用单片机控制的光谱数据采集系统

文章摘要：MAX120有5种工作方式：全控制方式、独立方式、慢存储方式、ROM方式和连续转换方式。方式1是全控制方式，它为用户提供最大的控制能力，以控制转换的开始和取数操作。全控制方式用于能插入或不插入等待状态的微处理机系统。方式2是独立方式，为用户提供较大的自主空间。方式3是慢存储方式，主要用于ADC的转换期间微处理器不能被强制进等待状态的微处理器系统。方式4是ROM方式。方式5是连续转换方式，用于基于微处理器的系统。 系统设计中采用MAX120的工作方式2，即独立方式（MODE=开路，RD=CS=DGND）电路连接方式如图3所示。这种方式下，MAX120能直接与FIFO缓冲器相连或通过DMA口直接与

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　　MAX120有5种工作方式：全控制方式、独立方式、慢存储方式、ROM方式和连续转换方式。方式1是全控制方式，它为用户提供最大的控制能力，以控制转换的开始和取数操作。全控制方式用于能插入或不插入等待状态的微处理机系统。方式2是独立方式，为用户提供较大的自主空间。方式3是慢存储方式，主要用于ADC的转换期间微处理器不能被强制进等待状态的微处理器系统。方式4是ROM方式。方式5是连续转换方式，用于基于微处理器的系统。

　　系统设计中采用MAX120的工作方式2，即独立方式（MODE=开路，RD=CS=DGND）电路连接方式如图3所示。这种方式下，MAX120能直接与FIFO缓冲器相连或通过DMA口直接与存储器相连。在独立方式下，CONVST引脚上的下降沿启动一次转换，数据输出端总是开放的，当INT/BUSY引脚电平的上升沿指示转换结束时，数据端上数据就得到更新。因为A/D的数据端总有数据，所以，用74HC245双向三态八总线收发器进行总线隔离。

　　MAX120的输入信号范围为-5～+5V。在对采集信号进行电平调整时，需要用1片LF356运算放大器，电路连接如图4所示。通过对电位器RP2和RP3的调整来实现电平调整，以满足A/D对输入信号的要求。电路MAX120为双极性输入/输出的变换函数。代码的变换均出现在相继两个整数最小数据位（LSB）值的中间。输出代码是2的补码的二进制码且1LSB=2.44mV（10V/4096）。

　　增益调整和双极性偏置调整，由图4中的电位器RP3和RP2来实现，调整中偏置调整应先于增益调整。调整双极性偏置时，将+1/2LSB（0.61mV）施加到没有反向的放大器输入端，然后调节RP3，使输出代码在0000 0000 0000和0000 0000 0001之间变化。对增益的调整，将满量程（FS）-1/2LSB（2.4988V）施加到放大器的输入端，然后调节RP2，使输出代码在0111 1111 1110和0111 1111 1111之间变化。这两个调整之间可能有一些相互影响，须要反复调整。偏置和增益的调整是对A/D转换的细分，目的在于提高A/D的精度。

　　2.A/D转换的过程

　　本系统中，CCD输出信号的重复频率为200kHz，因而，要求模数转换器的速率要高于200kHz。A/D转换器的工作控制不用系统CPU来完成，而是用专用逻辑控制电路完成，包括地址产生器、总线缓冲隔离器、读写控制逻辑电路和数据存储单元。在数据转换过程中，CPU只负责转换电路的启动和检测1帧数据转换是否结束，中间过程无须CPU干预，使对CCD1帧数据转换由逻辑控制电路自动完成。A/D一次采样的工作过程为：①接收光耦同步采集信号；②驱动A/D转换；③单片机查询是否转换完成；④读出数据，存入存储器。转换过程控制程序框图如图5所示。

　　用光电倍增管对小于10kHz调制频率的慢变化光谱信号的测量，50kHz的采样频率可以满足测量的要求，其采集电路可以适用于各种光电倍增管的输出信号采集。我们选用12MHz的时钟频率，对软件进行优化，其运行的时间为20μs，采样频率为50kHz，可以满足采样的要求。

　　3.光电倍增管的高压调整

　　在光电倍增管应用中，高压的稳定性直接影响测量的精度。一般，光电倍增管的倍增级为10级左右，图6所示为倍增管高压与电流增益之间的电流增益之间的倍增关系。从图6可看出电流增益约与阴极-阳极间所加电压的10 6～10 10成比例。所以PMT的输出对工作电压非常敏感，使用时，必须用高稳定性的高压电源。高压电源的漂移、纹波、温度变化、输出变化、负载变化等的综合稳定度必须优手所要求的光电倍增管稳定度1个数量级。我们选用的是由HAMAMATSU（滨松）公司生产的高压模块，其电压最大漂移量为±0.03%h。

　　为扩大动态范围，须对光电倍增管的高压进行动态调整。图7是控制电压和控制电阻上相应的输出电压的关系曲线。光电倍增管的专用高压模块通过改变高压模块调整端的电压或电阻，来改变输出端的高压。调整电阻用10kΩ电位器，电压调整范围为0～1.4V。图8所示为滨松公司高压模块的原理框图。

　　为满足不同的测量要求，需要设置三个量程。一般量程的调整为人工调整电位器，效率较低、精度不好控制。这里我们利用单片机控制可编程数字电位器X9C103来实现调整倍增管高压，图9是X9C103的接线原理图。根据测量输出信号的强弱，相应调整PMT的高压，并将调整的状态通过并口送入计算机。X9C103是一个包含100个电阻单元的电阻阵列。在每个单元之间和任一端都有可以被滑动单元访问的抽头点。滑动单元的位置由片选输入端CS、升/降输入端U/D、增加输入端INC控制。它类似于TTL升/降计数器，总阻值10kΩ、工作时钟250kHz、工作电压+5V，滑动端位置存储于非易失性存储器中，可在上电时重新调用，滑动端位置数据可保存100年。X9C103是固态非易失性电位器，它与机械电位器相比有调节更精确、不受意外影响（振动、污染）、节省空间、易于安装、滑动端位置易于由单片机或逻辑电路控制的优点，是理想的数控微调电位器。三线接口由单片机P0口控制1片74LS374来完成锁存，软件编程实现。

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