带可编程增益跨阻放大器和同步检波器的双通道色度计
4525的输出还将该电路偏置到2.5 V;因此,该级的输出信号摆幅标称值范围为1.25 V至3.75 V。
紧随交流耦合滤波器之后的电路为同步整流器电路,采用 AD8271 差动放大器和 ADG733 三路SPDT开关组成。 ADG733 内部开关与 AD8271的内部10 kΩ增益设置电阻串联;因此, ADG733 的4.5 Ω最大导通电阻造成的增益误差仅为0.05%,并且温度漂移低于1 ppm/°C。
系统的其余部分使用 ADG633开关,因为它们具有极低的泄漏电流和较低的寄生电容。
当驱动LED的时钟处于高电平状态时, ADG733 内的开关将根据如下简单传递函数配置 AD8271
VO = VIN
其中:
VO为同步检波器的输出。
VIN为同步检波器的输入,范围为2.5 V至3.75 V。
在该配置下,同步整流器用作单位增益放大器。
当驱动LED的时钟处于低电平状态时, ADG733 内的开关将根据如下传递函数配置 AD8271
VO = 2VREF − VIN
其中:
VREF为 ADR4525的2.5 V输出。
VIN范围为1.25 V至2.5 V。
这种情况下,当输入为1.25 V时(交流耦合级可输出的最小电压),同步整流器的输出为3.75 V;而当输入为2.5 V时(交流耦合级的中间电平),同步整流器的输出为2.5 V。在这种配置下,同步整流器的增益为−1,并且在+2.5 V基准电压附近偏置。
图4. 每步的系统框图和时域波形
图4为系统框图,并标出了每级的电压范围。同步整流电路处理后的结果为可变直流电压,变动范围为2.5 V(没有光线到达光电二极管)至3.75 V(满量程光输入)。该输出电压对应1.25 V的满量程输出摆幅。
该电路过滤频率不与LED时钟同步的信号(或奇次谐波,因为时钟波形为方波)。在频域中, AD8271输出端的低通滤波器看上去像一个LED时钟频率附近的带通滤波器。该滤波器的带宽越低,同步整流器就越能抑制带外噪声。出于噪声抑制和建立时间的权衡考虑,该滤波器的截止频率设为16 Hz。必须说明,该滤波器带宽约等于LED时钟。例如,若LED调制为5 kHz,则同步检波器的3 dB通带范围为 4.984 kHz至5.016 kHz。
系统最终级为低噪声、16位、Σ-Δ型ADC AD7798 。该ADC 集成内置的可编程增益放大器(PGA),具有差分输入。将 2.5 V基准电压源与AIN引脚相连,并将PGA增益设为2以便允许它把同步整流器的2.5 V至3.75 V输出映射为满量程16位输出。此外, AD7798的输出滤波器还提供50 Hz和60 Hz下的最低65 dB抑制,进一步衰减同步检波器的所有噪声。
为了验证前端电路不会对系统产生过大的噪声,数据在 LED禁用时采集。同步检波器依然工作在LED时钟频率下,但不会检测到任何与该时钟同步的光信号。因此,它可移除除了 AD8271 和ADC产生的误差之外的所有直流和交流信号。图5显示该配置下的噪声,它针对单个通道的数值低于1 LSB(ADC输入在两个代码之间置中),针对另一个通道为1 LSB峰峰值(ADC输入在两个相邻代码之间位于过渡区域)。此外,需注意测量电压为负,数值为几个mV,这是符合 AD8271典型失调误差分布的预期性能。
图5. LED源禁用时的ADC电压
常见变化
改变光电二极管放大器上反馈电阻的数值即可改变放大器增益。这是一种自定义电路的简单方法,可用于不同光照水平的特定应用。然而,补偿电容也必须改变,以保持带宽,保证放大器的稳定性。
对于极低水平光照测量系统而言,同步检波器的低通滤波器其截止频率可设为低得多的频率值,以便具有最佳性能,但代价是测量周期较长。
由于LED的光输出随温度变化而改变,系统以样本和参考通道的比例进行测量。光电二极管的增益容差最大值为 ±11%;因此,由于LED输出随时间和温度的变化而改变,比例的变动在一定程度上存在漂移。加入光学反馈环路控制幅度后,LED可大幅降低光随温度变化而改变的程度,甚至使单通道精确测量成为可能。图7表示典型200个样本采集期间的参考通道与样本通道读数之比。
图6. 校准后的比例读数(开启红色LED,样本和参考容器中有蒸馏水)
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