【文章內(nèi)容簡介】 弱光信號，需要光電傳感器具有很高的靈敏度。有兩種光電檢測器可以選擇，包括光電二極管（PIN）和雪崩二極管（APD）。PIN響應(yīng)頻率高，響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定。APD靈敏度高，響應(yīng)快，具有小型、不需要高壓電源等優(yōu)點。而與光電二極管相比，雪崩光電二極管具有靈敏度高、速度快等優(yōu)點，特別當(dāng)系統(tǒng)帶寬比較大時，能使系統(tǒng)的探測性能獲得大的改善[4][5]。由于信號微弱，持續(xù)時間較短，本設(shè)計采用有較高相應(yīng)速度和倍增效應(yīng)的雪崩二極管。雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的一種光生伏特器件，它利用光生載流子在強電場內(nèi)的定向移動產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，以獲得光電流的增益。在雪崩過程中，光生載流子在強電場的作用下進行高速定向運動，具很高動能的光生電子或空穴與晶格原子發(fā)生碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)生二次電子空穴對；二次電子空穴對在電場的作用下獲得足夠的動能，又是晶格原子電離產(chǎn)生新的電子空穴對，此過程像“雪崩”似的繼續(xù)下去。電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子，這時雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加，其電流倍增系數(shù)定義為： 式中為倍增輸出電流，為倍增前的輸出電流[6][7]。雪崩二極管作為前端的傳感采集器件，在整個采集存儲系統(tǒng)中扮演著重要角色，有用信號的采集全部由它來完成。與同類的其他光電管相比較，其大大提高了光電二極管的靈敏度（具有內(nèi)部增益102～104），而且響應(yīng)速度也很快，頻帶帶寬可達100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管[8]。 APD傳感原理經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的電信號很微弱，必需要經(jīng)過放大處理才能方便測量等后續(xù)工作。APD所采集的信號頻率范圍很寬，這就要求放大器與之相適應(yīng)，要有高阻抗、高放大倍數(shù)和寬頻帶。放大器MAX4265是MAX系列的一款超低失真運算放大器，頻帶寬，多應(yīng)用在光電傳感器的前置放大電路中。MAX4265的主要參數(shù)如下表 。 MAX4265參數(shù)表增益帶寬300MHz轉(zhuǎn)換速度（Sn）4000（V/ns）輸入電壓噪聲8（nV/√Hz）雙電源供電電壓177。177。5V運算放大器MAX4265具有極低的失真，在整個帶寬范圍內(nèi)驅(qū)動100Ω負載都能維持極低的失真。它能提供良好的無寄生動態(tài)范圍，在頻率低于5MHz是為90dBc，在100MHz為60dBc。這些都是信號處理應(yīng)用的理想選擇。本設(shè)計的放大電路采用反相比例運算電路，并使用兩級放大，電壓信號從放大器的負相端接入放大電路，放大器采用正負電源供電。電路中，對前端的分壓電阻精度要求很高，其精度直接影響后續(xù)的一系列測量工作，這里采用金屬膜精密電阻。金屬膜電阻體積小、噪聲低、穩(wěn)定性好、高頻特性優(yōu)秀，電流噪聲和非線性較小，阻值范圍寬，溫度系數(shù)?。囟认禂?shù)范圍為10～100ppm/176。C），性能穩(wěn)定，適合用于一些要求高初始精度、低溫度系數(shù)和低噪聲的精密應(yīng)用場合，是使用最廣泛的一類電阻器。[9][10]。 兩級運算放大電路根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，R2取51歐姆，R3取510歐姆，一級放大倍數(shù)為10倍。這樣，兩級放大后，原始信號被放大了100倍。在該電路仿真時，APD及分壓電阻部分使用信號發(fā)生器代替，在電路前端輸入峰值為50mV，頻率為1KHz的正弦波，由仿真圖可知，前端電路基本滿足放大的需求[11～14]。 放大電路仿真在所采集的光電信號中，不但有前向散射光的信號，還帶自然光等轉(zhuǎn)換的電信號以及以工頻干擾為主的噪聲干擾。在APD所采集的信號中，低頻信號干擾性很強，故本設(shè)計采用高通濾波器濾除低頻信號。相比無源濾波器，由放大器和RC器件組成的有源濾波器Q值高、易調(diào)試、體積小、重量輕，并能提供一定的信號增益[15][16]。 巴特沃斯高通濾波器該電路的傳遞函數(shù)是：Aus=Aupss2R6R7C6C71+sR7C6C7C5+C6+C7+s2R6R7C6C7 (31)通帶放大倍數(shù)是：Aups=C5C7 (32)所以，Aus=109s2+106s+1 截止頻率是： ?p=12πR6R7C6C7 (33)所以。品質(zhì)因數(shù)是：Q=C5+C6+C7R6C6C7R7 (34) A/D轉(zhuǎn)換器前端電路采集到的信號變化極其細微，而常用的8位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度過低，不能滿足設(shè)計需求。所以為了提高轉(zhuǎn)換精度，本設(shè)計采用12為模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADS7804，其同樣在轉(zhuǎn)換速度和價格上都占有優(yōu)勢。ADS7804為單通道輸入，它的模擬輸入電壓為177。10V，采樣速率達到100kHz。而且芯片的內(nèi)部還設(shè)有采樣保持、時鐘、電壓基準(zhǔn)等可以簡化外部硬件設(shè)計的電路模塊，同時也提高了系統(tǒng)運作的穩(wěn)定性，在儀器儀表的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中運用廣泛。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路VIN為模擬信號輸入引腳。D11～D0為數(shù)字量并行輸出端口，由于對單片機的并行接口有限，所以D11～D8空置。DZ（19管腳到22管腳）是為了與16為AD轉(zhuǎn)換器ADS7805而設(shè)置，可懸空。CS為低電平有效的片選引腳，R/C為讀取結(jié)果/模數(shù)轉(zhuǎn)換控制信號，BUSY用來指示模數(shù)轉(zhuǎn)換是否完成，BYTE用來控制從總線所轉(zhuǎn)換的結(jié)果是高四位還是低八位。VANA和VDIG為模擬電源和數(shù)字電源，應(yīng)該同時接+5V電壓，兩個模擬接地引腳AGND1和AGND2與數(shù)字接地引腳DGND也同時接地。REF為參考電壓端。CAP為參考電壓所需電容。其工作時，首先將R/C置為低電平，CS引腳將被輸入一脈沖，并在其下降沿時啟動AD芯片開始轉(zhuǎn)換。8us后轉(zhuǎn)換完成，BUSY引腳置為高電平，R/C引腳電平也同時被拉高，同樣在CS引腳脈沖的下降沿時，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到數(shù)據(jù)總線上。這里，由于是12為的數(shù)據(jù)而只有8位的總線，采用兩次讀取。BYTE為高電平是讀取數(shù)據(jù)的高字節(jié)部分，低電平時讀取數(shù)據(jù)的低字節(jié)。ADS7804啟動轉(zhuǎn)化和讀取轉(zhuǎn)化結(jié)果的時序比較特別。 R/C CS BUSY MODE 獲取 轉(zhuǎn)換 獲取DATE BUS 高阻態(tài) 有效數(shù)據(jù) AD轉(zhuǎn)換盒讀取結(jié)果時序圖對于51單片機而言，外部接12MHz的晶振，其脈沖寬度為500ns，而RD引腳只要對外部進行讀寫，就會產(chǎn)生有6個震蕩周期的脈沖，正好合適AD轉(zhuǎn)換器CS腳的脈沖要求，故將CS腳與單片機上的RD腳連接，BYTE引腳、R/C引腳和BUSY引腳分別接單片機P2端口的對應(yīng)位置[17～20]。 ADS7804接口電路ADS7904將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以二進制補碼的方式輸出。 系統(tǒng)控制單元以AT89S52單片機和文件管理芯片CH376完成系統(tǒng)的整體控制工作。其中AT89S52主要負責(zé)前部分的數(shù)據(jù)采集和對CH376的控制，CH376主要負責(zé)SD卡的存儲部分。 AT89S52單片機AT89S52是一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)中可編程，也適用于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash，運行速度快、處理能力強、對C語言提供較好的支持，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash存儲器、256字節(jié)RAM、32 位I/O 口線、看門狗定時器、2 個數(shù)據(jù)指針、三個16 位 定時器/計數(shù)器、一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可以選擇的節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，但允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。在掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位。同時，該單片機支持計算機并口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機暢銷10年不衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機提供了多種封裝，本次設(shè)計根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機的具體情況，使用雙列直插DIP40的封裝。AT89S52的外圍電路相當(dāng)簡單，除了VCC引腳和GND引腳分別接正5伏的電源和接地外，只需加上相應(yīng)的復(fù)位電路和晶振電路。這里，復(fù)位電路使用按鍵手動復(fù)位，使用12MHz晶振并匹配30pF電容組成晶振電路[21][22]。 AT89S52 PDIP封裝引腳圖 文件管理芯片CH376CH376是由南京沁恒公司生產(chǎn)的一種文件管理控制芯片，常用于單片機系統(tǒng)讀寫U盤或者SD卡中的文件。它支持USB設(shè)備方式和USB主機方式，并且內(nèi)置了USB通訊協(xié)議的基本固件，內(nèi)置了處理MassStorage 海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，內(nèi)置了SD卡的通訊接口固件