How to Convert Light Intensity Into an Electrical Quantity

如何將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為一個(gè)電學(xué)量

作者：Thomas Brand ADI公司

問(wèn)題：

如何測(cè)量不同光源的光強(qiáng)度？

回答：

拿一只紅光、綠光、藍(lán)光LED。

光強(qiáng)度的確定可能至關(guān)重要，例如，在設(shè)計(jì)房間的照明或準(zhǔn)備拍攝照片時(shí)。在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時(shí)代，確定光強(qiáng)度對(duì)于所謂智能農(nóng)業(yè)也有著重要作用。在這種情況下，一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)是監(jiān)測(cè)和控制重要的植物參數(shù)，以促進(jìn)植物最好地生長(zhǎng)并加速光合作用。因此，光是最重要的因素之一。大多數(shù)植物通常吸收可見(jiàn)光譜中紅光、橙光、藍(lán)光和紫光波長(zhǎng)的光。光譜中綠光和黃光波長(zhǎng)的光一般會(huì)被反射，對(duì)植物生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)不大。通過(guò)控制不同生長(zhǎng)階段中的部分光譜和光照射強(qiáng)度，可以使生長(zhǎng)最大化，最終提高產(chǎn)量。

圖1顯示了一個(gè)用于測(cè)量可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的光強(qiáng)度的電路設(shè)計(jì)，用于植物光合作用的實(shí)驗(yàn)。這里使用了三種不同顏色的光電二極管（綠光、紅光和藍(lán)光），它們響應(yīng)不同的波長(zhǎng)。通過(guò)光電二極管測(cè)量的光強(qiáng)度現(xiàn)在可以用來(lái)根據(jù)具體植物的要求控制光源。

所示電路由三個(gè)精密的電流-電壓轉(zhuǎn)換器（跨導(dǎo)放大器）組成，每種顏色（綠光、紅光和藍(lán)光）對(duì)應(yīng)一個(gè)。電流-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出連接到Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的差分輸入，從而將測(cè)量值作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提供給微控制器以做進(jìn)一步處理。

光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流

根據(jù)光強(qiáng)度，會(huì)有或多或少的電流流過(guò)光電二極管。電流和光強(qiáng)度之間的關(guān)系近似為線性，如圖2所示。圖中顯示了紅光(CLS15-22C/L213R/TR8)、綠光(CLS15-22C/L213G/TR8)和藍(lán)光(CLS15-22C/L213B/TR8)光電二極管的輸出電流與光強(qiáng)度的特性曲線。

圖1.用于測(cè)量光強(qiáng)度的電路設(shè)計(jì)

圖2.紅光、綠光和藍(lán)光光電二極管的電流與光強(qiáng)度的特性曲線

然而，紅光、綠光和藍(lán)光二極管的相對(duì)靈敏度是不同的，因此每級(jí)的增益必須通過(guò)反饋電阻R_FB單獨(dú)確定。為此，必須從數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲取每個(gè)二極管的短路電流(I_SC)，然后在由其確定的工作點(diǎn)處獲得靈敏度S (pA/lux)。R_FB計(jì)算如下：

V_FS,P-P表示所需的全輸出電壓范圍（滿量程、峰峰值）；INT_MAX表示最大光強(qiáng)度，對(duì)于直射陽(yáng)光，其為120,000 lux。

電流-電壓轉(zhuǎn)換

高質(zhì)量的電流-電壓轉(zhuǎn)換要求運(yùn)算放大器的偏置電流盡可能小，因?yàn)楣怆姸O管的輸出電流在皮安范圍，偏置電流較大會(huì)造成相當(dāng)大的誤差。失調(diào)電壓也應(yīng)很小。ADI公司的AD8500是此類應(yīng)用的理想選擇，其偏置電流典型值為1 pA，失調(diào)電壓最大值為1 mV。

模數(shù)轉(zhuǎn)換

為了進(jìn)一步處理測(cè)量值，光電二極管電流轉(zhuǎn)換成電壓后必須作為數(shù)字值提供給微控制器。為此可以使用具有多個(gè)差分輸入的ADC，例如16位ADC AD7798。因此，測(cè)量電壓的輸出碼如下：

此方程不對(duì)，應(yīng)改為：

數(shù)字碼

GAIN

其中

A_IN = 輸入電壓，

N = 位數(shù)，

GAIN = 內(nèi)部放大器的增益系數(shù)，

V_REF = 外部基準(zhǔn)電壓。

為了進(jìn)一步降低噪聲，ADC的每個(gè)差分輸入端均使用共模和差分濾波器。

所述的全部元器件都非常省電，使得該電路非常適合電池供電的便攜式現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

結(jié)論

必須考慮諸如器件的偏置電流和失調(diào)電壓之類的誤差源。而且，ADC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的放大因子會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量（跨導(dǎo)放大器的失調(diào)電壓會(huì)乘以ADC內(nèi)部的增益，使失調(diào)電壓的誤差放大），從而影響最終的采樣結(jié)果。采用圖1所示電路可以相對(duì)輕松地將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電學(xué)值，以供進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。

Thomas Brand

Thomas Brand [thomas.brand@analog.com]于2015年在德國(guó)慕尼黑加入ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年，他成為一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國(guó)莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國(guó)康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國(guó)際銷售碩士學(xué)位。