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輸出隨時間和溫度的變化而改變， 比例的變動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評估板和 EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP)評估板。 CN-0312評估軟件與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評估板 EVAL-SDP-CB1Z評估板(SDP) 6 V至12 V直流、500 mA電源 CN-0312評估軟件 蒸餾水和測試液體樣本 開始使用 將CN-0312評估軟件放進PC的光盤驅(qū)動器，加載評估軟件。打開我的電腦，找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器，打開Readme文件按照Readme file文件中的說明安裝和使用評估軟件。 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，啟動評估軟件程序。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評估軟件Readme 文件包含有關(guān)如何使用評估軟件采集數(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)需進行一次初始校準(zhǔn)，以便補償波束分離器與光電二極管之間的對齊誤差，以及補償光電二極管的所有響應(yīng)失配。若要校準(zhǔn)系統(tǒng)，以蒸餾水填充兩個容器，然后插入 PCB的方孔中。為全部兩個通道選擇33 kΩ增益，并在校準(zhǔn)下拉菜單中選擇啟動校準(zhǔn)序列。軟件每次開啟三個LED中的一個，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，軟件都將乘法器計算在內(nèi)，因此有：? 其中，K表示經(jīng)計算得出的校準(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號染料的吸光度直線 ? 無需使用有害化學(xué)物質(zhì)即可驗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進行測量時，黃色5號染料不同濃度的實驗結(jié)果。黃色溶液可強烈吸收藍(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 四通道運算放大器形成三個簡單的電流源，以恒定 電流驅(qū)動LED。 EVAL-SDP-CB1Z產(chǎn)生5 kHz時鐘，通過單刀雙擲(SPDT)開關(guān)ADG633調(diào)制一個LED，以便打開或關(guān)閉其電流源的基準(zhǔn)電壓。將另外兩個LED的電流源設(shè)為0 V可在不用時將其關(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。取決于每個容器中介質(zhì)的類型和濃度，容器可吸收不同量的光。每個容器另一側(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。 每條通道的第一級包含 AD8615 運算放大器，該運算放大器 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，是一個不錯的選擇，因為它具有極低的輸入偏置電流(1 pA)、輸入失調(diào)電壓(100 μV)和噪聲(8 nV/√Hz)。雖然信號隨后經(jīng)交流耦合，在本級中盡量減少直流誤差依然很重要，這樣可避免損失動態(tài)范圍。運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算放大器輸入電壓失調(diào)都會導(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的吸收特性，因此有時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不同的可選增益。其中一個增益設(shè)為33 kΩ，另一個設(shè)為1 MΩ。當(dāng)單SPDT開關(guān)連接運算放大器的輸出端以便開關(guān)反饋電阻時，ADG633的導(dǎo)通電阻可能導(dǎo)致跨阻增益誤差 為了避免這個問題，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，同時第二個開關(guān)將系統(tǒng)下一級與所選反饋環(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ADG633位于反饋環(huán)路之外，該級的輸出阻抗即為ADG633的導(dǎo)通電阻(通常52 Ω)，而非與閉環(huán)工作時運算放大器輸出有關(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，以補償總輸入電容(二極管電容加上運算放大器輸入電容)以及反饋電阻 RFx產(chǎn)生的極點。有關(guān)此分析的詳情，請參見傳感器信號調(diào)理實用設(shè)計技巧中的第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被削波，從而可驅(qū)動至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。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)置進行操作時，重要的是保護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時鐘同步的頻率，但如果上一級被衰減，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板獨立選擇。 下一級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入光電二極管的雜散光造成的低頻光污染。同時，ADR4525的輸出還將該電路偏置到2.5 V；因此，該級的輸出信號擺幅標(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)，因為它們具有極低的泄漏電流和較低的寄生電容。 當(dāng)驅(qū)動LED的時鐘處于高電平狀態(tài)時，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LED的時鐘處于低電平狀態(tài)時，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(交流耦合級可輸出的最小電壓)，同步整流器的輸出為3.75 V；而當(dāng)輸入為2.5 V時(交流耦合級的中間電平)，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)框圖和時域波形 ? 圖4為系統(tǒng)框圖，并標(biāo)出了每級的電壓范圍。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時鐘同步的信號(或奇次諧波，因為時鐘波形為方波)。在頻域中，AD8271輸出端的低通濾波器看上去像一個LED時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，進一步衰減同步檢波器的所有噪聲。 為了驗證前端電路不會對系統(tǒng)產(chǎn)生過大的噪聲，數(shù)據(jù)在LED禁用時采集。同步檢波器依然工作在LED時鐘頻率下，但不會檢測到任何與該時鐘同步的光信號。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。圖5顯示該配置下的噪聲，它針對單個通道的數(shù)值低于1 LSB(ADC輸入在兩個代碼之間置中)，針對另一 個通道為1 LSB峰峰值(ADC輸入在兩個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源禁用時的ADC電壓 ? CN0312 圖1所示電路是一個雙通道色度計，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(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 圖1所示電路是一個雙通道色度計，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 CN0312 | circuit note and reference circuit info 帶可編程增益跨阻放大器和同步檢波器的雙通道色度計 | Analog Devices

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