CN0312 帶可編程增益跨阻放大器和同步檢波器的雙通道色度計(jì)

CN0312 改變光電二極管放大器上反饋電阻的數(shù)值即可改變放大器 增益。這是一種自定義電路的簡單方法，可用于不同光照 水平的特定應(yīng)用。然而，補(bǔ)償電容也必須改變，以保持帶 寬，保證放大器的穩(wěn)定性。 對于極低水平光照測量系統(tǒng)而言，同步檢波器的低通濾波 器其截止頻率可設(shè)為低得多的頻率值，以便具有最佳性 能，但代價(jià)是測量周期較長。 由于LED的光輸出隨溫度變化而改變，系統(tǒng)以樣本和參考 通道的比例進(jìn)行測量。光電二極管的增益容差最大值為 ±11%；因此，由于LED輸出隨時(shí)間和溫度的變化而改變， 比例的變動(dòng)在一定程度上存在漂移。加入光學(xué)反饋環(huán)路控 制幅度后，LED可大幅降低光隨溫度變化而改變的程度， 甚至使單通道精確測量成為可能。圖7表示典型200個(gè)樣本 采集期間的參考通道與樣本通道讀數(shù)之比。 ? 圖6. 校準(zhǔn)后的比例讀數(shù)(開啟紅色LED，樣本和參考容器中有蒸餾水) ? 本電路使用EVAL-CN0312-SDPZ評(píng)估板和 EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板。 CN-0312評(píng)估軟件與EVAL-SDP-CB1Z通信，以從EVAL-CN0312-SDPZ捕捉數(shù)據(jù)。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： 帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista(32位)或Windows 7(32位)PC EVAL-CN0312-SDPZ評(píng)估板 EVAL-SDP-CB1Z評(píng)估板(SDP) 6 V至12 V直流、500 mA電源 CN-0312評(píng)估軟件 蒸餾水和測試液體樣本 開始使用 將CN-0312評(píng)估軟件放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。打開我的電腦，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件按照Readme file文件中的說明安裝和使用評(píng)估軟件。 功能框圖 圖8顯示測試設(shè)置的功能框圖。EVAL-CN0312-SDPZ-SCH pdf filepdf文件提供了完整電路原理圖。此文件位于CN0312設(shè)計(jì)支持包中。 ? 圖7. 測試系統(tǒng)功能框圖 ? 設(shè)置 將光電二極管引腳彎折90°，然后插入D2與D3中。有關(guān)每個(gè)光電二極管陽極端子的正確朝向請參見圖8。 一旦完成安裝，確保光電二極管位置距離印刷電路板(PCB)約15 mm。 將EVAL-CN0312-SDPZ上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z上的CON A連接器。將外部6 V至12 V直流電源連接到EVAL-CN0312-SDPZ的J2上，并將隨EVAL-SDP-CB1Z提供的USB電纜從EVAL-SDP-CB1Z連接到PC上的USB端口。EVAL-SDP-CB1Z從PC的USB端口取電。 測試 開啟外部電源，啟動(dòng)評(píng)估軟件程序。如果設(shè)備管理器中列出了Analog Devices, Inc., System Development Platform驅(qū)動(dòng)器，軟件將能與EVAL-SDP-CB1Z通信。一旦USB通信建立，EVAL-SDP-CB1Z就可用來發(fā)送、接收、采集來自EVAL-CN0312-SDPZ的并行數(shù)據(jù)。 CN-0312評(píng)估軟件Readme 文件包含有關(guān)如何使用評(píng)估軟件采集數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。SDP用戶指南( UG-277) 包含有關(guān)EVAL-SDP-CB1Z的信息。 系統(tǒng)需進(jìn)行一次初始校準(zhǔn)，以便補(bǔ)償波束分離器與光電二極管之間的對齊誤差，以及補(bǔ)償光電二極管的所有響應(yīng)失配。若要校準(zhǔn)系統(tǒng)，以蒸餾水填充兩個(gè)容器，然后插入 PCB的方孔中。為全部兩個(gè)通道選擇33 kΩ增益，并在校準(zhǔn)下拉菜單中選擇啟動(dòng)校準(zhǔn)序列。軟件每次開啟三個(gè)LED中的一個(gè)，然后測量到達(dá)參考和樣本光電二極管的接收光。針對每種LED顏色，軟件都將乘法器計(jì)算在內(nèi)，因此有：? 其中，K表示經(jīng)計(jì)算得出的校準(zhǔn)常量。完成校準(zhǔn)后，軟件在后續(xù)測量中均使用該校準(zhǔn)常量。 在光譜技術(shù)上，吸光度定義為到達(dá)被測介質(zhì)的光與通過介質(zhì)傳遞的光的對數(shù)之比。根據(jù)比爾-朗伯特定律，通過介質(zhì)傳遞的光量隨通道長度和濃度的增加而以指數(shù)規(guī)律遞減。通過將吸光度定義為對數(shù)，可使得它與介質(zhì)的濃度直接成比例(假設(shè)通道長度不變) ? 圖8. 470 nm光下黃色5號(hào)染料的吸光度直線 ? 無需使用有害化學(xué)物質(zhì)即可驗(yàn)證該理論的簡單方法，是測量食用色素的染料濃度。圖9顯示采用EVAL-CN0312-SDPZ進(jìn)行測量時(shí)，黃色5號(hào)染料不同濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。黃色溶液可強(qiáng)烈吸收藍(lán)光；因此，測量采用藍(lán)光(470 nm) LED作為光源。X軸表示體積濃度(每毫升水中染料的毫升數(shù)，因此X軸沒有單位)，Y軸表示吸光度。根據(jù)比爾-朗伯特定律的預(yù)測，吸光度隨濃度呈線性變化。 除了濃度測量，該電路板還可根據(jù)不同波長下的光吸收情況表征并鑒別介質(zhì)。從自動(dòng)數(shù)據(jù)采集下拉菜單中選擇分析樣本，測量每種顏色，并在前面板上顯示結(jié)果。可行的方法是建立已知物質(zhì)的數(shù)據(jù)庫，然后將未知樣本與數(shù)據(jù)庫中的物質(zhì)相匹配。例如，一般可采用pH測量溶液，它會(huì)根據(jù)pH值改變顏色。通過建立已知pH值的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)便可鑒定樣本的顏色，并與正確的pH值匹配。 ? 圖9. Photo of EVAL-CN0312-SDPZ and EVAL-SDP-CB1Z ? AD8618 四通道運(yùn)算放大器形成三個(gè)簡單的電流源，以恒定 電流驅(qū)動(dòng)LED。 EVAL-SDP-CB1Z產(chǎn)生5 kHz時(shí)鐘，通過單刀雙擲(SPDT)開關(guān)ADG633調(diào)制一個(gè)LED，以便打開或關(guān)閉其電流源的基準(zhǔn)電壓。將另外兩個(gè)LED的電流源設(shè)為0 V可在不用時(shí)將其關(guān)閉。 波束分離器將一半光線通過樣本容器發(fā)送，另一半通過參考容器發(fā)送。取決于每個(gè)容器中介質(zhì)的類型和濃度，容器可吸收不同量的光。每個(gè)容器另一側(cè)的光電二極管產(chǎn)生少量電流，數(shù)量與接收到的光量成比例。 每條通道的第一級(jí)包含 AD8615 運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器 配置為跨阻放大器，可將光電二極管輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓。AD8615作為光電二極管放大器，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗哂袠O低的輸入偏置電流(1 pA)、輸入失調(diào)電壓(100 μV)和噪聲(8 nV/√Hz)。雖然信號(hào)隨后經(jīng)交流耦合，在本級(jí)中盡量減少直流誤差依然很重要，這樣可避免損失動(dòng)態(tài)范圍。運(yùn)算放大器輸入偏置電流乘以輸出端的反饋電阻值，作為失調(diào)電壓。帶增益輸出端上的運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓取決于反饋電阻和光電二極管分流電阻。此外，流經(jīng)光電二極管的任何運(yùn)算放大器輸入電壓失調(diào)都會(huì)導(dǎo)致光電二極管暗電流的增加。 圖2顯示帶單反饋電阻的典型跨導(dǎo)放大器及其理想傳遞函數(shù)。 圖2. 跨導(dǎo)放大器傳遞函數(shù) ? 由于某些受測溶液可能具有非常強(qiáng)的吸收特性，因此有時(shí)需要使用大反饋電阻以測量光電二極管產(chǎn)生的極小電流，同時(shí)要能夠測量與高度稀釋溶液相對應(yīng)的大電流。為了解 決這一難題，圖1中的光電二極管放大器含有兩個(gè)不同的可選增益。其中一個(gè)增益設(shè)為33 kΩ，另一個(gè)設(shè)為1 MΩ。當(dāng)單SPDT開關(guān)連接運(yùn)算放大器的輸出端以便開關(guān)反饋電阻時(shí)，ADG633的導(dǎo)通電阻可能導(dǎo)致跨阻增益誤差 為了避免這個(gè)問題，圖3顯示了一種較好的配置，在該配置中，反饋環(huán)路內(nèi)部的ADG633選擇所需電阻，同時(shí)第二個(gè)開關(guān)將系統(tǒng)下一級(jí)與所選反饋環(huán)路相連。放大器輸出端的電壓為： VTIA OUTPUT = IPHOTODIODE × RFEEDBACK 而非 VTIA OUTPUT = IPHOTODIODE × (RFEEDBACK + RONADG633) 它表示增益誤差。但是，由于其中一個(gè)ADG633位于反饋環(huán)路之外，該級(jí)的輸出阻抗即為ADG633的導(dǎo)通電阻(通常52 Ω)，而非與閉環(huán)工作時(shí)運(yùn)算放大器輸出有關(guān)的極低輸出阻抗。 請注意，出于穩(wěn)定性考慮，要求使用反饋電容 CFx，以補(bǔ)償總輸入電容(二極管電容加上運(yùn)算放大器輸入電容)以及反饋電阻 RFx產(chǎn)生的極點(diǎn)。有關(guān)此分析的詳情，請參見傳感器信號(hào)調(diào)理實(shí)用設(shè)計(jì)技巧中的第5部分。 哪怕諸如AD8615這類最好的軌到軌輸出放大器都無法完全擺動(dòng)輸出至電軌。此外，AD8615上的輸入失調(diào)電壓可以為負(fù)，雖然其數(shù)值非常小。ADR4525基準(zhǔn)電壓源將光電二極管和放大器偏置到2.5 V，而非使用負(fù)電源確保放大器不會(huì)被削波，從而可驅(qū)動(dòng)至0 V。電路板的模擬和數(shù)字部分采用5 V線性調(diào)節(jié)器供電。 圖3. 可編程增益跨導(dǎo)放大器 ? 光電二極管放大器輸出電壓可在2.5 V至5.0 V范圍內(nèi)擺動(dòng)。對于33 kΩ范圍而言，2.5 V輸出范圍對應(yīng)滿量程光電二極管的電流值為75.8 μA。對于1 MΩ范圍而言則對應(yīng)2.5 μA。使用1 MΩ的增益設(shè)置進(jìn)行操作時(shí)，重要的是保護(hù)光電二極管不受外界光線影響，以防放大器飽和。雖然下文所述的同 步整流器可極大地衰減任何不與LED時(shí)鐘同步的頻率，但如果上一級(jí)被衰減，則它無法正常發(fā)揮作用。每通道的增益設(shè)置可通過EVAL-SDP-CB1Z板獨(dú)立選擇。 下一級(jí)是簡單緩沖交流耦合濾波器。濾波器截止頻率設(shè)為7.2 Hz；它移除所有輸出失調(diào)電壓，并衰減白熾燈和熒光燈以及其它所有進(jìn)入光電二極管的雜散光造成的低頻光污染。同時(shí)，ADR4525的輸出還將該電路偏置到2.5 V；因此，該級(jí)的輸出信號(hào)擺幅標(biāo)稱值范圍為1.25 V至3.75 V。 緊隨交流耦合濾波器之后的電路為同步整流器電路，采用AD8271 差動(dòng)放大器和ADG733三路SPDT開關(guān)組成。ADG733內(nèi)部開關(guān)與AD8271的內(nèi)部10 kΩ增益設(shè)置電阻串聯(lián)；因此，ADG733的4.5 Ω最大導(dǎo)通電阻造成的增益誤差僅為0.05%，并且溫度漂移低于1 ppm/°C。 系統(tǒng)的其余部分使用ADG633開關(guān)，因?yàn)樗鼈兙哂袠O低的泄漏電流和較低的寄生電容。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)LED的時(shí)鐘處于高電平狀態(tài)時(shí)，ADG733內(nèi)的開關(guān)將根據(jù)如下簡單傳遞函數(shù)配置AD8271 VO = VIN 其中： VO為同步檢波器的輸出。 VIN為同步檢波器的輸入，范圍為2.5 V至3.75 V。 在該配置下，同步整流器用作單位增益放大器。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)LED的時(shí)鐘處于低電平狀態(tài)時(shí)，ADG733內(nèi)的開關(guān)將根據(jù)如下傳遞函數(shù)配置AD8271 VO = 2VREF ? VIN 其中： VREF為ADR4525的2.5 V輸出。 VIN范圍為1.25 V至2.5 V。 這種情況下，當(dāng)輸入為1.25 V時(shí)(交流耦合級(jí)可輸出的最小電壓)，同步整流器的輸出為3.75 V；而當(dāng)輸入為2.5 V時(shí)(交流耦合級(jí)的中間電平)，同步整流器的輸出為2.5 V。在這種配置下，同步整流器的增益為?1，并且在+2.5 V基準(zhǔn)電壓附近偏置。 圖4. 每步的系統(tǒng)框圖和時(shí)域波形 ? 圖4為系統(tǒng)框圖，并標(biāo)出了每級(jí)的電壓范圍。同步整流電路處理后的結(jié)果為可變直流電壓，變動(dòng)范圍為2.5 V(沒有光線到達(dá)光電二極管)至3.75 V(滿量程光輸入)。該輸出電壓對應(yīng)1.25 V的滿量程輸出擺幅。 該電路過濾頻率不與LED時(shí)鐘同步的信號(hào)(或奇次諧波，因?yàn)闀r(shí)鐘波形為方波)。在頻域中，AD8271輸出端的低通濾波器看上去像一個(gè)LED時(shí)鐘頻率附近的帶通濾波器。該濾波器的帶寬越低，同步整流器就越能抑制帶外噪聲。出于噪聲抑制和建立時(shí)間的權(quán)衡考慮，該濾波器的截止頻率設(shè)為16 Hz。必須說明，該濾波器帶寬約等于LED時(shí)鐘。例如，若LED調(diào)制為5 kHz，則同步檢波器的3 dB通帶范圍為4.984 kHz至5.016 kHz。 系統(tǒng)最終級(jí)為低噪聲、16位、Σ-Δ型ADC AD7798 。該ADC集成內(nèi)置的可編程增益放大器(PGA)，具有差分輸入。將2.5 V基準(zhǔn)電壓源與AIN引腳相連，并將PGA增益設(shè)為2以便允許它把同步整流器的2.5 V至3.75 V輸出映射為滿量程16位輸出。此外，AD7798的輸出濾波器還提供50 Hz和60 Hz下的最低65 dB抑制，進(jìn)一步衰減同步檢波器的所有噪聲。 為了驗(yàn)證前端電路不會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生過大的噪聲，數(shù)據(jù)在LED禁用時(shí)采集。同步檢波器依然工作在LED時(shí)鐘頻率下，但不會(huì)檢測到任何與該時(shí)鐘同步的光信號(hào)。因此，它 可移除除了AD8271和ADC產(chǎn)生的誤差之外的所有直流和交流信號(hào)。圖5顯示該配置下的噪聲，它針對單個(gè)通道的數(shù)值低于1 LSB(ADC輸入在兩個(gè)代碼之間置中)，針對另一 個(gè)通道為1 LSB峰峰值(ADC輸入在兩個(gè)相鄰代碼之間位于過渡區(qū)域)。此外，需注意測量電壓為負(fù)，數(shù)值為幾個(gè)mV，這是符合AD8271典型失調(diào)誤差分布的預(yù)期性能。 圖5. LED源禁用時(shí)的ADC電壓 ? CN0312 圖1所示電路是一個(gè)雙通道色度計(jì)，集成調(diào)制光源發(fā)射器 和同步檢波器接收器。電路以三種不同的波長測量樣本與 參考容器的吸收光線之比。 該電路針對許多化學(xué)分析和環(huán)境監(jiān)控儀器提供有效的解決 方案，這些儀器儀表用于通過吸收光譜測量濃度和表征材 料。 光電二極管接收器調(diào)理路徑包括可編程增益跨阻放大器， 用于將二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓，并允許分析光吸收情況大 不相同的不同液體。16位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)提供額外 的動(dòng)態(tài)范圍，確保寬范圍光電二極管輸出電流具有足夠的 分辨率。 使用調(diào)制光源和同步檢波器而非恒流(直流)源可消除環(huán)境 光線和低頻噪聲產(chǎn)生的測量誤差，并提供更高的精度。 圖1. 帶可編程增益跨阻放大器和鎖定放大器的雙通道色度計(jì)(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦) ? cn0312 帶可編程增益跨阻放大器和同步檢波器的雙通道色度計(jì) 圖1所示電路是一個(gè)雙通道色度計(jì)，集成調(diào)制光源發(fā)射器 和同步檢波器接收器。電路以三種不同的波長測量樣本與 參考容器的吸收光線之比。

該電路針對許多化學(xué)分析和環(huán)境監(jiān)控儀器提供有效的解決 方案，這些儀器儀表用于通過吸收光譜測量濃度和表征材 料。

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