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分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案

發(fā)布時(shí)間:2021-03-03 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】這個(gè)實(shí)戰(zhàn)案例主要是設(shè)計(jì)一個(gè)分光測(cè)色儀的硬件系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由光源、光接收器、信號(hào)處理器等組成,基本功能框圖如圖1。光源燈采用小功率單波長LED,對(duì)于LED發(fā)光的穩(wěn)定性主要因素是電流和環(huán)境溫度。故硬件方案中需要設(shè)計(jì)恒流源電路和恒溫控制電路。
    
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這個(gè)實(shí)戰(zhàn)案例主要是設(shè)計(jì)一個(gè)分光測(cè)色儀的硬件系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由光源、光接收器、信號(hào)處理器等組成,基本功能框圖如圖1。光源燈采用小功率單波長LED,對(duì)于LED發(fā)光的穩(wěn)定性主要因素是電流和環(huán)境溫度。故硬件方案中需要設(shè)計(jì)恒流源電路和恒溫控制電路。
 
分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案
圖1
 
1、恒流源電路方案設(shè)計(jì)
 
對(duì)于小功率的恒流源設(shè)計(jì),最常用的就是運(yùn)放 + 場(chǎng)管方案。電路如圖2所示,該方案由分立元件組成,運(yùn)放、三極管、電阻的電氣參數(shù)一致性及溫漂會(huì)極大的影響恒流源的精度,影響因素較多難以控制。
 
分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案 
圖2
 
ADI公司旗下有一款產(chǎn)品(型號(hào):LT3092)單芯片集成了多個(gè)元件,使器件一致性和溫漂更容易控制,成為恒流源方案的理想選擇器件。最大輸出電流200mA滿足小功率恒流源的需求;超寬的輸入電壓范圍及低壓差工作電壓(1.2V~40V)使得電源電壓設(shè)計(jì)更具兼容性;內(nèi)部更有高精度微恒流源(10uA),結(jié)合精密電阻可組成高精度的參考電壓源。內(nèi)部原理圖如圖3。
 
分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案      
圖3                                                                   圖4
 
若無需更改恒流源電流,則RSET選用固定高精度低溫漂的電阻即可。若想實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流,RSET可選用數(shù)字電位器(如ADI公司產(chǎn)品AD5610),用MCU來控制。LT3092的SET引腳還可以直接連接DAC,用MCU直接控制更是一種方便簡(jiǎn)單又省成本的方案,如圖4。
 
由于分光測(cè)色儀用到多個(gè)不同波長的LED,可以讓每個(gè)LED配上一個(gè)恒流源,當(dāng)然更好的方案是只用一個(gè)恒流源然后用模擬開關(guān)切換通道,這樣更省成本。ADI公司有一款產(chǎn)品(型號(hào)ADG452)單芯片集成4通道模擬開關(guān)。較低的導(dǎo)通電阻(4Ω);每通道100mA的工作電流;快速的開關(guān)頻率(tON = 70ns,tOFF = 60ns)。電氣性能完全滿足設(shè)計(jì)需求,方案電路實(shí)現(xiàn)如圖5。
 
分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案 
圖5
 
2、恒溫控制電路方案設(shè)計(jì)
 
恒溫控制電路由加熱器 + 溫度傳感器 + 溫度保護(hù)器 + 控制器構(gòu)成,如圖6。溫度開關(guān)用于加熱失控時(shí)的過溫保護(hù),MCU接受來自溫度傳感器的反饋,利用PID算法去控制驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)加熱器的功率輸出,達(dá)到恒溫控制的目的。
 
分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案
圖6
 
加熱器可以是恒壓驅(qū)動(dòng),用場(chǎng)管作為開關(guān),MCU用PWM方式控制調(diào)節(jié)。但由于PWM方式控制頻率較高且信號(hào)存在突變,會(huì)對(duì)電路系統(tǒng)造成較大的噪聲干擾,進(jìn)而影響用于精密測(cè)量的模擬電路。另一種方案是采用恒流驅(qū)動(dòng)加熱器,借鑒上述LED恒流源電路方案,選擇輸出電流更大的恒流源芯片(如ADI公司產(chǎn)品LT3085),輸出電流達(dá)500mA,其他參數(shù)、功能與LT3092類似,功能框圖如圖7。
 
 分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案
圖7
 
配上數(shù)字電位器,MCU可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流變化,以控制加熱器的功率輸出。并且恒流方式調(diào)節(jié)頻率低、過程平緩不會(huì)引起電壓信號(hào)的突變。部分電路原理圖如圖8。
 
分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案
圖8
 
加熱功率計(jì)算:P = I2*R(I為恒流源電流,R為加熱器電阻)
 
I = 10uA * RW / R53(微恒流源電流*數(shù)字電位器/采樣電阻)
 
溫度傳感器可以選擇線性好、精度高的PT100。對(duì)于PT100的驅(qū)動(dòng)電路,需要設(shè)計(jì)恒流源,信號(hào)放大電路,再加上模數(shù)轉(zhuǎn)換器,模擬器件分立且數(shù)量較多,硬件成本較高,對(duì)于PCB面積受限的應(yīng)用也不好布局,因此可以選擇集成度高的器件如ADI公司產(chǎn)品(型號(hào):AD7124-4),集成程控放大器(增益編程范圍為1~128),可以直接連接小信號(hào)傳感器而無需放大電路;內(nèi)置激勵(lì)電流源(設(shè)置范圍50 μA~1 mA),正好方便給溫度傳感器供電;高達(dá)19 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器,足夠以高分辨率采集溫度數(shù)據(jù)。應(yīng)用AD7124-4設(shè)計(jì)的PT100驅(qū)動(dòng)電路原理圖詳見圖9。
 
分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案
圖9
 
PT100采用4線制,兩線用于信號(hào)采集,兩線用于激勵(lì)源通電流,這樣無論信號(hào)線多長,都可以消除線電阻對(duì)信號(hào)檢測(cè)的影響。流經(jīng)RTD的電流也會(huì)流過精密基準(zhǔn)電阻,產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。此精密基準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的電壓與RTD 上的電壓成比例,因此,激勵(lì)電流的波動(dòng)會(huì)被消除。
 
3、光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
 
光電轉(zhuǎn)換電路一般采用光電二極管(PD) + 運(yùn)放 + 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)方案(如圖10)。由PD采集反射光,由運(yùn)放流壓轉(zhuǎn)換并放大信號(hào),然后ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)給MCU。由于PD工作于光伏模式,因此負(fù)責(zé)流壓轉(zhuǎn)換的運(yùn)放需要超低偏置電流;為了提高分辨率,ADC需要盡量高的處理位數(shù)。
 
 分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案
圖10
 
考慮使用多個(gè)高性能分立器件硬件成本過高,在性能達(dá)標(biāo)的條件下可以盡量選擇集成度高的器件。ADI旗下有一款產(chǎn)品(型號(hào):ADPD2211),自帶24倍電流放大器使之擁有超高的靈敏度,省去了外置運(yùn)放;極好的脈沖響應(yīng)(典型帶寬達(dá)400KHz);超低電流噪聲(90fA/√Hz)。其內(nèi)部功能框圖如圖5。在輸出端加上采樣電阻到地,即可實(shí)現(xiàn)流壓轉(zhuǎn)換,省去眾多的外圍電路。其功能框圖如圖11。
 
 分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案
圖11
 
4、MCU選型
 
市面上MCU以內(nèi)核區(qū)分主要是51內(nèi)核和ARM內(nèi)核,還有部分是個(gè)某些廠家自研的內(nèi)核。當(dāng)選擇同一內(nèi)核的MCU時(shí),各大廠家的產(chǎn)品卻都大同小異,而ADI公司擁有高精度ADC與高性能MCU完美結(jié)合的產(chǎn)品(型號(hào):ADuCM361)其內(nèi)部資源框圖如圖12,結(jié)合如此高性能模擬部分的MCU在市面上少有。
 
 分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案
圖12
 
ADuCM361內(nèi)置32 位ARM Cortex-M3® 處理器,常見的外設(shè)如UART、SPI、IIC、Timer、DMA、DAC、Watchdog都有集成,非常方便使用;自帶一個(gè)片內(nèi)32 kHz 振蕩器和一個(gè)內(nèi)部16 MHz高頻振蕩器使硬件設(shè)計(jì)可以省去外部晶振電路;最令人刮目相看的是它集成了4 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),可在全差分和單端模式下工作,ADC模塊集成硬件濾波器,可以選擇配置高速濾波器來進(jìn)行步進(jìn)變化檢測(cè),也可選擇低速濾波器用于精密測(cè)量;內(nèi)置一個(gè)低噪聲、低漂移帶隙基準(zhǔn)電壓源,也可選擇外部基準(zhǔn)電壓源;附帶的可編程激勵(lì)電流源,可以應(yīng)用于許多電流驅(qū)動(dòng)型的傳感器。
 
ADuCM361集成的模擬部分功能正好與AD7124-4功能相似,方案本身就需要MCU 作為信號(hào)處理模塊,若選擇ADuCM361,則可以省去AD7124-4,ADuCM361擁有的多通道ADC模塊完全可以滿足光電數(shù)據(jù)采集、溫度傳感器驅(qū)動(dòng),DAC控制光源恒流源并可以微調(diào)電流,SPI控制數(shù)字電位器來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)加熱器電流達(dá)到恒溫目的。
 
 
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