基于單片機(jī)控制的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　在光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,A/D轉(zhuǎn)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(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）;它有片內(nèi)的跟蹤、保持電路（T/H）和低漂移電壓基準(zhǔn)電路,而且轉(zhuǎn)換速度快、功耗低。它的轉(zhuǎn)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(dá)510 5次/s采樣,可以滿足一般測量需要。

　　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(zhǔn)電壓去耦）。它的工作可用0.1～8MHz頻率范圍的時(shí)鐘信號(hào)。MAX120采用了標(biāo)準(zhǔn)的微處理器接口,3態(tài)數(shù)據(jù)輸出可直接與12位數(shù)據(jù)總線連接。訪問數(shù)據(jù)和在線釋放的時(shí)序特性參數(shù)允許在不插入等待狀態(tài)的情況下與大多數(shù)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(nèi)部緩沖器對電容進(jìn)行充電以減少2次轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換之間,緩沖器輸入通過輸入電阻與AIN相連。當(dāng)轉(zhuǎn)換開始時(shí),該輸入端又與AIN斷開,于是就采集了輸入信號(hào)。在轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換過程中,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(dú)立方式、慢存儲(chǔ)方式、ROM方式和連續(xù)轉(zhuǎn)換方式。方式1是全控制方式,它為用戶提供最大的控制能力,以控制轉(zhuǎn)換的開始和取數(shù)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(jī)系統(tǒng)。方式2是獨(dú)立方式,為用戶提供較大的自主空間。方式3是慢存儲(chǔ)方式,主要用于ADC的轉(zhuǎn)換期間微處理器不能被強(qiáng)制進(jìn)等待狀態(tài)的微處理器系統(tǒng)。方式4是ROM方式。方式5是連續(xù)轉(zhuǎn)換方式,用于基于微處理器的系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用MAX120的工作方式2,即獨(dú)立方式（MODE=開路,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DMA口直接與存儲(chǔ)器相連。在獨(dú)立方式下,CONVST引腳上的下降沿啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)輸出端總是開放的,當(dāng)INT/BUSY引腳電平的上升沿指示轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),數(shù)據(jù)端上數(shù)據(jù)就得到更新。因?yàn)锳/D的數(shù)據(jù)端總有數(shù)據(jù),所以,用74HC245雙向三態(tài)八總線收發(fā)器進(jìn)行總線隔離。

MAX120的輸入信號(hào)范圍為-5～+5V。在對采集信號(hào)進(jìn)行電平調(diào)整時(shí),需要用1片LF356運(yùn)算放大器,電路連接如圖4所示。通過對電位器RP2和RP3的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)電平調(diào)整,以滿足A/D對輸入信號(hào)的要求。電路MAX120為雙極性輸入/輸出的變換函數(shù)。代碼的變換均出現(xiàn)在相繼兩個(gè)整數(shù)最小數(shù)據(jù)位（LSB）值的中間。輸出代碼是2的補(bǔ)碼的二進(jìn)制碼且1LSB=2.44mV（10V/4096）。

增益調(diào)整和雙極性偏置調(diào)整,由圖4中的電位器RP3和RP2來實(shí)現(xiàn),調(diào)整中偏置調(diào)整應(yīng)先于增益調(diào)整。調(diào)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(diào)節(jié)RP3,使輸出代碼在0000 0000 0000和0000 0000 0001之間變化。對增益的調(diào)整,將滿量程（FS）-1/2LSB（2.4988V）施加到放大器的輸入端,然后調(diào)節(jié)RP2,使輸出代碼在0111 1111 1110和0111 1111 1111之間變化。這兩個(gè)調(diào)整之間可能有一些相互影響,須要反復(fù)調(diào)整。偏置和增益的調(diào)整是對A/D轉(zhuǎn)換的細(xì)分,目的在于提高A/D的精度。

　　2.A/D轉(zhuǎn)換的過程

　　本系統(tǒng)中,CCD輸出信號(hào)的重復(fù)頻率為200kHz,因而,要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速率要高于200kHz。A/D轉(zhuǎn)換器的工作控制不用系統(tǒng)CPU來完成,而是用專用邏輯控制電路完成,包括地址產(chǎn)生器、總線緩沖隔離器、讀寫控制邏輯電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中,CPU只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換電路的啟動(dòng)和檢測1幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束,中間過程無須CPU干預(yù),使對CCD1幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換由邏輯控制電路自動(dòng)完成。A/D一次采樣的工作過程為：①接收光耦同步采集信號(hào);

　?、隍?qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換;③單片機(jī)查詢是否轉(zhuǎn)換完成;④讀出數(shù)據(jù),存入存儲(chǔ)器。轉(zhuǎn)換過程控制程序框圖如圖5所示。
用光電倍增管對小于10kHz調(diào)制頻率的慢變化光譜信號(hào)的測量,50kHz的采樣頻率可以滿足測量的要求,其采集電路可以適用于各種光電倍增管的輸出信號(hào)采集。我們選用12MHz的時(shí)鐘頻率,對軟件進(jìn)行優(yōu)化,其運(yùn)行的時(shí)間為20μs,采樣頻率為50kHz,可以滿足采樣的要求。

　　3.光電倍增管的高壓調(diào)整

　　在光電倍增管應(yīng)用中,高壓的穩(wěn)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(wěn)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(fù)載變化等的綜合穩(wěn)定度必須優(yōu)手所要求的光電倍增管穩(wěn)定度1個(gè)數(shù)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(kuò)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(diào)整。圖7是控制電壓和控制電阻上相應(yīng)的輸出電壓的關(guān)系曲線。光電倍增管的專用高壓模塊通過改變高壓模塊調(diào)整端的電壓或電阻,來改變輸出端的高壓。調(diào)整電阻用10kΩ電位器,電壓調(diào)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。

　　為滿足不同的測量要求,需要設(shè)置三個(gè)量程。一般量程的調(diào)整為人工調(diào)整電位器,效率較低、精度不好控制。這里我們利用單片機(jī)控制可編程數(shù)字電位器X9C103來實(shí)現(xiàn)調(diào)整倍增管高壓,圖9是X9C103的接線原理圖。根據(jù)測量輸出信號(hào)的強(qiáng)弱,相應(yīng)調(diào)整PMT的高壓,并將調(diào)整的狀態(tài)通過并口送入計(jì)算機(jī)。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)單元訪問的抽頭點(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。它類似于TTL升/降計(jì)數(shù)器,總阻值10kΩ、工作時(shí)鐘250kHz、工作電壓+5V,滑動(dòng)端位置存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器中,可在上電時(shí)重新調(diào)用,滑動(dòng)端位置數(shù)據(jù)可保存100年。X9C103是固態(tài)非易失性電位器,它與機(jī)械電位器相比有調(diào)節(jié)更精確、不受意外影響（振動(dòng)、污染）、節(jié)省空間、易于安裝、滑動(dòng)端位置易于由單片機(jī)或邏輯電路控制的優(yōu)點(diǎn),是理想的數(shù)控微調(diào)電位器。三線接口由單片機(jī)P0口控制1片74LS374來完成鎖存,軟件編程實(shí)現(xiàn)。

二、應(yīng)用

　　為了滿足光譜采集的需要,我們設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)采集電路,應(yīng)用單片機(jī)控制A/D芯片完成對于兩種不同的探測器輸出信號(hào)的采集。實(shí)際應(yīng)用表明,采集系統(tǒng)的信噪比、采樣頻率等性能可以滿足測量的要求。

　　1.用于CCD輸出信號(hào)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(qiáng)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(jié)果。