光电检测 微弱光信号的光电检测系统设计

1、微弱光信号的光电检测系统设计（吉林大学电子科学与工程学院）摘要：详细分析了光电检测系统的各个组成部分，阐述了A/D转换器AD7714芯片在光电检测系统中的应用，最后给出了AD7714与AT89C52的接口电路图、程序流程图以及关键的子程序。关键词：AD7714;单片机;光电检测系统前言光电检测技术已广泛应用于军事、工业、农业、宇宙、环境科学、医疗卫生和民用等诸多领域。利用现代光电子技术作为检测手段，具有无接触、无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、测量精度高等优越性，是当今检测技术发展的主要方向。美国AD公司的A/D转换器AD7714芯片是一个电荷平衡式模数转换器。它采用采样转

2、换技术，实现了24位无误码模拟信号调制。它具有高的转换精度、极好的静态工作特性、完整的模拟前端和片内校正，特别适合于测量低频小信号。本文成功地将AD7714应用于光电检测系统中，并且取得了很好地应用效果。本文首先介绍了整个光电检测系统的结构框图，然后分析了光电二极管PIN的光电检测电路以及AD7714与单片机的接口电路，最后给出程序框图。1 光电检测系统结构框图光电检测系统结构框图如图1所示，光信号经由光-电信号转换电路转换为电压信号，模数转换器将该电压信号转换为相应的数字量输入到单片机内，单片机进行数字信号处理并且显示结果。为了使光电信号转换电路输出的电压信号在模数转换器的输入电压范围内，我

3、们利用单片机来切换反馈电阻，从而改变光信号对应的输出电压。光信号结果由液晶显示器显示。2 光电二极管PIN的光电检测电路光电二极管PIN组成的光电检测电路，实际上是一个光电流电压变换器。PIN管是光电二极管中的一种，这种光电二极管的特点是频带宽（可达10GHz），但是，它的输出电流小（一般只有数微安）。PIN管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，通过运放和与PIN串联的电阻组成的放大器变换成电压信号，其基本电路如图2所示。利用理想的运放正、负输入端有“虚短”(即两输入端之间电压差为零)的特性来检测PIN管电流。光信号的灵敏度与所接的反馈电阻有关，灵敏度越高反馈电阻越大，对电阻、量程转换

4、开关的绝缘要求就越高，稳定性就越难保证。而反馈电阻增大，一方面会带来电阻的热噪声电流；另一方面，分布电容增加到10pF以上，因而其时间常数会变的较大，这对半导体器件测量是难于接受的。因此光电二极管微电流放大部分采用单片JFET输入级静电计运放组成的T型电阻网络反馈扩展放大电路。使用图2所示的T型网络，当，运放的开环增益A1时，Vo与输入电流有如下关系式：，选择不同的输出电压不同。由于电阻比值精度较高、稳定性较好，闭环增益精度和稳定性也会提高。此外，由于反馈电阻扩展了倍，既减少了热噪声影响，又减少了对运放输入偏置电流的影响。3 AD7714与模拟输入及单片机的接口电路AD7714 是适用于低频测

5、量的完整模拟前端，器件可以直接接受低电平信号并输出串行数字信号。AD7714 具有3 组差分模拟输入，它也可以配置为5 个准差分模拟输入以及差分基准输入，可以对多达5 个通道的系统实现信号调理和转换。如图3所示，本系统采用准差分模拟输入，经由光电转换电路产生的模拟电压Vo与AD7714的AIN1输入端相连。AD7714 以其功能强大、接口方法简单、设定方式灵活等优点得到了广泛的应用。AD7714可以方便地与多种微处理器/计算机连接并且实现相互通讯，从 AD7714输出寄存器取数据或者把数据写入AD7714控制寄存器中。AD7714与89C52连接的原理见图3，图中：AD7714为外时钟同步模式

6、，DRDY、CS、DIN、DOUT、SCLK都按AD7714芯片提供的时序图，分别对输出寄存器进行控制操作。4 AD7714的软件流程图及源程序软件流程图如图4所示。利用C51进行编程，AD7714读写操作子程序如下所示。4.1 AD7714读操作子程序ulint ad_read()uchar i;ad_readdata=0;SCLK=1; CS=0; while(DRDY=1);i=24;do SCLK=0;ad_readdata<<=1;SCLK=1; DOUT=1; if(DOUT) ad_readdata=ad_readdata+1;while(-i);CS=1;retur

7、n(ad_readdata);42 AD7714写操作子程序void ad_write(uchar k)uchar i;uchar ad_writedata=k;SCLK=1;CS=0; for(i=8;i>0;i-) if(ad_writedata&0x80) DIN=1;else DIN=0;SCLK=0;SCLK=1;ad_writedata<<=1;CS=1;5 结论由于微弱电流对环境的影响非常敏感，所以在调试过程中将放大器放置在屏蔽盒中屏蔽，采用了低噪声电缆屏蔽线做输入输出引线以减少外界干扰、减少电源噪声。同时还采用了“附加温漂”、“偏置补偿”技术以改善漂移指标，采用能大大降低输出噪声电平的“输入电缆悬置法”等等一系列措施。某些传统的光学仪器，如照相机和显微镜等，由于采用了新的光信息处理方法，而出现富里叶光谱仪和断层摄影与计算机成像结合的等许多光电子设备。计算机在光电检测中的应用，不但可以处理大量的测量数据，而且还可以用于设备本身的自诊断，使设备成为真正的智能仪器，必将的得到越来越广泛的应用。参考文献1 刘卫东,刘延冰,刘建国. 检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计. 电测与仪表,1999(4).2 陆祖光.微电流测量技术探讨.电测与仪表,1990（5）.