一种高速双通道同步光信号采样电路的制作方法

1.本发明涉及智能化仪器仪表技术领域，更具体为一种高速双通道同步光信号采样电路。


背景技术：

2.目前市场上的双光路光度计的样品光信号和参比光信号的adc采样电路方式基本上就两种：1、使用两片adc芯片进行cs片选分别采样后进行数据处理；2、使用一片多通道adc进行ch通道选择采样后进行数据处理。它们的共同特点是需要主控制器对它们发送控制指令，问题点就在于发送指令需要信号传输时间，样品光信号的采样数据在等待参比光信号采样完成后，其实已经不是同步信号数据了，不能理想的实现两路光信号的同步信号采样且同步数据处理。因此，需要提供一种新的技术方案给予解决。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种高速双通道同步光信号采样电路，解决了发送指令需要信号传输时间，样品光信号的采样数据在等待参比光信号采样完成后，其实已经不是同步信号数据了，不能理想的实现两路光信号的同步信号采样且同步数据处理的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高速双通道同步光信号采样电路，包括：控制单元，所述控制单元的内包括光电转换电路、增益控制放大电路和adc采样电路，所述光电转换电路、增益控制放大电路和adc采样电路均设置有两组,所述光电转换电路之间相互串联且分别通过第一通道和第二通道与增益控制放大电路相连接，所述增益控制放大电路通过第一通道和第二通道与adc采样电路相连接，两组所述adc采样电路之间通过串行外设接口相连接，所述增益控制放大电路通过网络连接控制单元。
5.作为本发明的一种优选实施方式，所述光电转换电路的工作原理包括如下步骤：
6.步骤1：选用轨至轨放大器opa140作为光电流转电压的关键性器件；典型失调电压为30uv,偏执电流为0.5pa，失调漂移为0.35uv/℃，超低噪声5.1nv/√hz，非常适合于应用于光电检测放大器，且性价比颇高；
7.步骤2：运放opa140的2脚负输入端接光电池的负极，当光电池接收光照时，产生一个电流，从光电池的负极流向正极，且光照越强，电流越大。由于运放正负输入端虚断，此电流从运放输出端流过高阻，再流入光电池。得出运放输出端电压vo＝ipdxr。电路中的c23＝1nf起到了抑制高频干扰的作用，若取高阻为1m欧姆，其截至频率约为：f＝1/(2πrc)＝41.9khz；
8.步骤3：电路中为保证运放输出端电压始终为正电压，特加入偏执电压调节电路。选取基准芯片输出的dc2.5v高稳定性电压，通过r1和w1进行分压，然后再在1k可调电阻上进行选取0
‑
25mv的电压进行调节，选取合适的偏执电压；
9.步骤4：电路中使用高速低阻抗四选一数字开关adg1404，通过mcu的io口控制开关通道，给电路提供四种高阻选配，调节到合适的放大输出电压，提高仪器设备信噪比。
10.作为本发明的一种优选实施方式，所述增益控制放大电路的工作原理包括如下步骤：
11.步骤1：选用高精度、超低噪声、零漂移运算放大器opa189。与四选一数字开关adg1404搭配四个电阻，根据增益公式：vo＝vix(1 r2/r1)，组成四组增益模式，分别为1倍、2倍、4倍、8倍；
12.步骤2：放opa189的正向输入端加入简单的rc低通滤波电路，截止频率约为f＝1/(2πrc)＝1.5khz。
13.作为本发明的一种优选实施方式，所述adc采样电路使用两片24位高速adc芯片ad7768
‑
1组成菊花链模式，对两个通道分别同步采样，同步数据输出，两片ad7768
‑
1的工作频率使用同一个16.384mhz的有源晶振产生的时钟源，ref参考电压也是共用一个adr4525产生的dc2.5v电压基准源。模拟信号输入端分别接入一组rc低通滤波器，与mcu通讯的数据端口有adc_cs、adc_sclk、adc_dout、adc_sync、adc_reset、adc_drdy，优化减少了mcu的io口。
14.作为本发明的一种优选实施方式，所述采样电路具有采集双通道光信号数据，且进行数据滤波的功能，同时采样电路所采集的双通道数据支持同步采样和数据同步输出。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
16.(1)、采用目前最新的24位且集成三种滤波功能的adc采样芯片；运算放大器采用高宽带，超低噪声，且零漂移。
17.(2)、两片adc采样芯片使用同一个系统时钟，保持同步工作频率；使用同一个ref参考电压。
18.(3)、采样电路带有两级增益控制功能，及低通滤波功能。
19.(4)、采用adc芯片的串行菊花链模式，和pin端口控制模式，实现两个通道的高速同步采样、同步数据输出，不需要接收控制器指令，自动同步采样后发送同步数据。
20.(5)、此采样电路的硬件集成电路均挑选市场上较新且性价比非常高的芯片，元器件尽量选用贴片，方便批量贴片生产，降低生产成本和报废率；
21.(6)、此采样电路测试数据稳定可靠，指标优异，且可以通用于中高端双通道光谱类分析仪器。
附图说明
22.图1为本发明双通道采样电路工作框架图；
23.图2为本发明pd/pmt光电转换电路原理图；
24.图3为本发明增益控制放大电路示意图；
25.图4为本发明双通道adc采样电路示意图；
26.图5为本发明ad7768
‑
1菊花链模式示意图；
27.图6为本发明pin模式控制下菊花链输出的数据方式示意图；
28.图7为本发明pin模式控制下的端口配置表；
29.图8为本发明ad7768
‑
1在pin模式下单组数据输出格式。
组成菊花链模式，对两个通道分别同步采样，同步数据输出，两片ad7768
‑
1的工作频率使用同一个16.384mhz的有源晶振产生的时钟源，ref参考电压也是共用一个adr4525产生的dc2.5v电压基准源。模拟信号输入端分别接入一组rc低通滤波器，与mcu通讯的数据端口有adc_cs、adc_sclk、adc_dout、adc_sync、adc_reset、adc_drdy，优化减少了mcu的io口。
41.进一步改进的，如图1所示：所述采样电路具有采集双通道光信号数据，且进行数据滤波的功能，同时采样电路所采集的双通道数据支持同步采样和数据同步输出
42.进一步改进的，如图5
‑
7所示：所述adc采样电路包括菊花链模式下的数据输出方式和pin模式控制下的端口配置参数，在本设计电路中，配置mode3＝0,mode2＝1,mode1＝1,mode0＝1，即选取滤波方式为sin5,抽取为x64，数据输出速率为64khz。这里要详细说明一下，数据输出速率为64khz,意思是在pin模式下(即ad7768
‑
1芯片的工作模式完全已经由modex端口拉高或者拉低固定死了，或者是由mcu的io口根据实际使用情况配置好)，ad7768
‑
1芯片按照64khz的频率输出一组a b数据，即两片ad7768
‑
1同一时间单独采集的数据组成一串数据后按顺序输出。固定频率输出，不受mcu控制，mcu只需要读取数据，然后进行数据处理就行。
43.进一步改进的，如图8所示：ad7768
‑
1在pin模式下单组数据输出格式，一个通道数据由24位数据位加8位状态位组成，即一个通道数据由32个数据位，a b两个通道数据串联输出，就是64个数据位，即输出一组a b数据需要64个sclk时钟位来引导一组组合数据的输出。ad7768
‑
1的一个drdy高电平信号脉冲之后，两片ad7768
‑
1组成菊花链模式，在64个sclk脉冲下，输出a b的64位数据。如此，可简单理解为两片ad7768
‑
1菊花链模式下，64khz的输出数据速率，即为drdy的脉冲频率。
44.本发明采用目前最新的24位且集成三种滤波功能的adc采样芯片；运算放大器采用高宽带，超低噪声，且零漂移；两片adc采样芯片使用同一个系统时钟，保持同步工作频率；使用同一个ref参考电压；采样电路带有两级增益控制功能，及低通滤波功能；采用adc芯片的串行菊花链模式，和pin端口控制模式，实现两个通道的高速同步采样、同步数据输出，不需要接收控制器指令，自动同步采样后发送同步数据；此采样电路的硬件集成电路均挑选市场上较新且性价比非常高的芯片，元器件尽量选用贴片，方便批量贴片生产，降低生产成本和报废率；此采样电路测试数据稳定可靠，指标优异，且可以通用于中高端双通道光谱类分析仪器。
45.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。