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基于Σ-Δ技術的微弱信號檢測系統

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1 引言


隨著紫外線研究的深入,人們對紫外線與人體健康越來越關注,因此紫外輻定標也越來越受到人們的重視。為保證紫外輻射測量結果的定量化水平和可利用價值,對紫外輻射定標系統的精確水平提出了越來越高的要求。微弱信號高精度檢測系統是紫外輻射定標中的一個重要環節,也是目前面臨的主要技術難題之一,該難題解決的好壞將直接影響整個系統的性能和絕對定標精度。這種測量通常需要采用可編程增益放大器對信號進行放大,但它不僅會引入測量誤差,而且還會增加系統的復雜性。通過采用一種低噪聲高精度ΣΔ型模數轉換器(ADC) ,解決了精確紫外輻射定標中微弱信號高精度測量的設計難題,為紫外輻射精確計量領域中經常面臨的低電平弱信號的高精度檢測提供了一種有效的途徑。


2 微弱信號高精度測量的設計需求


紫外輻亮度標準探測器的功能是通過對紫外輻射源光譜輻亮度的絕對測量,進而完成待標定紫外探測儀器的高精度定標工作[1]。由于要實現輻亮度的絕對測量,所以就要求數據采集系統盡可能簡單,信號流經的中間環節電路越少越好。如果中間環節電路過多,則一方面會引入附加誤差、漂移、增加成本,并使電路變得復雜而降低系統的性能;另一方面,各環節測量不確定度的定量評估會由此變得更為復雜,給整機最后不確定度的定量評估帶來困難。


在紫外輻射定標系統的設計中,由于系統前端的斬波器、單色儀等對入射光的限制和削弱,使入射到光電傳感器光敏面上的光輻射通量僅為幾十納瓦,這就要求模數轉換器ADC的精度高達24位、無噪聲,且具有一定的抗干擾能力,只有這樣才能實現對納伏級低電平微弱信號的測量[2]。傳統的數據采集系統大多采用Nyquist數模轉換器ADC(積分型、逐次比較型、閃爍型等) 。當需要較高分辨率時(16bits以上) ,這些傳統的A/ D 轉換技術將面臨很多困難。因為它們需要復雜的高階模擬抗混迭濾波器、定時以及幅度誤差都極小的采樣保持電路等,因而實現起來困難較大,成本較高。新型的ΣΔ A/D轉換技術能夠以比較低的成本獲得極高的分辨率(16bits 以上) ,但速度不易做得很高,這一點非常符合不需要很高的速率,但需要具有較高分辨率的低電平弱信號測量技術,因而在弱信號檢測領域具有廣泛的應用前景。


3 微弱信號檢測系統原理


1是微弱信號測量系統的框圖。在這個系統中,前置放大電路采用的是美國Intersil半導體公司的高輸入阻抗集成運算放大器CA3130A[3];AD7714是美國Analog Devices (AD)公司推出的基于ΣΔ技術的高分辨率24 位模數轉換器[4];基準電壓源采用的是Analog Devices公司的AD780。














PC







熱釋電傳感器







前置放大電路







AD7714







AT89C51







基準電壓源


1 微弱信號檢測系統框圖


3.1 AD7714性能概述


AD7714是一個適用于低頻小信號測量的完整模擬前端。器件直接從傳感器接受低電平小信號,并輸出串行數字量。它使用ΣΔ() 轉換技術以實現高達24位的無誤碼。輸入信號提供給位于模擬調制器前端的專用可編程增益放大器,增益設置范圍1128。調制器的輸出由一個三階數字濾波器來處理。數字濾波器的一次陷波頻率通過片內控制寄存器來編程控制,以調節濾波的截止和建立時間,從而達到控制轉換數據輸出的時間間隔。


AD7714特有3個差動模擬輸入(也可以認為是5個偽差動模擬輸入)和一個差動基準輸入,因此能夠為含有多達5個通道的系統進行所有信號的調節和轉換。AD7714工作于單電源( + 3V+ 5V) , CMOS結構保證了很低的功耗,掉電模式使待機功耗減至15μW(典型值) 。AD7714具有低噪聲、線性誤差小于0.0015%,溫漂小等特點。它的串行接口可進行3線操作,SPI、QSPI、MICROWIREDSP兼容,很適合于基于微控制器和DSP的系統。AD7714通過串行接口可用軟件設置增益、信號極性和通道選擇,具有自校準、系統校準和背景校準,也允許用戶讀寫片內校準寄存器。



2 AD7714 的功能框圖


3.2 AD7714工作原理


2AD7714的功能框圖。AD7714AIN1AIN6和開關矩陣后,fs的頻率將微弱信號接收進來,再經緩沖器和增益程控放大器放大后送到ΣΔADC(由二階ΣΔ調制器和六階高斯數字低通濾波器組成) 。ΣΔADC首先以Kfs 的采樣速率對信號進行過采樣(K為過采樣倍率), ΣΔ調制器使采樣速率不超過一個合理的界限,并對量化噪聲的頻譜進行整形,使大部分噪聲落在fs/ 2 Kfs 之間,而只將一小部分量化噪聲留在奈奎斯特頻帶范圍內;然后高斯數字低通濾波器再對整形后的量化噪聲進行數字濾波,一方面濾除ΣΔ調制器在噪聲整形過程中產生的高頻噪聲,另一方面相對于最終采樣速率, fs 還起到抗混疊濾波器的作用。但由于數字濾波器降低了帶寬,所以輸出數據速率必須要低于原始采樣速率。AD7714 采用采樣抽取的方法將輸出數據速率降低,直至滿足奈奎斯定理。其中數字濾波器的轉折頻率由主時鐘頻率fCLKIN (fCLKIN=2.4576MHz 1MHz) 來決定,ΣΔ調制器的采樣頻率為fCLKIN /128 ,采樣輸出頻率fs=fCLKIN/64 ( k = 1,2,48,由增益程控放大器的設置決定)。另外,AD7714 還具有8個片內寄存器和完整的數字通信接口,外部微處理器可通過串行方式對片內寄存器進行軟件編程,用來控制AD7714 。


4 AD7714在微弱信號高精度測量中的具體應用


4.1 前置放大電路


電流放大采用美國Intersil半導體公司的高輸入阻抗集成運算放大器CA3130A,其輸入阻抗可以達到1.5TΩ,工作電壓15V時,偏置電流為5pA;工作電壓5V時,偏置電流為2pA。如圖3,電阻R2、R3、電容C2和電位器RV1構成調零電路,通過調節RV1可將運放的失調調零。R1C1補償集成運放的偏置電流。C3補償電路的相位偏移,RV2用來調節放大電路的增益。該電路將電流信號轉化為電壓信號。


                                                       


3 前置放大電路


4.2 AD7714 與基準電壓源的連接電路


4AD7714與基準電壓源的連接電路。AD780是外接的2.5V基準電壓源,電壓源的穩定性會直接影響ADC的測量精度。通過采用模擬和數字分開的供電方式來獲得更多的穩定數據位。特別要注意AD780輸出端和接地的100μF電容,試驗表明這個電容可以使系統的精度提高23(二進制位)。



4、AD7714 與基準電壓源的連接電路


4.3 AD7714MCU的接口電路


如圖6所示。AD7714 POL 輸入應該強制成為邏輯高電平。在寫操作時,AT89C51 先輸入LSB ,如果希望AD7714先輸出MSB , 則在寫輸出串行寄存器前要將傳送到的數據重新排序。同樣,在讀寄存器時, AD7714先輸出MSB , AT89C51希望的是LSB ,因此在累加器中, AD7714 的正確數據有效前,要對讀入串行緩沖器的數據進行重新排序。 邏輯輸入端。低電平有效輸入,它把器件的控制邏輯、接口邏輯、數字濾波器以及模擬調制器復位到上電狀態。本系統是通過在DIN 輸入端寫入一系列的1來進行軟件復位,使AD7714 返回到等待對通信寄存器進行寫操作的狀態。


為了能夠獲得穩定的數據,AD7714 MCU 之間加入光隔離器。光隔離器件采用的是隔離電壓高、速度快、共模抑制性強的6N137 ,編程中不需要進行延時就能滿足光隔離器的電平建立時間。



6 AD7714MCU的接口電路


AD7714 接地,使AD7714 始終工作在SPI 接口模式。對每個接口模塊的控制是通過74LS125 的三態允許端來實現的。對其中一個SPI接口操作時,使其74LS125處于選通狀態,而其他SPI接口的74LS125處于高阻狀態。這樣可實現微處理器單獨對一個接口進行操作,而不影響其他接口。CPU通過對三態緩沖器74LS125 控制,可實現多個接口共用相同的數據線。圖中的DACS是控制具有SPI 總線的D/A轉換器芯片。6N137 外部元件電阻根據自己的實際情況來選取。為了增加穩定性,最好在電阻的兩端并上電解電容。


5、實際中的問題與解決方法


5.1濾波器設置對測量速度和精度的影響


AD7714輸出數據的速率(或有效的轉換時間)等于濾波器一次陷波頻率。


濾波器一次陷波頻率= ( fCLKIN /128) /CODE


CODE由濾波器寄存器的FS11FS0決定,范圍為194000,fCLKIN = 2.4576MHz,濾波器一次陷波頻率范圍為4.8Hz1.01kHz。


AD7714的精度也與濾波器一次陷波頻率有關,當濾波器一次陷波頻率在fCLKIN = 2.4576MHz時小于60HzfCLKIN = 1MHz時小于25Hz,那么精度可達到24位。若一次陷波頻率再增大,轉換的速率也就增大,轉換的有效位數也就會降低。


5.2電路設計對測試精度的影響


AD7714需要外接2.5V的基準電壓源, 應選用性能優良的電壓源IC ( AD780) ,以提供盡可能穩定和精確的基準電壓,為了保證參考電壓的質量,電壓基準電路要與數字電路隔離;


AD7714 的引腳中,模擬供電端AVCC和數字供電端DVCC應分開。分兩組電源供電是比較理想的方法,如果在設計中有困難的話,可將AVCCDVCC連在一起。但在數字DGND和模擬AGND的處理上要非常小心:AGNDDGND的布線應采用單點接地,且接地的地點應盡量靠近AD7714;布線時要將AGND布在器件的下面。


5.3保證工作穩定性的措施


環境溫度變化、噪聲干擾、系統設計等因素都會影響到AD7714的工作穩定性。其中外界環境溫度的變化是影響其工作穩定性的主要因素。但由于AD7714本身具有校準功能,因而在高精度測量中可通過單片機微處理器的軟件編程,對其片內方式的寄存器的值進行設置,從而使器件工作在BUFFER=0的非緩沖工作模式下的背景校準方式,以消除溫度漂移和零點誤差帶來的影響。在該方式下,AD7714的采樣速率比一般工作方式要慢得多,所以在讀取轉換數據時要等待足夠的時間。在AD7714 與單片機之間引入光電隔離器,以防止單片機系統對AD7714的干擾,保證ADC穩定的工作,這樣的話可使所獲得的穩定數據位增加34位。在容易出現尖峰的數字通道中應加入 RC濾波網絡,以避免出現信號跳變。


在滿足整個系統需要的前提下,應盡量降低單片機的工作頻率,這樣可以獲取更多的穩定數據位。在印制板采取良好的抗干擾措施前提下,如果干擾仍然比較嚴重,那么軟件上也應采取相應的措施,比如采用軟件冗余技術進行相同命令的多次寫入,以保證可靠操作。


6 結論


    通過采用一種低噪聲高精度ΣΔ型模數轉換器(ADC) ,解決了精確紫外輻射定標中微弱信號高精度測量的設計難題,為紫外輻射精確計量領域中經常面臨的低電平弱信號的高精度檢測提供了一種有效的途徑。







7 軟件流程圖








Y







N







主程序初始化







寫信息寄存器和設置輸入通道和設置下一步進行寫濾波器高位寄存器







寫濾波器高位寄存器







寫信息寄存器和設置下一步進行寫濾波器低位寄存器







寫濾波器低位寄存器







寫信息寄存器和設置下一步進行寫方式寄存器







寫方式寄存器







DRDY0 ?







寫信息寄存器和設置下一步進行讀數據寄存器







結束



7 軟件流程圖

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