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Excelpoint世(shi)健(jian)公(gong)司(si)，深(shen)耕(geng)醫(yi)學(xue)診(zhen)斷(duan)產(chan)品(pin)多(duo)年(nian)，本(ben)次(ci)我(wo)們(men)通(tong)過(guo)世(shi)健(jian)公(gong)司(si)邀(yao)請(qing)了(le)來(lai)自(zi)專(zhuan)業(ye)醫(yi)學(xue)診(zhen)斷(duan)產(chan)品(pin)企(qi)業(ye)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)儲(chu)工(gong)跟(gen)大(da)家(jia)分(fen)享(xiang)實(shi)戰(zhan)案(an)例(li)。該(gai)公(gong)司(si)是(shi)一(yi)家(jia)專(zhuan)業(ye)從(cong)事(shi)醫(yi)學(xue)診(zhen)斷(duan)產(chan)品(pin)研(yan)發(fa)、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PWM方(fang)式(shi)控(kong)製(zhi)頻(pin)率(lv)較(jiao)高(gao)且(qie)信(xin)號(hao)存(cun)在(zai)突(tu)變(bian)，會(hui)對(dui)電(dian)路(lu)係(xi)統(tong)造(zao)成(cheng)較(jiao)大(da)的(de)噪(zao)聲(sheng)幹(gan)擾(rao)，進(jin)而(er)影(ying)響(xiang)用(yong)於(yu)精(jing)密(mi)測(ce)量(liang)的(de)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)。另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)案(an)是(shi)采(cai)用(yong)恒(heng)流(liu)驅(qu)動(dong)加(jia)熱(re)器(qi)，借(jie)鑒(jian)上(shang)述(shu)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。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請電話或者郵箱聯係小編進行侵刪。
特別推薦
- 噪聲中提取真值！瑞盟科技推出MSA2240電流檢測芯片賦能多元高端測量場景
- 10MHz高頻運行！氮矽科技發布集成驅動GaN芯片，助力電源能效再攀新高
- 失真度僅0.002%！力芯微推出超低內阻、超低失真4PST模擬開關
- 一“芯”雙電！聖邦微電子發布雙輸出電源芯片，簡化AFE與音頻設計
- 一機適配萬端：金升陽推出1200W可編程電源，賦能高端裝備製造
技術文章更多>>
- 1200餘家企業齊聚深圳，CITE2026打造電子信息產業創新盛宴
- 掌握 Gemini 3.1 Pro 參數調優的藝術
- 築牢安全防線：電池擠壓試驗機如何為新能源產業護航？
- Grok 4.1 API 實戰：構建 X 平台實時輿情監控 Agent
- 電源芯片國產化新選擇：MUN3CAD03-SF助力物聯網終端“芯”升級
技術白皮書下載更多>>
- 車規與基於V2X的車輛協同主動避撞技術展望
- 數字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰
- 汽車模塊拋負載的解決方案
- 車用連接器的安全創新應用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
MHL
Micrel
Microchip
Micron
Mic連接器
Mi-Fi
MIPS
MLCC
MMC連接器
MOSFET
Mouser
Murata
NAND
NFC
NFC芯片
NOR
ntc熱敏電阻
OGS
OLED
OLED麵板
OmniVision
Omron
OnSemi
PI
PLC
Premier Farnell
Recom
RF
RF/微波IC
RFID
