AD7714的工作原理及其應(yīng)用

微弱光信號(hào)的光電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)孫麗飛,王增林（吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院）摘要：詳細(xì)分析了光電檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，闡述了A/D轉(zhuǎn)換器AD7714芯片在光電檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，最后給出了AD7714與AT89C52的接口電路圖、程序流程圖以及關(guān)鍵的子程序。關(guān)鍵詞：AD7714;單片機(jī);光電檢測(cè)系統(tǒng)前言光電檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、宇宙、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生和民用等諸多領(lǐng)域。利用現(xiàn)代光電子技術(shù)作為檢測(cè)手段，具有無(wú)接觸、無(wú)損、遠(yuǎn)距離、抗干擾能力強(qiáng)、受環(huán)境影響小、檢測(cè)速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)越性，是當(dāng)今檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的主要方向。美國(guó)AD公司的A/D轉(zhuǎn)換器AD7714芯片是一個(gè)電荷平衡式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用Z—采樣轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了24位無(wú)誤碼模擬信號(hào)調(diào)制。它具有高的轉(zhuǎn)換精度、極好的靜態(tài)工作特性、完整的模擬前端和片內(nèi)校正，特別適合于測(cè)量低頻小信號(hào)。本文成功地將AD7714應(yīng)用于光電檢測(cè)系統(tǒng)中，并且取得了很好地應(yīng)用效果。本文首先介紹了整個(gè)光電檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，然后分析了光電二極管PIN的光電檢測(cè)電路以及AD7714與單片機(jī)的接口電路,k反饋電阻切換■4單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路號(hào)換路光電信轉(zhuǎn)電光信號(hào)圖1光電檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路號(hào)換路光電信轉(zhuǎn)電光信號(hào)圖1光電檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖光電檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖光電檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，光信號(hào)經(jīng)由光-電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量輸入到單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理并且顯示結(jié)果。為了使光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍內(nèi)，我們利用單片機(jī)來(lái)切換反饋電阻，從而改變光信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出電壓。光信號(hào)結(jié)果由液晶顯示器顯示。光電二極管PIN的光電檢測(cè)電路光電二極管PIN組成的光電檢測(cè)電路，實(shí)際上是一個(gè)光一電流一電壓變換器。PIN管是光電二極管中的一種，這種光電二極管的特點(diǎn)是頻帶寬（可達(dá)10GHz）,但是，它的輸出電流小（一般只有數(shù)微安）。PIN管將接收的光信號(hào)變成與之成比例的微弱電流信號(hào)，通過(guò)運(yùn)放和與PIN串聯(lián)的電阻組成的放大器變換成電壓信號(hào)，其基本電路如圖2所示。利用

圖2光電二極管PIN的光電檢測(cè)電路理想的運(yùn)放正、負(fù)輸入端有“虛短”(即兩輸入端之間電壓差為零)圖2光電二極管PIN的光電檢測(cè)電路光信號(hào)的靈敏度與所接的反饋電阻有關(guān)，靈敏度越高反饋電阻越大，對(duì)電阻、量程轉(zhuǎn)換開關(guān)的絕緣要求就越高，穩(wěn)定性就越難保證。而反饋電阻增大，一方面會(huì)帶來(lái)電阻的熱噪聲電流；另一方面，分布電容增加到10pF以上，因而其時(shí)間常數(shù)會(huì)變的較大，這對(duì)半導(dǎo)體器件測(cè)量是難于接受的。因此光電二極管微電流放大部分采用單片JFET輸入級(jí)靜電計(jì)運(yùn)放組成的T型電阻網(wǎng)絡(luò)反饋擴(kuò)展放大電路。使用圖2所示的T型網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)R-R<<R，運(yùn)X2S放的開環(huán)增益A〉〉1時(shí)，Vo與輸入電流I有如下關(guān)系式：V=(1+Rx-)-R-1，選擇不同bOR2Sb的R輸出電壓不同。由于電阻比值精度較高、穩(wěn)定性較好，閉環(huán)增益精度和穩(wěn)定性也會(huì)X提高。此外，由于反饋電阻擴(kuò)展了1+RX倍，既減少了熱噪聲影響，又減少了對(duì)運(yùn)放輸入R2圖389C52圖389C52單片機(jī)與\。7714的接口AD7714與模擬輸入及單片機(jī)的接口電路AD7714是適用于低頻測(cè)量的完整模擬前端，器件可以直接接受低電平信號(hào)并輸出串行數(shù)字信號(hào)oAD7714具有3組差分模擬輸入，它也可以配置為5個(gè)準(zhǔn)差分模擬輸入以及差分基準(zhǔn)輸入，可以對(duì)多達(dá)5個(gè)通道的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換。如圖3所示，本系統(tǒng)采用準(zhǔn)差分模擬輸入，經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的模擬電壓Vo與AD7714的AIN1輸入端相連。AD7714以其功能強(qiáng)大、接口方法簡(jiǎn)單、設(shè)定方式靈活等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。AD7714可以方便地與多種微處理器/計(jì)算機(jī)連接并且實(shí)現(xiàn)相互通訊，從AD7714輸出寄存器取數(shù)據(jù)或者把數(shù)據(jù)寫入AD7714控制寄存器中OD7714與89C52連接的原理見圖3,圖中:AD7714為外時(shí)鐘同步模式,DRDY、CS、DIN、DOUT、SCLK都按AD7714芯片提供的時(shí)序圖，分別對(duì)輸出寄存器進(jìn)行控制操作。AD7714的軟件流程圖及源程序軟件流程圖如圖4所示。利用C51進(jìn)行編程，AD7714讀寫操作子程序如下所示。4.1AD7714讀操作子程序ulintad_read(){uchari;

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;return(ad_readdata);}4．2AD7714寫操作子程序voidad_write(uchark){uchari;ucharad_writedata=k;SCLK=1;CS=0;for(i=8;i>0;i--){if(ad_writedata&0x80)DIN=1;elseDIN=0;SCLK=0;SCLK=1;ad_writedata<<=1;}CS=1;}圖4軟件流程圖5圖4軟件流程圖由于微弱電流對(duì)環(huán)境的影響非常敏感，所以在調(diào)試過(guò)程中將放大器放置在屏蔽盒中屏蔽，采用了低噪聲電纜屏蔽線做輸入輸出引線以減少外界干擾、減少電源噪聲。同時(shí)還采用了“附加溫漂”、“偏置補(bǔ)償”技術(shù)以改善漂移指標(biāo)，采用能大大降低輸出噪聲電平的“輸入電纜懸置法”等等一系列措施。某些傳統(tǒng)的光學(xué)儀器，如照相機(jī)和顯微鏡等，由于采用了新的光信息處理方法，而出現(xiàn)富里葉光譜儀和斷層攝影與計(jì)算機(jī)成像結(jié)合的CT等許多光電子設(shè)備。計(jì)算機(jī)在光電檢測(cè)中的應(yīng)用，不但可以處理大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，而且還可以用于設(shè)備本身的自診斷，使設(shè)備成為真正的智能儀器，必將的得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)劉衛(wèi)東，劉延冰，劉建國(guó).檢測(cè)微弱光信號(hào)的PIN光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì).電測(cè)與儀表,1999（4）.陸祖光.微電流測(cè)量技術(shù)探討.