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基于Σ-Δ技术的微弱信号检测系统

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1 引言


随着紫外线研究的深入,人们对紫外线与人体健康越来越关注,因此紫外辐定标也越来越受到人们的重视。为保证紫外辐射测量结果的定量化水平和可利用价值,对紫外辐射定标系统的精确水平提出了越来越高的要求。微弱信号高精度检测系统是紫外辐射定标中的一个重要环节,也是目前面临的主要技术难题之一,该难题解决的好坏将直接影响整个系统的性能和绝对定标精度。这种测量通常需要采用可编程增益放大器对信号进行放大,但它不仅会引入测量误差,而且还会增加系统的复杂性。通过采用一种低噪声高精度ΣΔ型模数转换器(ADC) ,解决了精确紫外辐射定标中微弱信号高精度测量的设计难题,为紫外辐射精确计量领域中经常面临的低电平弱信号的高精度检测提供了一种有效的途径。


2 微弱信号高精度测量的设计需求


紫外辐亮度标准探测器的功能是通过对紫外辐射源光谱辐亮度的绝对测量,进而完成待标定紫外探测仪器的高精度定标工作[1]。由于要实现辐亮度的绝对测量,所以就要求数据采集系统尽可能简单,信号流经的中间环节电路越少越好。如果中间环节电路过多,则一方面会引入附加误差、漂移、增加成本,并使电路变得复杂而降低系统的性能另一方面,各环节测量不确定度的定量评估会由此变得更为复杂,给整机最后不确定度的定量评估带来困难。


在紫外辐射定标系统的设计中,由于系统前端的斩波器、单色仪等对入射光的限制和削弱,使入射到光电传感器光敏面上的光辐射通量仅为几十纳瓦,这就要求模数转换器ADC的精度高达24位、无噪声,且具有一定的抗干扰能力,只有这样才能实现对纳伏级低电平微弱信号的测量[2]。传统的数据采集系统大多采用Nyquist数模转换器ADC(积分型、逐次比较型、闪烁型等) 。当需要较高分辨率时(16bits以上) ,这些传统的A/ D 转换技术将面临很多困难。因为它们需要复杂的高阶模拟抗混迭滤波器、定时以及幅度误差都极小的采样保持电路等,因而实现起来困难较大,成本较高。新型的ΣΔ A/D转换技术能够以比较低的成本获得极高的分辨率(16bits 以上) ,但速度不易做得很高,这一点非常符合不需要很高的速率,但需要具有较高分辨率的低电平弱信号测量技术,因而在弱信号检测领域具有广泛的应用前景。


3 微弱信号检测系统原理


1是微弱信号测量系统的框图。在这个系统中,前置放大电路采用的是美国Intersil半导体公司的高输入阻抗集成运算放大器CA3130A[3]AD7714是美国Analog Devices (AD)公司推出的基于ΣΔ技术的高分辨率24 位模数转换器[4];基准电压源采用的是Analog Devices公司的AD780














PC







热释电传感器







前置放大电路







AD7714







AT89C51







基准电压源


1 微弱信号检测系统框图


3.1 AD7714性能概述


AD7714是一个适用于低频小信号测量的完整模拟前端。器件直接从传感器接受低电平小信号,并输出串行数字量。它使用ΣΔ() 转换技术以实现高达24位的无误码。输入信号提供给位于模拟调制器前端的专用可编程增益放大器,增益设置范围1128。调制器的输出由一个三阶数字滤波器来处理。数字滤波器的一次陷波频率通过片内控制寄存器来编程控制,以调节滤波的截止和建立时间,从而达到控制转换数据输出的时间间隔。


AD7714特有3个差动模拟输入(也可以认为是5个伪差动模拟输入)和一个差动基准输入,因此能够为含有多达5个通道的系统进行所有信号的调节和转换。AD7714工作于单电源( + 3V+ 5V) , CMOS结构保证了很低的功耗,掉电模式使待机功耗减至15μW(典型值) AD7714具有低噪声、线性误差小于0.0015%,温漂小等特点它的串行接口可进行3线操作,SPIQSPIMICROWIREDSP兼容,很适合于基于微控制器和DSP的系统。AD7714通过串行接口可用软件设置增益、信号极性和通道选择,具有自校准、系统校准和背景校准,也允许用户读写片内校准寄存器。



2 AD7714 的功能框图


3.2 AD7714工作原理


2AD7714的功能框图。AD7714AIN1AIN6和开关矩阵后,fs的频率将微弱信号接收进来,再经缓冲器和增益程控放大器放大后送到ΣΔADC(由二阶ΣΔ调制器和六阶高斯数字低通滤波器组成) 。ΣΔADC首先以Kfs 的采样速率对信号进行过采样(K为过采样倍率), ΣΔ调制器使采样速率不超过一个合理的界限,并对量化噪声的频谱进行整形,使大部分噪声落在fs/ 2 Kfs 之间,而只将一小部分量化噪声留在奈奎斯特频带范围内然后高斯数字低通滤波器再对整形后的量化噪声进行数字滤波,一方面滤除ΣΔ调制器在噪声整形过程中产生的高频噪声,另一方面相对于最终采样速率, fs 还起到抗混叠滤波器的作用。但由于数字滤波器降低了带宽,所以输出数据速率必须要低于原始采样速率。AD7714 采用采样抽取的方法将输出数据速率降低,直至满足奈奎斯定理。其中数字滤波器的转折频率由主时钟频率fCLKIN (fCLKIN=2.4576MHz 1MHz) 来决定,ΣΔ调制器的采样频率为fCLKIN /128 ,采样输出频率fs=fCLKIN/64 ( k = 1,2,48,由增益程控放大器的设置决定)。另外,AD7714 还具有8个片内寄存器和完整的数字通信接口,外部微处理器可通过串行方式对片内寄存器进行软件编程,用来控制AD7714


4 AD7714在微弱信号高精度测量中的具体应用


4.1 前置放大电路


电流放大采用美国Intersil半导体公司的高输入阻抗集成运算放大器CA3130A,其输入阻抗可以达到1.5TΩ,工作电压15V时,偏置电流为5pA;工作电压5V时,偏置电流为2pA。如图3电阻R2R3、电容C2和电位器RV1构成调零电路,通过调节RV1可将运放的失调调零。R1C1补偿集成运放的偏置电流。C3补偿电路的相位偏移,RV2用来调节放大电路的增益。该电路将电流信号转化为电压信号。


                                                       


3 前置放大电路


4.2 AD7714 与基准电压源的连接电路


4AD7714与基准电压源的连接电路。AD780是外接的2.5V基准电压源,电压源的稳定性会直接影响ADC的测量精度。通过采用模拟和数字分开的供电方式来获得更多的稳定数据位。特别要注意AD780输出端和接地的100μF电容,试验表明这个电容可以使系统的精度提高23(二进制位)



4AD7714 与基准电压源的连接电路


4.3 AD7714MCU的接口电路


如图6所示AD7714 POL 输入应该强制成为逻辑高电平。在写操作时,AT89C51 先输入LSB ,如果希望AD7714先输出MSB , 则在写输出串行寄存器前要将传送到的数据重新排序。同样,在读寄存器时, AD7714先输出MSB , AT89C51希望的是LSB ,因此在累加器中, AD7714 的正确数据有效前,要对读入串行缓冲器的数据进行重新排序。 逻辑输入端。低电平有效输入,它把器件的控制逻辑、接口逻辑、数字滤波器以及模拟调制器复位到上电状态。本系统是通过在DIN 输入端写入一系列的1来进行软件复位,使AD7714 返回到等待对通信寄存器进行写操作的状态。


为了能够获得稳定的数据,AD7714 MCU 之间加入光隔离器。光隔离器件采用的是隔离电压高、速度快、共模抑制性强的6N137 ,编程中不需要进行延时就能满足光隔离器的电平建立时间。



6 AD7714MCU的接口电路


AD7714 接地,使AD7714 始终工作在SPI 接口模式。对每个接口模块的控制是通过74LS125 的三态允许端来实现的。对其中一个SPI接口操作时,使其74LS125处于选通状态,而其他SPI接口的74LS125处于高阻状态。这样可实现微处理器单独对一个接口进行操作,而不影响其他接口。CPU通过对三态缓冲器74LS125 控制,可实现多个接口共用相同的数据线。图中的DACS是控制具有SPI 总线的D/A转换器芯片。6N137 外部元件电阻根据自己的实际情况来选取。为了增加稳定性,最好在电阻的两端并上电解电容。


5、实际中的问题与解决方法


5.1滤波器设置对测量速度和精度的影响


AD7714输出数据的速率(或有效的转换时间)等于滤波器一次陷波频率。


滤波器一次陷波频率= ( fCLKIN /128) /CODE


CODE由滤波器寄存器的FS11FS0决定,范围为194000,fCLKIN = 2.4576MHz,滤波器一次陷波频率范围为4.8Hz1.01kHz


AD7714的精度也与滤波器一次陷波频率有关,当滤波器一次陷波频率在fCLKIN = 2.4576MHz时小于60HzfCLKIN = 1MHz时小于25Hz,那么精度可达到24位。若一次陷波频率再增大,转换的速率也就增大,转换的有效位数也就会降低。


5.2电路设计对测试精度的影响


AD7714需要外接2.5V的基准电压源, 应选用性能优良的电压源IC ( AD780) ,以提供尽可能稳定和精确的基准电压,为了保证参考电压的质量,电压基准电路要与数字电路隔离


AD7714 的引脚中,模拟供电端AVCC和数字供电端DVCC应分开。分两组电源供电是比较理想的方法,如果在设计中有困难的话,可将AVCCDVCC连在一起。但在数字DGND和模拟AGND的处理上要非常小心:AGNDDGND的布线应采用单点接地,且接地的地点应尽量靠近AD7714布线时要将AGND布在器件的下面。


5.3保证工作稳定性的措施


环境温度变化、噪声干扰、系统设计等因素都会影响到AD7714的工作稳定性。其中外界环境温度的变化是影响其工作稳定性的主要因素。但由于AD7714本身具有校准功能,因而在高精度测量中可通过单片机微处理器的软件编程,对其片内方式的寄存器的值进行设置,从而使器件工作在BUFFER=0的非缓冲工作模式下的背景校准方式,以消除温度漂移和零点误差带来的影响。在该方式下,AD7714的采样速率比一般工作方式要慢得多,所以在读取转换数据时要等待足够的时间。在AD7714 与单片机之间引入光电隔离器,以防止单片机系统对AD7714的干扰,保证ADC稳定的工作,这样的话可使所获得的稳定数据位增加34位。在容易出现尖峰的数字通道中应加入 RC滤波网络,以避免出现信号跳变。


在满足整个系统需要的前提下,应尽量降低单片机的工作频率,这样可以获取更多的稳定数据位。在印制板采取良好的抗干扰措施前提下,如果干扰仍然比较严重,那么软件上也应采取相应的措施,比如采用软件冗余技术进行相同命令的多次写入,以保证可靠操作。


6 结论


    通过采用一种低噪声高精度ΣΔ型模数转换器(ADC) ,解决了精确紫外辐射定标中微弱信号高精度测量的设计难题,为紫外辐射精确计量领域中经常面临的低电平弱信号的高精度检测提供了一种有效的途径。







7 软件流程图








Y







N







主程序初始化







写信息寄存器和设置输入通道和设置下一步进行写滤波器高位寄存器







写滤波器高位寄存器







写信息寄存器和设置下一步进行写滤波器低位寄存器







写滤波器低位寄存器







写信息寄存器和设置下一步进行写方式寄存器







写方式寄存器







DRDY0







写信息寄存器和设置下一步进行读数据寄存器







结束



7 软件流程图

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