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(hù)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。 跨阻放大器利用單刀雙擲（SPDT）開(kāi)關(guān)ADG633選擇兩個(gè)跨阻增益中的一個(gè)。AD7175-2 Σ-Δ ADC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(hù)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(lèi)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（2.5 μV），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：

　　而不是

　　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52 Ω），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(lèi)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)148.5 μA的滿量程光電二極管電流。 對(duì)于1 MΩ范圍，其對(duì)應(yīng)4.9 μA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40 μs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。