基于單片機(jī)的光電二極管陣列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于單片機(jī)的光電二極管陣列驅(qū)動(dòng)電路。在單片的單片機(jī)上完成光電二極管陣列時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生、A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸整個(gè)過程，能夠檢測nA級(jí)微弱信號(hào)，與常用的可編程邏輯器件相比具有成本低、功耗低、電路結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。

引言

傳統(tǒng)的紫外光譜檢測系統(tǒng)采用單通道光電倍增管作為光電接收器件，由波長掃描機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波長掃描，完成整個(gè)波長范圍內(nèi)的光電檢測。這種光電檢測系統(tǒng)，體積龐大、測量速度慢，只能做單波長檢測。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(hào)讀出電路、光譜響應(yīng)寬等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類多通道光譜檢測系統(tǒng)，目前大多數(shù)光電二極管陣列多采用現(xiàn)場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(fèi)。本文采用一片單片機(jī)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(shù)據(jù)傳輸處理整個(gè)過程，解決了采用現(xiàn)場可編程器件資源浪費(fèi)的問題，節(jié)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具有較大的波長響應(yīng)范圍，能夠響應(yīng)200～1 000 nm范圍波長，最大暗電流只有0.08 pA，當(dāng)波長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(dá)到0.5 mm，寬度為25μm，光電二極管陣列S3923—256Q將數(shù)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掃描的過程，從而提高了響應(yīng)速度，能夠響應(yīng)0.1～500kHz的信號(hào)，電路靈活性強(qiáng)。其功耗僅有10 mW，適用于做微弱光信號(hào)檢測。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

以單片機(jī)為控制芯片的光電二極管陣列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)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(hào)，經(jīng)過光學(xué)分光系統(tǒng)分離出不同波長范圍的光，由光電二極管陣列接收處理。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)產(chǎn)生光電二極管陣列S3923—256Q的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使S3923—256Q產(chǎn)生響應(yīng)并輸出相應(yīng)波長所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過放大電路放大后控制ADC采樣信息送往串口，最終由上位機(jī)進(jìn)行處理。

1.2 光電二極管陣列驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

圖2為光電二極管的驅(qū)動(dòng)電路，通用驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)的輸入/輸出口直接產(chǎn)生驅(qū)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(yùn)算放大器，電阻經(jīng)激光矯正，使其輸入偏置電流和輸入補(bǔ)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(gòu)成的精密儀表放大器如圖3所示。

放大器增益為：

經(jīng)過儀表放大器后的信號(hào)有效地減少了溫漂和暗電流的影響，但對(duì)于nW級(jí)信號(hào)來說，儀表放大器若放大倍數(shù)太大，放大器自身仍會(huì)引入較強(qiáng)溫漂等噪聲信號(hào)。若要將信號(hào)送往ADC處理，需要進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理?？梢圆捎糜蒓P07組成的同相比例運(yùn)算放大電路，通過不同開關(guān)控制反饋電阻大小得到所需的放大倍數(shù)，使其能夠控制在A/D采樣輸入電壓范圍內(nèi)，有利于ADC的采樣和處理。

2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)初始化后，首先產(chǎn)生光電二極管驅(qū)動(dòng)脈沖，與此同時(shí)建立一個(gè)中斷脈沖啟動(dòng)信號(hào)，使中斷響應(yīng)與二極管陣列時(shí)序驅(qū)動(dòng)輸出同步，以便響應(yīng)中斷后能夠迅速控制ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了提高讀取速度，可以把單一數(shù)據(jù)的傳輸以頁寫的方式批量讀取，并給每一頁編號(hào)，最終由上位機(jī)完成整頁數(shù)據(jù)的疊加，從而可以有效地消除隨機(jī)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(jī)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(xiàn)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^改變定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的長短value_h和value_l的值，更改光電二極管陣列的驅(qū)動(dòng)時(shí)序頻率。時(shí)序產(chǎn)生部分程序如下：

num實(shí)現(xiàn)A～I(xiàn)狀態(tài)的切換，其中b表示在沒有重新啟動(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(dāng)256個(gè)陣列掃描結(jié)束后，新的一輪開始。光電二極管的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖5所示。TRIG信號(hào)在每次光電二極管陣列產(chǎn)生視頻信號(hào)輸出之后復(fù)位之前，此時(shí)觸發(fā)單片機(jī)中斷，從而控制ADC開始轉(zhuǎn)換。

2.2 模擬量控制通道

模擬量控制通道是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制傳輸?shù)闹匾K，本文設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換時(shí)間為25μs的8/12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MX574。圖6給出了MX574的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取時(shí)序。ADC開始工作時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換程序，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志為置1(即STS=1)時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)開始讀取，整個(gè)過程不到50μs，使數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)的傳送給上位機(jī)。

MX574的8位轉(zhuǎn)換時(shí)序如下：

MX574同時(shí)支持8位和12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)序相同，在數(shù)據(jù)讀取時(shí)12位轉(zhuǎn)換要先讀高8位，讀完高8位再讀低4位。系統(tǒng)中采用RS232通信模式，接收A/D采樣轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)通過串口直接傳遞給上位機(jī)進(jìn)行處理，最終顯示輸出數(shù)據(jù)波形。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度最強(qiáng)。

結(jié)語

完成了在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)的檢測實(shí)驗(yàn)，由上位機(jī)的測量數(shù)據(jù)的處理，可以實(shí)現(xiàn)光譜的檢測。由于光電二極管陣列對(duì)不同波長的光靈敏度不同，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步矯正，使其能夠更接近真實(shí)值。

實(shí)驗(yàn)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(yán)重，能夠達(dá)到mV級(jí)，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，要盡可能嚴(yán)格的連接，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路。