電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一款雙通道色度計(jì)，其具有一個(gè)調(diào)制光源發(fā)射器，各通道上有可編程增益跨阻放大器，后接一個(gè)噪聲非常低的24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。ADC的輸出連接到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)FPGA夾層卡。FPGA從ADC獲得采樣數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)同步檢波算法。

通過(guò)使用調(diào)制光和數(shù)字同步檢波而非恒流（直流）源，系統(tǒng)可有力地抑制非調(diào)制頻率的噪聲源，提供出色的精度。

該雙通道電路以三種不同的波長(zhǎng)測(cè)量樣本與參考容器中的液體的吸收光線之比。這種測(cè)量方法構(gòu)成許多通過(guò)吸收光譜測(cè)量濃度和表征材料的化學(xué)分析和環(huán)境監(jiān)控儀器儀表的基礎(chǔ)。

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）

電路描述

一個(gè)設(shè)置為用戶可編程頻率的時(shí)鐘利用一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)器調(diào)制三種LED顏色中的一種，該恒流驅(qū)動(dòng)器由運(yùn)算放大器AD8615、開(kāi)關(guān)ADG819和數(shù)字電位計(jì)AD5201構(gòu)成。分光鏡將一半光線通過(guò)樣本容器發(fā)送，另一半通過(guò)參考容器發(fā)送。配置為跨阻放大器的ADA4528-1隨后將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓方波，其幅度與從樣本或參考容器透射出來(lái)的光線成正比?？缱璺糯笃骼脝蔚峨p擲（SPDT）開(kāi)關(guān)ADG633選擇兩個(gè)跨阻增益中的一個(gè)。AD7175-2Σ-ΔADC對(duì)電壓進(jìn)行采樣，并將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到FPGA進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。

FPGA首先將一個(gè)以數(shù)字方式生成的正弦波與LED時(shí)鐘同步，然后將此正弦波與ADC采樣數(shù)據(jù)相乘，從而實(shí)現(xiàn)同步解調(diào)。此外，該正弦波的90°相移版本也與ADC數(shù)據(jù)相乘以獲得調(diào)制信號(hào)的正交分量。這些操作的結(jié)果是產(chǎn)生兩個(gè)低頻解調(diào)信號(hào)，分別代表各通道接收光線的同相和正交分量。一個(gè)窄帶FIR低通濾波器濾除所有其他頻率成分，這樣便很容易計(jì)算光電二極管測(cè)得的信號(hào)的幅度和相移，而與LED時(shí)鐘不同的頻率的光線或電氣噪聲則被抑制。多路復(fù)用器ADG704將供電軌連接至三種顏色LED中的一個(gè)，用戶可以通過(guò)2位地址選擇測(cè)試波長(zhǎng)。AD8615和NPN晶體管構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的電流源，LED電流由下式給出：

其中：

VNON-INVERTING為AD8615同相輸入端電壓。

REMITTER為連接到晶體管Q3發(fā)射極的電阻值。

ADG819 SPDT開(kāi)關(guān)連接到設(shè)定點(diǎn)電壓和地，其控制引腳連接到參考時(shí)鐘。當(dāng)時(shí)鐘在高低之間振蕩時(shí)，電流源的設(shè)定點(diǎn)從0 mA變?yōu)樗璧妮敵鲭娏?，從而產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)。

數(shù)字電位計(jì)AD5201充當(dāng)2.5 V基準(zhǔn)電壓源的可編程電阻分壓器，使得LED電流共有33種不同的電流輸出設(shè)置。

樣本和參考容器各接收LED光能的一半，吸收的光量取決于每個(gè)容器中介質(zhì)的類型和濃度。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。

每個(gè)接收器通道的第一級(jí)包含ADA4528-1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。ADA4528-1是一款自穩(wěn)零放大器，其所導(dǎo)致的失調(diào)可忽略不計(jì)，無(wú)1/f噪聲，寬帶噪聲則非常低（5.9 nV/√Hz）。像所有自穩(wěn)零放大器一樣，在自穩(wěn)零頻率處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)噪聲尖峰。對(duì)于ADA4528-1，該頻率約為200 kHz，但電路信號(hào)帶寬早在此之前即發(fā)生滾降。

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。運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓出現(xiàn)在輸出端會(huì)被放大，其增益取決于反饋電阻和光電二極管分流電阻。此外，運(yùn)算放大器的任何輸入電壓失調(diào)都會(huì)出現(xiàn)在光電二極管上，導(dǎo)致光電二極管暗電流增加。ADA4528-1的失調(diào)電壓很低（2.5μV），非常適合這種應(yīng)用。

圖2顯示了一個(gè)帶單反饋電阻的典型跨阻放大器及其理想傳遞函數(shù)。

圖2.跨阻放大器傳遞函數(shù)

由于某些受測(cè)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來(lái)測(cè)量光電二極管產(chǎn)生的極小電流，同時(shí)要能夠測(cè)量與高度稀釋溶液相對(duì)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(kāi)關(guān)連接運(yùn)算放大器的輸出端以便開(kāi)關(guān)反饋電阻時(shí)，ADG633的導(dǎo)通電阻會(huì)導(dǎo)致跨阻增益誤差。為了避免這個(gè)問(wèn)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(kāi)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：



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52Ω），而非閉環(huán)工作時(shí)與運(yùn)算放大器輸出有關(guān)的極低輸出阻抗。ADG633漏電流（典型值5 pA）引起的誤差可忽略不計(jì)。

哪怕諸如ADA4528-1這類最好的軌到軌輸出放大器，其輸出都無(wú)法完全擺動(dòng)至供電軌。此外，ADA4528-1上的輸入失調(diào)電壓可以為負(fù)，雖然其數(shù)值非常小。運(yùn)算放大器ADA4805-1不是通過(guò)一個(gè)負(fù)電源來(lái)保證放大器絕不削波，并且保證它能驅(qū)動(dòng)至0.0 V，而是提供一個(gè)100 mV緩沖電壓來(lái)偏置光電二極管陽(yáng)極和ADA4528-1.ADA4805-1非常適合用作基準(zhǔn)電壓緩沖器，因?yàn)楫?dāng)驅(qū)動(dòng)去耦用大容性負(fù)載時(shí)，它能保持單位增益穩(wěn)定性。另外還使用第二個(gè)ADA4805-1來(lái)緩沖用以設(shè)置LED電流的數(shù)字電位計(jì)AD5201輸出。

圖3.可編程增益跨阻放大器

光電二極管放大器輸出電壓可在0.1 V至5.0 V范圍內(nèi)擺動(dòng)。對(duì)于33 kΩ范圍而言，4.9 V輸出范圍對(duì)應(yīng)148.5μA的滿量程光電二極管電流。對(duì)于1 MΩ范圍，其對(duì)應(yīng)4.9μA的滿量程光電二極管電流。使用1 MΩ的增益設(shè)置工作時(shí)，務(wù)必保護(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檢波方案能夠有力地衰減任何不與LED時(shí)鐘同步的頻率，但若ADC返回飽和數(shù)據(jù)，檢波方案將無(wú)法正常工作。

各通道的增益設(shè)置可通過(guò)FPGA板獨(dú)立選擇。

ADC采樣速率和調(diào)制頻率選擇

AD7175-2 ADC配置有sinc5+sinc1濾波器，輸出數(shù)據(jù)速率為250 kSPS，可采樣單周期建立對(duì)兩個(gè)通道采樣。這種配置使得各通道的有效采樣速率為25 kSPS（各通道每隔40μs輸出數(shù)據(jù)）。任何高于12.5 kHz的頻率（例如方波調(diào)制的奇數(shù)諧波）都會(huì)混疊回到ADC通帶中，只要其不是剛好位于調(diào)制頻率之上，同步解調(diào)級(jí)就會(huì)抑制這些頻率。為了防止調(diào)制波形的混疊頻率折回到基頻，應(yīng)根據(jù)以下關(guān)系選擇調(diào)制頻率：

其中：

FMODULATION為調(diào)制頻率。

FSAMPLE為ADC有效輸出數(shù)據(jù)速率。

n為整數(shù)（對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率的諧波）。

例如在本系統(tǒng)中，有效輸出數(shù)據(jù)速率為25 kSPS，因此，如果需要1 kHz左右的調(diào)制頻率，該頻率必須是1020 Hz （n = 12）或943 Hz （n = 13）以避免混疊問(wèn)題。采樣這種方法選擇調(diào)制頻率，前端即無(wú)需使用陡峭的抗混疊濾波器。

數(shù)字同步檢波

本電路不是在硬件中實(shí)現(xiàn)同步檢波，而是獲得時(shí)間采樣數(shù)據(jù)并利用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步檢波。圖4是FPGA中實(shí)現(xiàn)的數(shù)字同步檢波模塊的示意圖。FPGA產(chǎn)生交流激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED，以數(shù)字方式產(chǎn)生的正弦波在數(shù)字鎖相環(huán)中鎖定該信號(hào)。輸入信號(hào)與數(shù)字正弦波和90°相移版本相乘，產(chǎn)生兩個(gè)低頻解調(diào)信號(hào)，其分別與輸入信號(hào)在調(diào)制頻率的同相和正交分量成正比。如圖4所示，幅度為這兩個(gè)分量的平方和之根。有關(guān)該解調(diào)技術(shù)的更多信息，請(qǐng)參閱“了解詳情”部分。

圖4.包括FPGA同步檢波器的系統(tǒng)框圖

電源

EVAL-CN0363-PMDZ板由外部6 V至12 V直流電源供電。

電路的模擬部分由來(lái)自低壓差穩(wěn)壓器ADP7102的AVDD = 5 V供電。電路的數(shù)字部分由低壓差穩(wěn)壓器ADP1720產(chǎn)生的IOVDD = 3.3 V供電。或者，IOVDD也可以通過(guò)鏈路選項(xiàng)由PMOD連接器VCC提供。

2.5 V基準(zhǔn)電壓由AD7175-2 ADC的內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)源提供。

電路性能測(cè)量

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的噪聲性能，應(yīng)在禁用所有LED的情況下獲取數(shù)據(jù)。同步檢波器依然工作在LED時(shí)鐘頻率，但不會(huì)檢測(cè)到任何與該時(shí)鐘同步的光信號(hào)，因此，它會(huì)消除所有直流和交流信號(hào)。表1所示為無(wú)噪聲位性能。

表1.無(wú)噪聲位性能1

1采樣速率= 25 kSPS，激勵(lì)頻率= 1020 Hz，輸出濾波器帶寬= 100 Hz.

常見(jiàn)變化

改變光電二極管放大器上反饋電阻的值即可改變放大器增益，這是一種自定義電路的簡(jiǎn)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，以保持帶寬不變，并保證放大器的穩(wěn)定性。

對(duì)于極低水平光照測(cè)量系統(tǒng)而言，同步檢波器的輸出低通濾波器的截止頻率可設(shè)為低得多的頻率值，以便具有最佳性能，但代價(jià)是測(cè)量周期較長(zhǎng)。

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(cè)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。增加光反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制LED光輸出可降低其隨溫度的變化，使精確的單端測(cè)量成為可能。

可以不使用方波來(lái)調(diào)制LED，而用FPGA中的DDS或PWM來(lái)產(chǎn)生正弦波調(diào)制。正弦波調(diào)制可減少信號(hào)的諧波成分，使濾波更簡(jiǎn)單，并降低噪聲。

電路評(píng)估與測(cè)試

EVAL-CN0363-PMDZ板的完整文檔，包括原理圖、布局圖、Gerber文件和物料清單，可在CN-0363設(shè)計(jì)支持包中找到，網(wǎng)址：www.analog.com/CN0363-DesignSupport.

CN-0363評(píng)估軟件與FPGA開(kāi)發(fā)板通信，以從EVAL-CN0363-PMDZ電路板捕捉數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

設(shè)備要求

。EVAL-CN0363-PMDZ電路評(píng)估板

。6 V至12 V、500 mA直流電源或壁式電源適配器

。FPGA開(kāi)發(fā)板（如ZedBoard）和12 V電源

。8 GB SD卡，隨同EVAL-CN0363-PMDZ提供

。USB鍵盤(pán)和鼠標(biāo)組合

。HDMI監(jiān)視器（僅HD）

。CN-0363評(píng)估軟件（參見(jiàn)CN-0363用戶指南）

。蒸餾水和測(cè)試液體樣本

開(kāi)始使用

有關(guān)評(píng)估硬件和軟件的操作詳情，請(qǐng)參閱CN-0363用戶指南。

HDL軟件和驅(qū)動(dòng)在軟件鏈接中提供，支持各種FPGA開(kāi)發(fā)板，例如Avnet ZedBoard.

開(kāi)發(fā)平臺(tái)需要一個(gè)SD開(kāi)，其已隨同CN-0363硬件提供。SD卡已經(jīng)過(guò)適當(dāng)分區(qū)，但必須用最新鏡像予以更新。程序參見(jiàn)CN-0363用戶指南。

功能框圖

圖5所示為測(cè)試設(shè)置的功能框圖。

圖5.評(píng)估系統(tǒng)功能框圖

設(shè)置

按照如下方式設(shè)置系統(tǒng)：

1.用PMOD電纜連接EVAL-CN0363- PMDZ和ZedBoard，并將一個(gè)6 V至12 V直流電源連接到J2電源連接器。此時(shí)不要接通電源。

2.將USB鍵盤(pán)/鼠標(biāo)、HDMI監(jiān)視器和電源連接到ZedBoard.此時(shí)不要接通電源。

測(cè)試

按照如下方式初始化系統(tǒng)：

1.接通EVAL-CN0363-PMDZ板的電源。

2.接通ZedBoard的電源。

3.讓系統(tǒng)開(kāi)始引導(dǎo)。

4.若需要，輸入CN-0363用戶指南所述的適當(dāng)鍵盤(pán)命令。

校準(zhǔn)

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(duì)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。在校準(zhǔn)過(guò)程中，建議將光電二極管屏蔽起來(lái)，防止環(huán)境光線照射。

在軟件中啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)程序：從Menu（菜單）欄打開(kāi)Calibration（校準(zhǔn)）對(duì)話框，然后單擊Calibrate（校準(zhǔn)）。完成全部校準(zhǔn)程序需要幾秒鐘時(shí)間，進(jìn)度條會(huì)指示當(dāng)前步驟。校準(zhǔn)完成時(shí)，校準(zhǔn)值會(huì)更新。校準(zhǔn)會(huì)消除零點(diǎn)失調(diào)，并設(shè)置各通道的正確增益。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)還包括一個(gè)乘法系數(shù)K，其表示滿量程激勵(lì)下參考通道值和樣本通道值的相對(duì)關(guān)系。

針對(duì)每種LED顏色，軟件都會(huì)計(jì)算系數(shù)K，因此有：

其中，K表示經(jīng)計(jì)算得出的校準(zhǔn)常數(shù)。

完成校準(zhǔn)后，軟件在后續(xù)測(cè)量中均使用這些校準(zhǔn)常數(shù)。

在光譜技術(shù)上，吸光度定義為到達(dá)被測(cè)介質(zhì)的光與通過(guò)介質(zhì)傳遞的光的對(duì)數(shù)之比。根據(jù)比爾-朗伯特定律，通過(guò)介質(zhì)傳遞的光量隨通道長(zhǎng)度和濃度的增加而以指數(shù)規(guī)律遞減。通過(guò)將吸光度定義為對(duì)數(shù)，可使得它與介質(zhì)的濃度直接成比例（假設(shè)通道長(zhǎng)度不變）。

無(wú)需使用有害化學(xué)物質(zhì)即可驗(yàn)證該理論的簡(jiǎn)單方法，是測(cè)量食用色素的染料濃度。圖6顯示采用EVAL-CN0363-PMDZ進(jìn)行測(cè)量時(shí)，黃色5號(hào)染料不同濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6. 465 nm（主波長(zhǎng)）光下黃色5號(hào)染料的吸光度直線

黃色溶液可強(qiáng)烈吸收藍(lán)光；因此，測(cè)量采用藍(lán)光（465 nm主波長(zhǎng)）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(méi)有單位），y軸表示吸光度。根據(jù)比爾-朗伯特定律的預(yù)測(cè)，吸光度隨濃度呈線性變化。

分析樣本

單擊Automated Data Collection（自動(dòng)收集數(shù)據(jù)）選項(xiàng)卡中的Analyze Sample（分析樣本）按鈕（參見(jiàn)圖7）以自動(dòng)分析樣本，循環(huán)處理所有三種顏色，并計(jì)算每種顏色的吸光度。完成分析需要幾秒鐘時(shí)間，進(jìn)度條會(huì)更新以指示當(dāng)前步驟。分析完成時(shí)會(huì)顯示吸光度值。然后便可將該樣本與樣本庫(kù)中的現(xiàn)有樣本進(jìn)行比對(duì)，或?qū)⑵浔４娴綐颖編?kù)中供將來(lái)使用。

圖7. Automated Data Collection（自動(dòng)收集數(shù)據(jù)）選項(xiàng)卡視圖

電流/吸光度測(cè)量和手動(dòng)設(shè)置

通過(guò)Current/Absorbance Measurement（電流/吸光度測(cè)量）選項(xiàng)卡，用戶可以直接手動(dòng)控制LED和增益，以及查看原始數(shù)據(jù)（參見(jiàn)圖8）。下列參數(shù)可供設(shè)置：Excitation Frequency（激勵(lì)頻率）、Excitation Current（激勵(lì)電流）、LED（紅光、綠光或藍(lán)光）、Reference Channel Gain（參考通道增益）和Sample Channel Gain（樣本通道增益）。

更改這些值后，運(yùn)行自動(dòng)校準(zhǔn)程序可以恢復(fù)初始默認(rèn)值。

圖8. Current/Absorbance Measurement（電流/吸光度測(cè)量）選項(xiàng)卡視圖

樣本庫(kù)

利用Sample Library（樣本庫(kù)）選項(xiàng)卡（參見(jiàn)圖9），用戶可以管理和比較以前保存的樣本數(shù)據(jù)。左側(cè)是所有樣本的列表。右側(cè)是當(dāng)前所選樣本的吸光度值。

按住CTRL鍵可以選擇多個(gè)樣本。利用此功能可以直接比較多個(gè)樣本的吸光度。選擇樣本，然后單擊Remove（刪除），可以將樣本從庫(kù)中刪除。從庫(kù)中刪除的樣本無(wú)法恢復(fù)。

EVAL-CN0363-PMDZ板的照片如圖10所示。

圖9. Sample Library（樣本庫(kù)）選項(xiàng)卡視圖

圖10. EVAL-CN0363-PMDZ照片