AD7714的工作原理及其應用

微弱光信號的光電檢測系統(tǒng)設計孫麗飛,王增林（吉林大學電子科學與工程學院）摘要：詳細分析了光電檢測系統(tǒng)的各個組成部分，闡述了A/D轉(zhuǎn)換器AD7714芯片在光電檢測系統(tǒng)中的應用，最后給出了AD7714與AT89C52的接口電路圖、程序流程圖以及關鍵的子程序。關鍵詞：AD7714;單片機;光電檢測系統(tǒng)前言光電檢測技術(shù)已廣泛應用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、宇宙、環(huán)境科學、醫(yī)療衛(wèi)生和民用等諸多領域。利用現(xiàn)代光電子技術(shù)作為檢測手段，具有無接觸、無損、遠距離、抗干擾能力強、受環(huán)境影響小、檢測速度快、測量精度高等優(yōu)越性，是當今檢測技術(shù)發(fā)展的主要方向。美國AD公司的A/D轉(zhuǎn)換器AD7714芯片是一個電荷平衡式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用Z—采樣轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)了24位無誤碼模擬信號調(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，特別適合于測量低頻小信號。本文成功地將AD7714應用于光電檢測系統(tǒng)中，并且取得了很好地應用效果。本文首先介紹了整個光電檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，然后分析了光電二極管PIN的光電檢測電路以及AD7714與單片機的接口電路,k反饋電阻切換■4單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換電路號換路光電信轉(zhuǎn)電光信號圖1光電檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換電路號換路光電信轉(zhuǎn)電光信號圖1光電檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖光電檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖光電檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，光信號經(jīng)由光-電信號轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將該電壓信號轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字量輸入到單片機內(nèi)，單片機進行數(shù)字信號處理并且顯示結(jié)果。為了使光電信號轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍內(nèi)，我們利用單片機來切換反饋電阻，從而改變光信號對應的輸出電壓。光信號結(jié)果由液晶顯示器顯示。光電二極管PIN的光電檢測電路光電二極管PIN組成的光電檢測電路，實際上是一個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是頻帶寬（可達10GHz）,但是，它的輸出電流小（一般只有數(shù)微安）。PIN管將接收的光信號變成與之成比例的微弱電流信號，通過運放和與PIN串聯(lián)的電阻組成的放大器變換成電壓信號，其基本電路如圖2所示。利用

圖2光電二極管PIN的光電檢測電路理想的運放正、負輸入端有“虛短”(即兩輸入端之間電壓差為零)圖2光電二極管PIN的光電檢測電路光信號的靈敏度與所接的反饋電阻有關，靈敏度越高反饋電阻越大，對電阻、量程轉(zhuǎn)換開關的絕緣要求就越高，穩(wěn)定性就越難保證。而反饋電阻增大，一方面會帶來電阻的熱噪聲電流；另一方面，分布電容增加到10pF以上，因而其時間常數(shù)會變的較大，這對半導體器件測量是難于接受的。因此光電二極管微電流放大部分采用單片JFET輸入級靜電計運放組成的T型電阻網(wǎng)絡反饋擴展放大電路。使用圖2所示的T型網(wǎng)絡，當R-R<<R，運X2S放的開環(huán)增益A〉〉1時，Vo與輸入電流I有如下關系式：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X提高。此外，由于反饋電阻擴展了1+RX倍，既減少了熱噪聲影響，又減少了對運放輸入R2圖389C52圖389C52單片機與\。7714的接口AD7714與模擬輸入及單片機的接口電路AD7714是適用于低頻測量的完整模擬前端，器件可以直接接受低電平信號并輸出串行數(shù)字信號oAD7714具有3組差分模擬輸入，它也可以配置為5個準差分模擬輸入以及差分基準輸入，可以對多達5個通道的系統(tǒng)實現(xiàn)信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換。如圖3所示，本系統(tǒng)采用準差分模擬輸入，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以其功能強大、接口方法簡單、設定方式靈活等優(yōu)點得到了廣泛的應用。AD7714可以方便地與多種微處理器/計算機連接并且實現(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為外時鐘同步模式,DRDY、CS、DIN、DOUT、SCLK都按AD7714芯片提供的時序圖，分別對輸出寄存器進行控制操作。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環(huán)境的影響非常敏感，所以在調(diào)試過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。同時還采用了“附加溫漂”、“偏置補償”技術(shù)以改善漂移指標，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)的光學儀器，如照相機和顯微鏡等，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算機成像結(jié)合的CT等許多光電子設備。計算機在光電檢測中的應用，不但可以處理大量的測量數(shù)據(jù)，而且還可以用于設備本身的自診斷，使設備成為真正的智能儀器，必將的得到越來越廣泛的應用。參考文獻劉衛(wèi)東，劉延冰，劉建國.檢測微弱光信號的PIN光電檢測電路的設計.電測與儀表,1999（4）.陸祖光.微電流測量技術(shù)探討.