可编程增益跨阻放大器的双通道色度计

它表示增益误差。 但是，由于其中一个ADG633位于反馈环路之外，该级的输出阻抗即为ADG633的导通电阻（通常52 Ω），而非闭环工作时与运算放大器输出有关的极低输出阻抗。ADG633漏电流（典型值5 pA）引起的误差可忽略不计。

　　哪怕诸如ADA4528-1这类最好的轨到轨输出放大器，其输出都无法完全摆动至供电轨。 此外，ADA4528-1上的输入失调电压可以为负，虽然其数值非常小。 运算放大器ADA4805-1不是通过一个负电源来保证放大器绝不削波，并且保证它能驱动至0.0 V，而是提供一个100 mV缓冲电压来偏置光电二极管阳极和ADA4528-1。ADA4805-1非常适合用作基准电压缓冲器，因为当驱动去耦用大容性负载时，它能保持单位增益稳定性。 另外还使用第二个ADA4805-1来缓冲用以设置LED电流的数字电位计AD5201输出。

　　图3. 可编程增益跨阻放大器

　　光电二极管放大器输出电压可在0.1 V至5.0 V范围内摆动。对于33 kΩ范围而言，4.9 V输出范围对应148.5 μA的满量程光电二极管电流。 对于1 MΩ范围，其对应4.9 μA的满量程光电二极管电流。 使用1 MΩ的增益设置工作时，务必保护光电二极管不受外界光线影响，以防放大器饱和。 虽然下文所述的同步检波方案能够有力地衰减任何不与LED时钟同步的频率，但若ADC返回饱和数据，检波方案将无法正常工作。

　　各通道的增益设置可通过FPGA板独立选择。

　　ADC采样速率和调制频率选择

　　AD7175-2 ADC配置有sinc5+sinc1滤波器，输出数据速率为250 kSPS，可采样单周期建立对两个通道采样。这种配置使得各通道的有效采样速率为25 kSPS（各通道每隔40 μs输出数据）。 任何高于12.5 kHz的频率（例如方波调制的奇数谐波）都会混叠回到ADC通带中，只要其不是刚好位于调制频率之上，同步解调级就会抑制这些频率。 为了防止调制波形的混叠频率折回到基频，应根据以下关系选择调制频率：

　　其中：

　　FMODULATION为调制频率。

　　FSAMPLE为ADC有效输出数据速率。

　　n为整数（对应于调制频率的谐波）。

　　例如在本系统中，有效输出数据速率为25 kSPS，因此，如果需要1 kHz左右的调制频率，该频率必须是1020 Hz （n = 12）或943 Hz （n = 13）以避免混叠问题。 采样这种方法选择调制频率，前端即无需使用陡峭的抗混叠滤波器。

　　数字同步检波

　　本电路不是在硬件中实现同步检波，而是获得时间采样数据并利用FPGA实现数字同步检波。 图4是FPGA中实现的数字同步检波模块的示意图。 FPGA产生交流激励信号驱动LED，以数字方式产生的正弦波在数字锁相环中锁定该信号。 输入信号与数字正弦波和90°相移版本相乘，产生两个低频解调信号，其分别与输入信号在调制频率的同相和正交分量成正比。 如图4所示，幅度为这两个分量的平方和之根。 有关该解调技术的更多信息，请参阅"了解详情"部分。

　　图4. 包括FPGA同步检波器的系统框图

　　电源

　　EVAL-CN0363-PMDZ板由外部6 V至12 V直流电源供电。

　　电路的模拟部分由来自低压差稳压器ADP7102的AVDD = 5 V供电。 电路的数字部分由低压差稳压器ADP1720产生的IOVDD = 3.3 V供电。 或者，IOVDD也可以通过链路选项由PMOD连接器VCC提供。

　　2.5 V基准电压由AD7175-2 ADC的内部2.5 V基准源提供。

　　电路性能测量

　　为了验证系统的噪声性能，应在禁用所有LED的情况下获取数据。 同步检波器依然工作在LED时钟频率，但不会检测到任何与该时钟同步的光信号，因此，它会消除所有直流和交流信号。 表1所示为无噪声位性能。

　　表1. 无噪声位性能1

　　1 采样速率 = 25 kSPS，激励频率 = 1020 Hz，输出滤波器带宽 = 100 Hz。

　　常见变化

　　改变光电二极管放大器上反馈电阻的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，以保持带宽不变，并保证放大器的稳定性。

　　对于极低水平光照测量系统而言，同步检波器的输出低通滤波器的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。 增加光反馈网络来控制LED光输出可降低其随温度的变化，使精确的单端测量成为可能。

　　可以不使用方波来调制LED，而用FPGA中的DDS或PWM来产生正弦波调制。 正弦波调制可减少信号的谐波成分，使滤波更简单，并降低噪声。

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