一种基于DDC112的高精度近红外光谱采集电路

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摘 要：文章针对采用InGaAs式电流型光电探测器的高精度近红外光谱仪器，设计了一种基于DDC112的采集电路。采用双通道电流输入式A/D转换器DDC112作为核心芯片，为其设计外围电路，并利用芯片内部的TEST模式进行电路性能测试。实验结果表明，基于DDC112芯片所设计的高精度采集电路，其分辨率可达到16位，即转换后的电压信号可稳定至5位，且所设计电路简单、稳定，进一步验证了该电路应用于高精度近红外光谱仪器的实用性和有效性。

关键词：近红外光谱；DDC112；A/D转换

中图分类号：TH744.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）08-0072-02

1 近红外光谱分析仪的电子学结构

电子学系统是近红外光谱分析系统的重要组成部分，主要包括电源电路、前置预处理电路、采集电路和接口电路等。探测器将接收的光信号转化为电信号后传送至前置预处理电路，前置预处理电路主要实现信号的放大和滤波功能，将信号放大至后续电路可以正常工作的电压。然后经过A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号，并通过接口电路传入计算机进行后续的信号处理，其具体的结构图，如图1所示。

电子学系统是近红外光谱分析系统的主要噪声来源之一，设计快速高信噪比的光谱数据采集电路是提高整套系统的重要手段。本文针对InGaAs光电探测器设计了一种快速高信噪比的光谱数据采集电路，为提高光谱分析系统的检测精度奠定了基础。

2 基于DDC112的采集电路设计

2.1 DDC112的工作原理

DDC112是由TI公司生产的一款电流输入式A/D转换芯片。 它具有输入范围广，分辨率高（可达20位） ， 采样速度快（1.5 kHZ）等优点，满足近红外光谱数据采集的需求。

DDC112主要依赖电容器的积分完成对输入电流信号的采集。当DDC112工作时，积分电容器首先向VREF充电，随着DDC112和电容器的不断积分，输入的电流信号将释放电容器的电荷，进而导致运算放大器的输出电压被降低。而当积分完成时，输入信号将切换至另一端，此时，芯片内部的电压输入型ADC将测量VREF的保持值。

此过程不断重复，持续、有效地进行，可不断的将输入信号进行积分，进而完成对电流信号的A/D转换。

2.2 基于DDC112的采集电路设计

由于InGaAs光电探测器的输出为电流信号，因此大多数近红外光谱分析仪的采集电路的方案均采用先将电流信号转换为电压信号，然后利用前置放大电路进行信号的放大和滤波，最后通过输入电压式A/D转换电路将信号以数字形式输出。

此种方案虽然能够完成光谱数据的采集，但是对于运算放大器引入的噪声及放大电路中电阻的热噪声却很难避免。

当被测量的物质含量较少时，探测器的输出信号极其微弱，则需要高阻值得电阻（有时达到几兆）才能完成信号的放大。而电阻的热噪声与阻值成正比，此时的热噪声将不能被忽略，且会对采集电路的精度产生较大的影响。

本设计为了避免上述问题，采用直接对探测器的电流输出信号进行数据采集的方法，通过DDC112和积分电容完成信号的转换和采集，避免了高阻值电阻的使用，减少了电路中的热噪声，进而提高了采集电路的精度。

其具体原理图，如图2所示。

由图2可见，DDC112的外围电路较为简单，且元器件较少，因此电路中引入的外部噪声源也较少，有助于提高光谱数据的采集精度。本文采用DDC112内部的Test模式对所设计的电路进行测试，输出接口采用单向SPI接口。所测得的电路性能，见表1。

根据DDC112的datasheet，理论上当DDC112工作于TEST模式时的积分电容值应为13 pF、50 pF和75 pF，但电荷量变化的允许范围是±20%，则积分电容值的范围应为10.4～15.6 pF， 40～60 pF和60～90 pF，表1中的实测三个电容值均满足要求。

由表1所示，当量程越低时，两个通道的实测误差越小，分辨率越高；反之量程越高时，两个通道的实测误差越大，分辨率越低。

但是，即使当量程最大为300 pC时，两通道间的误差也仅为0.117%，分辨率达到了16位，即采集数据的电压有5位的稳定数据，满足近红外光谱数据的采集要求。

3 结 语

本文针对采用InGaAs探测器的近红外光谱分析仪器，设计了一种基于DDC112的高精度数据采集电路。文章针对采用InGaAs式电流型光电探测器的高精度近红外光谱仪器，设计了一种基于DDC112的采集电路。采用双通道电流输入式A/D转换器DDC112作为核心芯片，为其设计外围电路，并利用芯片内部的TEST模式进行电路性能测试。实验结果表明，基于DDC112芯片所设计的高精度采集电路，其分辨率可达到16位，即转换后的电压信号可稳定至5位，且所设计电路简单、稳定，进一步验证了该电路应用于高精度近红外光谱仪器的实用性和有效性。经测试，所设计电路的分辨率达到16位，且外围电路简单、小型、稳定，进一步验证了该电路的可靠性。

由于该电路具有高精度、简单、稳定、低成本等优点，因此可以作为一种有效电路应用于高精度近红外光谱分析仪器。

参考文献：

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