16位A/D转换器ADS1100在光强采集系统中的应用

杨媛如，徐熙平，刘丹

(1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.国家知识产权局专利审查协作中心，北京，100083)

在现代检测系统中，对光能量的检测已应用到各个领域，通过对光强进行检测，可以得知空气密度、液体杂质浓度、空气中粉尘颗粒含量等，而如何提高对其光功率的采集精度，对空气密度、液体杂质浓度、空气中粉尘颗粒含量等参数的获得具有非常重要的意义。

1 光强采集系统设计

1.1 检测原理

光强数据采集系统主要分为发光二极管、光电转化以及电压采集部分，系统原理图如图1。

图1 系统原理图Fig.1 The principle diagram of system

在此系统中，选用砷化镓二极管HG31，此发光二极管的最大功耗是 50mW；最大正向电流35mA；发光的峰值波长是940nm，选用此波段的发光二极管可以避开可见光波段，受空气中的可见光干扰小，光电二极管选用日本滨松公司生产的S1336硅光二极管，S1336的响应峰值是940nm，在光的波长是940nm时响应可以达到0.5A/W。当硅光二极管接收到光的时候，硅光二极管处于反相偏置，使硅光二极管工作在其伏安特性的第三相限，光强与光电流呈线性关系，再经过放大电路将由光电二极管转化的微弱电信号放大为适合A/D转化的模拟电压。A/D转化电路将模拟电压转化为数字量。单片机是仪器的控制器，用于处理按键，读取采样值、计算并显示测量结果。

1.2 光电转化电路的设计

光电转化电路将传感器光电二极管输出的微电信号放大，光电转换电路如图2所示。

图2 光电转换电路Fig.2 Photoelectric conversion circuit

硅光二极管处于反相偏置，使硅光二极管工作在其伏安特性的第三相限，光强与光电流呈线性关系，相对于零偏置这种形式的电路具有更低的噪声和更好的线性度。由于硅光二极管输出电流较小，因此为了减小运放的偏置电流对测量的影响，必须选取低偏置电流的运放；此外，温漂、失调电流、失调电压等参数也得考虑。综合考虑，选用 AD515运放，该运放输入失调电压400uV，最大温度漂移15uV/℃，偏置电流0.08pA，增益带宽值：GB=350kHz，转换速率1V/us，消耗功率：1.5mA，工作电压：±5~±18V。噪声：50nV/(Hz)1/2(1kHz)。由AD515将硅光二极管的电路信号转化为电压信号，在后端设计仪表放大器，进行信号的放大，仪表放大器选用AD620，仪表放大器典型连接电路如图3。

图3中选用运放AD620，3脚输入电压信号，2脚接模拟地，1和8脚间加入可调电阻，通过改变滑动电阻器阻值就可改变运放倍数，最后有6脚输出放大后的电压信号。

1.3 A/D转化电路设计

ADS1100是精密的连续自校准模/数A/D转换器，带有差分输入和高达16位的分辨率，封装为小型 SOT23-6。转换按比例进行以电源作为基准电压。ADS1100使用可兼容 IIC串行接口，在2.7～5.5V的单电源下工作。ADS1100可每秒采样 8、16、32或128次以进行转换。片内可编程的增益放大器PGA提供高达8倍的增益，允许对更小的信号进行测量，并且具有高分辨率。在单周期转换方式中ADS1100在一次转换之后自动掉电，在空闲期间极大地减少电流消耗。此外，可以将光强采样电路装入金属屏蔽盒中，并就近安置在光电传感器的输出位置，通过两线串行输出接口与单片机电路相连接，这样的设计将模拟与数字电路分开，尽量减小外界干扰带来测量的误差，提高测量系统的稳定性和精度。

图3 仪表放大器电路Fig.3 Instrumentation amplifier circuit

2 ADS1100工作原理

2.1 模/数转换器

ADS1100的模/数转换器核由一个差分开关电容-调节器和一个数字滤波器组成。调节器测量正模拟输入和负模拟输入的压差，并将其与基准电压相比较，在 ADS1100中基准电压即电源电压，数字滤波器从调节器接收高速位流并输出一个代码，该代码是一个与输入电压成比例的数字。

2.2 输出码计算

输出码是一个标量值。除电路削波以外，它与两个模拟输入端的压差成比例，输出码限定在一定数目范围内，该范围取决于代表输出码所需要的位数，而 ADS1100的代表输出码所需要的位数又取决于数据速率。对最小码的最小输出码可编程增益放大器PGA的增益，设置VIN+与VIN-的正负输入电压以及VDD而言，输出码可由以下表达式计算出：

在以上表达式中须重点注意使用负的最小输出码，ADS1100输出码的格式为二进制2的补码，因此，最小和最大的绝对值不同，最大的n位码是

例如数据速率为16SPS且PGA=2时输出码的理想表达式为：

ADS1100输出的所有代码右对齐，并且经过符号扩展，这时在数据速率码较高时仅用一个16位的累加器就可进行平均值的计算。

2.3 工作方式

ADS1100以下面两种方式中的一种工作连续转换和单周期转换，在连续转换方式中ADS1100连续地进行转换，一旦转换完成，ADS1100即将结果置入输出寄存器并立即开始另一轮转换。当ADS1100处于连续转换方式中时，配置寄存器中的 ST/BSY位总是读作1，在单周期转换方式中，ADS1100会等待直到转换寄存器中的ST/BSY位被置位为1，此时ADS1100上电并且工作在单周期转换方式下。在转换完成之后，ADS1100将结果置入输出寄存器中，复位ST/BSY位为0并掉电，当转换正在进行时，写1到ST/BSY，则不影响该位内容，在从连续转换方式切换到单周期转换方式时ADS1100将完成当前转换复位ST/BSY位为0并掉电。

在 ADS1100上电时，它自动地进行一次复位作为复位的一部分，ADS1100将配置寄存器中的所有位置位为它们的默认设置，ADS1100对IIC的总呼叫复位命令做出响应。当 ADS1100接收到总呼叫复位命令时，它即进行一次内部复位就像刚被上电一样，这种方法可使两个器件不发生冲突，如果两个器件同时驱动总线则驱动器不会发生冲突。

2.4 ADS1100的读操作时序

用户可从 ADS1100中读出输出寄存器和配置寄存器的内容，为做到这一点要对 ADS1100寻址并从器件中读出三个字节，前面的两个字节是输出寄存器的内容，第三个字节是配置寄存器的内容并不总是需要从 ADS1100中读取三个字节，如果只需要输出寄存器的内容，则只需读两个字节。从ADS1100中读取多于三个字节的值是无效的，从第四个字节开始的所有字节将为FFHADS1100的读操作的时序如图4所示。

图4 ADS1100的读操作时序图Fig.4 Read operation timing diagram of ADS1100

2.5 ADS1100的写操作时序

用户可写新的内容至配置寄存器，但不能更改输出寄存器的内容，为了做到这一点，要对 ADS1100寻址并进行写操作，并对 ADS1100写入一个字节，这个字节被写入配置寄存器中，对 ADS1100写入多个字节到ADS1100无效。ADS1100将忽略第一个字节以后的任何输入字节，并且它只对第一个字节做出应答，对ADS1100写操作的时序如图5所示。

图5 ADS1100的写操作时序图Fig.5 Write operation timing diagram of ADS1100

ADS1100的完全差分电压输入非常适应于连接到源极阻抗较低的差分源，如电桥传感器和电热调节器。尽管 ADS1100可读取两极差分信号，但它不能接收输入端的负电压用户，可将 ADS1100的正输入电压执行当作非反向而将负输入当作反向，在ADS1100反向时它在短时尖峰电压中吸收电流，0.1F的旁路电容器可从电源中为所需的附加电流提供瞬时脉冲。

ADS1100可与标准方式、快速方式和高速方式的IIC控制器直接接口，任何微控制器的IIC外围设备只能用作主机和单一主机的IIC外围设备，都可与 ADS1100一起工作。ADS1100不会将时钟拉紧，即 ADS1100绝不会将时钟线拉低，除非同一条IIC总线上有其它器件，上拉电阻对SDA和SCL线都是必要的，因为IIC总线驱动器是漏极开路驱动器，这些电阻的大小取决于总线的工作速度和总线电容阻值，较高的电阻的功耗较低，但会延长总线的转换时间，限制总线速度阻值较低的电阻允许总线高速运转，但功耗较高的总线的电容需要较小的上拉电阻来补偿，电阻不应太小，如果电阻太小，总线驱动器可能不能将总线拉低，其与单片机的具体连结电路图如图6所示。

图6 ADS1100与单片机的连接电路Fig.6 The connecting circuit with microcontroller and ADS1100

3 结论

本光强采集系统采用了红外发光二极管，此发光二极管和硅光二极管配合起来能够很好的对光强进行检测，可以有效的降低可见光对光强的干扰，采用 S1336硅光二极管对于红外波段的光响应度高，采用仪表放大器 AD620能够将小信号精确放大，可以使光功率的测量在0.0001W~0.5W的范围调整，使用高精度 A/D转换器 ADS1100，简化了电路，提高了可靠性。此系统稳定性强、抗干扰性能好、且精度高，在现代光强测试中可以得到广泛的应用。

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