(jìn)行處理。

1.2 光電二極管陣列驅動(dòng)的設計

圖2為光電二極管的驅動(dòng)電路，通用驅動(dòng)信號由單片機的輸入/輸出口直接產(chǎn)生驅動(dòng)脈沖，由軟件控制脈沖的時(shí)序，該方法的優(yōu)點(diǎn)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(gè)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(shí)抵消溫漂和暗電流的影響。

OPA111構成的精密儀表放大器如圖3所示。

放大器增益為：

經(jīng)過(guò)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(lái)說(shuō)，儀表放大器若放大倍數太大，放大器自身仍會(huì )引入較強溫漂等噪聲信號。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?？梢圆捎糜蒓P07組成的同相比例運算放大電路，通過(guò)不同開(kāi)關(guān)控制反饋電阻大小得到所需的放大倍數，使其能夠控制在A(yíng)/D采樣輸入電壓范圍內，有利于A(yíng)DC的采樣和處理。

2 軟件設計

單片機初始化后，首先產(chǎn)生光電二極管驅動(dòng)脈沖，與此同時(shí)建立一個(gè)中斷脈沖啟動(dòng)信號，使中斷響應與二極管陣列時(shí)序驅動(dòng)輸出同步，以便響應中斷后能夠迅速控制ADC進(jìn)行轉換。為了提高讀取速度，可以把單一數據的傳輸以頁(yè)寫(xiě)的方式批量讀取，并給每一頁(yè)編號，最終由上位機完成整頁(yè)數據的疊加，從而可以有效地消除隨機噪聲。程序流程如圖4所示。

2. 1 光電二極管陣列時(shí)序產(chǎn)生

利用單片機定時(shí)器中斷產(chǎn)生光電二極管S3923—256Q控制時(shí)序，用均分的方法把光電二極管陣列時(shí)序每個(gè)周期分為10段(A～I表示不同的狀態(tài))，每一段定時(shí)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(shí)序脈沖?？梢酝ㄟ^(guò)改變定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的長(cháng)短value_h和value_l的值，更改光電二極管陣列的驅動(dòng)時(shí)序頻率。時(shí)序產(chǎn)生部分程序如下：

num實(shí)現A～I狀態(tài)的切換，其中b表示在沒(méi)有重新啟動(dòng)時(shí)，每次進(jìn)入定時(shí)器中斷時(shí)切換到某一特定狀態(tài)值。當256個(gè)陣列掃描結束后，新的一輪開(kāi)始。光電二極管的驅動(dòng)時(shí)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位之前，此時(shí)觸發(fā)單片機中斷，從而控制ADC開(kāi)始轉換。

2.2 模擬量控制通道

模擬量控制通道是實(shí)現數據控制傳輸的重要模塊，本文設計的模擬控制量控制通道采用單極性0～10 V電壓輸入，最大轉換時(shí)間為25μs的8/12位模數轉換器MX574。圖6給出了MX574的數據轉換和讀取時(shí)序。ADC開(kāi)始工作時(shí)，啟動(dòng)轉換程序，當轉換結束標志為置1(即STS=1)時(shí)，轉換結束，數據開(kāi)始讀取，整個(gè)過(guò)程不到50μs，使數據能夠實(shí)時(shí)的傳送給上位機。

MX574的8位轉換時(shí)序如下：

MX574同時(shí)支持8位和12位數據轉換，進(jìn)行12位數據轉換和8位數據轉換時(shí)序相同，在數據讀取時(shí)12位轉換要先讀高8位，讀完高8位再讀低4位。系統中采用RS232通信模式，接收A/D采樣轉換后的采樣數據通過(guò)串口直接傳遞給上位機進(jìn)行處理，最終顯示輸出數據波形。

3 實(shí)驗結果分析

實(shí)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)光強度最強。

結語(yǔ)

完成了在單片機上實(shí)現微弱光信號的檢測實(shí)驗，由上位機的測量數據的處理，可以實(shí)現光譜的檢測。由于光電二極管陣列對不同波長(cháng)的光靈敏度不同，實(shí)驗數據還需進(jìn)一步矯正，使其能夠更接近真實(shí)值。

實(shí)驗中不可避免地會(huì )引入各種干擾，尤其是50 Hz基波及二次諧波干擾最嚴重，能夠達到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(dòng)、輸入連接及輸入電纜等都能引起誤差和漂移，要盡可能?chē)栏竦倪B接，避免電纜的振動(dòng)。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(xiàn)路。