基于單片機的光電二極管陣列驅動電路設計

摘要：介紹了一種基于單片機的光電二極管陣列驅動電路。在單片的單片機上完成光電二極管陣列時序信號產生、A/D轉換及數(shù)據(jù)傳輸整個過程，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、電路結構簡單的特點。

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，由波長掃描機構實現(xiàn)波長掃描，完成整個波長范圍內的光電檢測。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、單片集成信號讀出電路、光譜響應寬等特點，可廣泛應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序電路的產生，會造成資源上的浪費。本文采用一片單片機80C52就能夠完成包括光電二極管時序的產生、ADC采樣及數(shù)據(jù)傳輸處理整個過程，解決了采用現(xiàn)場可編程器件資源浪費的問題，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的S3923-256Q，S3923-256Q具有較大的波長響應范圍，能夠響應200～1 000 nm范圍波長，最大暗電流只有0.08 pA，當波長λp=600 nm時，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(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能夠在時序電路的控制下完成自掃描的過程，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(tǒng)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，經過光學分光系統(tǒng)分離出不同波長范圍的光，由光電二極管陣列接收處理。單片機是整個系統(tǒng)的核心部件，負責產生光電二極管陣列S3923—256Q的驅動信號，使S3923—256Q產生響應并輸出相應波長所對應的電信號，經過放大電路放大后控制ADC采樣信息送往串口，最終由上位機進行處理。

1.2 光電二極管陣列驅動的設計

圖2為光電二極管的驅動電路，通用驅動信號由單片機的輸入/輸出口直接產生驅動脈沖，由軟件控制脈沖的時序，該方法的優(yōu)點是脈沖產生靈活方便。

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：

經過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級信號來說，儀表放大器若放大倍數(shù)太大，放大器自身仍會引入較強溫漂等噪聲信號。若要將信號送往ADC處理，需要進一步對信號進行放大處理?？梢圆捎糜蒓P07組成的同相比例運算放大電路，通過不同開關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，有利于ADC的采樣和處理。

2 軟件設計

單片機初始化后，首先產生光電二極管驅動脈沖，與此同時建立一個中斷脈沖啟動信號，使中斷響應與二極管陣列時序驅動輸出同步，以便響應中斷后能夠迅速控制ADC進行轉換。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，最終由上位機完成整頁數(shù)據(jù)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 光電二極管陣列時序產生

利用單片機定時器中斷產生光電二極管S3923—256Q控制時序，用均分的方法把光電二極管陣列時序每個周期分為10段(A～I表示不同的狀態(tài))，每一段定時為100μs，從而產生周期為t=10×100μs=1 ms(頻率為f=1/t=1 kHz)的時序脈沖?？梢酝ㄟ^改變定時器定時時間的長短value_h和value_l的值，更改光電二極管陣列的驅動時序頻率。時序產生部分程序如下：

num實現(xiàn)A～I狀態(tài)的切換，其中b表示在沒有重新啟動時，每次進入定時器中斷時切換到某一特定狀態(tài)值。當256個陣列掃描結束后，新的一輪開始。光電二極管的驅動時序如圖5所示。TRIG信號在每次光電二極管陣列產生視頻信號輸出之后復位之前，此時觸發(fā)單片機中斷，從而控制ADC開始轉換。

2.2 模擬量控制通道

模擬量控制通道是實現(xiàn)數(shù)據(jù)控制傳輸?shù)闹匾K，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，最大轉換時間為25μs的8/12位模數(shù)轉換器MX574。圖6給出了MX574的數(shù)據(jù)轉換和讀取時序。ADC開始工作時，啟動轉換程序，當轉換結束標志為置1(即STS=1)時，轉換結束，數(shù)據(jù)開始讀取，整個過程不到50μs，使數(shù)據(jù)能夠實時的傳送給上位機。

MX574的8位轉換時序如下：

MX574同時支持8位和12位數(shù)據(jù)轉換，進行12位數(shù)據(jù)轉換和8位數(shù)據(jù)轉換時序相同，在數(shù)據(jù)讀取時12位轉換要先讀高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采樣轉換后的采樣數(shù)據(jù)通過串口直接傳遞給上位機進行處理，最終顯示輸出數(shù)據(jù)波形。

3 實驗結果分析

實驗室所用發(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

完成了在單片機上實現(xiàn)微弱光信號的檢測實驗，由上位機的測量數(shù)據(jù)的處理，可以實現(xiàn)光譜的檢測。由于光電二極管陣列對不同波長的光靈敏度不同，實驗數(shù)據(jù)還需進一步矯正，使其能夠更接近真實值。

實驗中不可避免地會引入各種干擾，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、輸入連接及輸入電纜等都能引起誤差和漂移，要盡可能嚴格的連接，避免電纜的振動。優(yōu)質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。