分光測色儀硬件設計方案
發布時間:2021-03-03 責任編輯:lina
【導讀】這個實戰案例主要是設計一個分光測色儀的硬件係統,該係統主要由光源、光接收器、信號處理器等組成,基本功能框圖如圖1。光源燈采用小功率單波長LED,對於LED發光的穩定性主要因素是電流和環境溫度。故硬件方案中需要設計恒流源電路和恒溫控製電路。
醫學診斷市場持續高速增長,自疫情以來,這塊市場更備受關注。技術型分銷商Excelpointshijiangongsi,shengengyixuezhenduanchanpinduonian,benciwomentongguoshijiangongsiyaoqinglelaizizhuanyeyixuezhenduanchanpinqiyedegongchengshichugonggendajiafenxiangshizhananli。gaigongsishiyijiazhuanyecongshiyixuezhenduanchanpinyanfa、生產、銷售及服務的國家高新技術企業,主要產業為體外診斷試劑、儀器及獨立第三方醫學診斷服務。產品線涵蓋生化、發光、血球、尿液、質譜、分子診斷、血脂亞組分檢測VAP和POCT等。而儲工有著豐富的設計與實戰經驗.
這個實戰案例主要是設計一個分光測色儀的硬件係統,該係統主要由光源、光接收器、信號處理器等組成,基本功能框圖如圖1。光源燈采用小功率單波長LED,對於LED發光的穩定性主要因素是電流和環境溫度。故硬件方案中需要設計恒流源電路和恒溫控製電路。

圖1
1、恒流源電路方案設計
對於小功率的恒流源設計,最常用的就是運放 + 場管方案。電路如圖2所示,該方案由分立元件組成,運放、三極管、電阻的電氣參數一致性及溫漂會極大的影響恒流源的精度,影響因素較多難以控製。
圖2
ADI公司旗下有一款產品(型號:LT3092)單芯片集成了多個元件,使器件一致性和溫漂更容易控製,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;超寬的輸入電壓範圍及低壓差工作電壓(1.2V~40V)使得電源電壓設計更具兼容性;內部更有高精度微恒流源(10uA),結合精密電阻可組成高精度的參考電壓源。內部原理圖如圖3。
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。若想實時調節電流,RSET可選用數字電位器(如ADI公司產品AD5610),用MCU來控製。LT3092的SET引腳還可以直接連接DAC,用MCU直接控製更是一種方便簡單又省成本的方案,如圖4。
由於分光測色儀用到多個不同波長的LED,可以讓每個LED配上一個恒流源,當然更好的方案是隻用一個恒流源然後用模擬開關切換通道,這樣更省成本。ADI公司有一款產品(型號ADG452)單芯片集成4通道模擬開關。較低的導通電阻(4Ω);每通道100mA的工作電流;快速的開關頻率(tON = 70ns,tOFF = 60ns)。電氣性能完全滿足設計需求,方案電路實現如圖5。
圖5
2、恒溫控製電路方案設計
恒溫控製電路由加熱器 + 溫度傳感器 + 溫度保護器 + 控製器構成,如圖6。溫度開關用於加熱失控時的過溫保護,MCU接受來自溫度傳感器的反饋,利用PID算法去控製驅動器調節加熱器的功率輸出,達到恒溫控製的目的。

圖6
加熱器可以是恒壓驅動,用場管作為開關,MCU用PWM方式控製調節。但由於PWMfangshikongzhipinlvjiaogaoqiexinhaocunzaitubian,huiduidianluxitongzaochengjiaodadezaoshengganrao,jineryingxiangyongyujingmiceliangdemonidianlu。lingyizhongfanganshicaiyonghengliuqudongjiareqi,jiejianshangshuLED恒流源電路方案,選擇輸出電流更大的恒流源芯片(如ADI公司產品LT3085),輸出電流達500mA,其他參數、功能與LT3092類似,功能框圖如圖7。

圖7
配上數字電位器,MCU可以實時調節電流變化,以控製加熱器的功率輸出。並且恒流方式調節頻率低、過程平緩不會引起電壓信號的突變。部分電路原理圖如圖8。

圖8
加熱功率計算: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。對於PT100的驅動電路,需要設計恒流源,信號放大電路,再加上模數轉換器,模擬器件分立且數量較多,硬件成本較高,對於PCB麵積受限的應用也不好布局,因此可以選擇集成度高的器件如ADI公司產品(型號:AD7124-4),集成程控放大器(增益編程範圍為1~128),可以直接連接小信號傳感器而無需放大電路;內置激勵電流源(設置範圍50 μA~1 mA),正好方便給溫度傳感器供電;高達19 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數轉換器,足夠以高分辨率采集溫度數據。應用AD7124-4設計的PT100驅動電路原理圖詳見圖9。

圖9
PT100采用4線製,兩線用於信號采集,兩線用於激勵源通電流,這樣無論信號線多長,都可以消除線電阻對信號檢測的影響。流經RTD的電流也會流過精密基準電阻,產生基準電壓。此精密基準電阻上產生的電壓與RTD 上的電壓成比例,因此,激勵電流的波動會被消除。
3、光電轉換電路設計
光電轉換電路一般采用光電二極管(PD) + 運放 + 模數轉換器(ADC)方案(如圖10)。由PD采集反射光,由運放流壓轉換並放大信號,然後ADC轉換為數字信號給MCU。由於PD工作於光伏模式,因此負責流壓轉換的運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。

圖10
考慮使用多個高性能分立器件硬件成本過高,在性能達標的條件下可以盡量選擇集成度高的器件。ADI旗下有一款產品(型號:ADPD2211),自帶24倍電流放大器使之擁有超高的靈敏度,省去了外置運放;極好的脈衝響應(典型帶寬達400KHz);超低電流噪聲(90fA/√Hz)。其內部功能框圖如圖5。在輸出端加上采樣電阻到地,即可實現流壓轉換,省去眾多的外圍電路。其功能框圖如圖11。

圖11
4、MCU選型
市麵上MCU以內核區分主要是51內核和ARM內核,還有部分是個某些廠家自研的內核。當選擇同一內核的MCU時,各大廠家的產品卻都大同小異,而ADI公司擁有高精度ADC與高性能MCU完美結合的產品(型號:ADuCM361)其內部資源框圖如圖12,結合如此高性能模擬部分的MCU在市麵上少有。

圖12
ADuCM361內置32 位ARM Cortex-M3® 處理器,常見的外設如UART、SPI、IIC、Timer、DMA、DAC、Watchdog都有集成,非常方便使用;自帶一個片內32 kHz 振蕩器和一個內部16 MHz高頻振蕩器使硬件設計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型模數轉換器(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行步進變化檢測,也可選擇低速濾波器用於精密測量;內置一個低噪聲、低漂移帶隙基準電壓源,也可選擇外部基準電壓源;附帶的可編程激勵電流源,可以應用於許多電流驅動型的傳感器。
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據采集、溫度傳感器驅動,DAC控製光源恒流源並可以微調電流,SPI控製數字電位器來動態調節加熱器電流達到恒溫目的。
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