一種基于DDC112的高精度近紅外光譜采集電路

陳叢 盧啟鵬

摘 要：文章針對(duì)采用InGaAs式電流型光電探測(cè)器的高精度近紅外光譜儀器，設(shè)計(jì)了一種基于DDC112的采集電路。采用雙通道電流輸入式A/D轉(zhuǎn)換器DDC112作為核心芯片，為其設(shè)計(jì)外圍電路，并利用芯片內(nèi)部的TEST模式進(jìn)行電路性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于DDC112芯片所設(shè)計(jì)的高精度采集電路，其分辨率可達(dá)到16位，即轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)可穩(wěn)定至5位，且所設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，進(jìn)一步驗(yàn)證了該電路應(yīng)用于高精度近紅外光譜儀器的實(shí)用性和有效性。

關(guān)鍵詞：近紅外光譜；DDC112；A/D轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TH744.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）08-0072-02

1 近紅外光譜分析儀的電子學(xué)結(jié)構(gòu)

電子學(xué)系統(tǒng)是近紅外光譜分析系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括電源電路、前置預(yù)處理電路、采集電路和接口電路等。探測(cè)器將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳送至前置預(yù)處理電路，前置預(yù)處理電路主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和濾波功能，將信號(hào)放大至后續(xù)電路可以正常工作的電壓。然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過接口電路傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，其具體的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

電子學(xué)系統(tǒng)是近紅外光譜分析系統(tǒng)的主要噪聲來(lái)源之一，設(shè)計(jì)快速高信噪比的光譜數(shù)據(jù)采集電路是提高整套系統(tǒng)的重要手段。本文針對(duì)InGaAs光電探測(cè)器設(shè)計(jì)了一種快速高信噪比的光譜數(shù)據(jù)采集電路，為提高光譜分析系統(tǒng)的檢測(cè)精度奠定了基礎(chǔ)。

2 基于DDC112的采集電路設(shè)計(jì)

2.1 DDC112的工作原理

DDC112是由TI公司生產(chǎn)的一款電流輸入式A/D轉(zhuǎn)換芯片。 它具有輸入范圍廣，分辨率高（可達(dá)20位） ， 采樣速度快（1.5 kHZ）等優(yōu)點(diǎn)，滿足近紅外光譜數(shù)據(jù)采集的需求。

DDC112主要依賴電容器的積分完成對(duì)輸入電流信號(hào)的采集。當(dāng)DDC112工作時(shí)，積分電容器首先向VREF充電，隨著DDC112和電容器的不斷積分，輸入的電流信號(hào)將釋放電容器的電荷，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)算放大器的輸出電壓被降低。而當(dāng)積分完成時(shí)，輸入信號(hào)將切換至另一端，此時(shí)，芯片內(nèi)部的電壓輸入型ADC將測(cè)量VREF的保持值。

此過程不斷重復(fù)，持續(xù)、有效地進(jìn)行，可不斷的將輸入信號(hào)進(jìn)行積分，進(jìn)而完成對(duì)電流信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 基于DDC112的采集電路設(shè)計(jì)

由于InGaAs光電探測(cè)器的輸出為電流信號(hào)，因此大多數(shù)近紅外光譜分析儀的采集電路的方案均采用先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后利用前置放大電路進(jìn)行信號(hào)的放大和濾波，最后通過輸入電壓式A/D轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)以數(shù)字形式輸出。

此種方案雖然能夠完成光譜數(shù)據(jù)的采集，但是對(duì)于運(yùn)算放大器引入的噪聲及放大電路中電阻的熱噪聲卻很難避免。

當(dāng)被測(cè)量的物質(zhì)含量較少時(shí)，探測(cè)器的輸出信號(hào)極其微弱，則需要高阻值得電阻（有時(shí)達(dá)到幾兆）才能完成信號(hào)的放大。而電阻的熱噪聲與阻值成正比，此時(shí)的熱噪聲將不能被忽略，且會(huì)對(duì)采集電路的精度產(chǎn)生較大的影響。

本設(shè)計(jì)為了避免上述問題，采用直接對(duì)探測(cè)器的電流輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法，通過DDC112和積分電容完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換和采集，避免了高阻值電阻的使用，減少了電路中的熱噪聲，進(jìn)而提高了采集電路的精度。

其具體原理圖，如圖2所示。

由圖2可見，DDC112的外圍電路較為簡(jiǎn)單，且元器件較少，因此電路中引入的外部噪聲源也較少，有助于提高光譜數(shù)據(jù)的采集精度。本文采用DDC112內(nèi)部的Test模式對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測(cè)試，輸出接口采用單向SPI接口。所測(cè)得的電路性能，見表1。

根據(jù)DDC112的datasheet，理論上當(dāng)DDC112工作于TEST模式時(shí)的積分電容值應(yīng)為13 pF、50 pF和75 pF，但電荷量變化的允許范圍是±20%，則積分電容值的范圍應(yīng)為10.4～15.6 pF， 40～60 pF和60～90 pF，表1中的實(shí)測(cè)三個(gè)電容值均滿足要求。

由表1所示，當(dāng)量程越低時(shí)，兩個(gè)通道的實(shí)測(cè)誤差越小，分辨率越高；反之量程越高時(shí)，兩個(gè)通道的實(shí)測(cè)誤差越大，分辨率越低。

但是，即使當(dāng)量程最大為300 pC時(shí)，兩通道間的誤差也僅為0.117%，分辨率達(dá)到了16位，即采集數(shù)據(jù)的電壓有5位的穩(wěn)定數(shù)據(jù)，滿足近紅外光譜數(shù)據(jù)的采集要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)采用InGaAs探測(cè)器的近紅外光譜分析儀器，設(shè)計(jì)了一種基于DDC112的高精度數(shù)據(jù)采集電路。文章針對(duì)采用InGaAs式電流型光電探測(cè)器的高精度近紅外光譜儀器，設(shè)計(jì)了一種基于DDC112的采集電路。采用雙通道電流輸入式A/D轉(zhuǎn)換器DDC112作為核心芯片，為其設(shè)計(jì)外圍電路，并利用芯片內(nèi)部的TEST模式進(jìn)行電路性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于DDC112芯片所設(shè)計(jì)的高精度采集電路，其分辨率可達(dá)到16位，即轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)可穩(wěn)定至5位，且所設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，進(jìn)一步驗(yàn)證了該電路應(yīng)用于高精度近紅外光譜儀器的實(shí)用性和有效性。經(jīng)測(cè)試，所設(shè)計(jì)電路的分辨率達(dá)到16位，且外圍電路簡(jiǎn)單、小型、穩(wěn)定，進(jìn)一步驗(yàn)證了該電路的可靠性。

由于該電路具有高精度、簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此可以作為一種有效電路應(yīng)用于高精度近紅外光譜分析儀器。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸婉珍.現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)（2版）[M].北京：中國(guó)石化出版社，

2007.

[2] 嚴(yán)衍祿.近紅外光譜分析基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，

2005.

[3] 黃富榮，潘濤，張甘霖，等.應(yīng)用近紅外漫反射光譜快速測(cè)定土壤鋅含量 [J].光學(xué)精密工程，2010，（3）.