2-Kanal-Colorimeter mit Transimpedanz-PGAs und synchronen Detektoren

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Synchrone Gleichrichterschaltung mit DC-Spannung von 2,5 bis 3,75 V

Bild 4 zeigt eine Blockschaltung des Systems mit dem Spannungsbereich auf jeder Stufe. Das Ergebnis der synchronen Gleichrichterschaltung ist eine DC-Spannung, die von 2,5 V (wenn kein Licht an der Fotodiode ankommt) bis 3,75 V (volles Licht) variiert. Diese Ausgangsspannung korrespondiert mit einem Ausgangsausschlag von 1,25 V (Vollausschlag).

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Die Schaltung filtert Signale mit Frequenzen heraus, die nicht synchron zum LED-Takt sind (oder seiner ungeraden Harmonischen, da das Taktsignal rechteckförmig ist). Im Frequenzbereich sieht der Tiefpassfilter am Ausgang des AD8271 wie ein Bandpassfilter um die LED-Taktfrequenz aus. Je niedriger die Bandbreite dieses Filters ist, desto mehr unterdrückt der synchrone Gleichrichter das Außenbandrauschen.

Die Grenzfrequenz dieses Filters ist auf 16 Hz eingestellt. Dies ist ein Kompromiss zwischen Rauschunterdrückung und Einschwingzeit. Es ist wichtig zu beachten, dass die Bandbreite dieses Filters um den LED-Takt liegt. Falls zum Beispiel die LED mit 5 kHz moduliert wird, liegt der 3-dB-Durchlassbereich des synchronen Detektors zwischen 4,984 und 5,016 kHz.

Die letzte Stufe des Systems bildet der rauscharme 16-Bit-Sigma/Delts-ADC AD7798. Dieser A/D-Wandler hat einen internen programmierbaren Verstärker (PGA) mit einem differenziellen Eingang. Indem man die 2,5-V-Referenzspannung an den AIN−Anschluss anschließt und die Verstärkung des PGA auf ×2 einstellt, lässt sich der 2,5- bis 3,75-V-Ausgang des synchronen Gleichrichters auf einen Vollausschlag am Ausgang mit 16 Bit abbilden. Zusätzlich bietet der Ausgangsfilter des AD7798 Unterdrückung von minimal 65 dB bei 50 und 60 Hz. Dies dämpft jegliches Rauschen des synchronen Detektors.

Um zu überprüfen, dass die Eingangsstufe kein wesentliches Rauschen in das System bringt, wurden die Daten mit abgeschalteten LEDs erfasst. Der synchrone Detektor arbeitet weiterhin mit der LED-Taktfrequenz; allerdings wird kein Licht, das synchron zu diesem Takt ist, detektiert. Daher werden alle DC- und AC-Signale mit Ausnahme der Fehler vom AD8271 und dem A/D-Wandler entfernt.

Bild 5 zeigt das Rauschen in dieser Konfiguration. Es beträgt weniger als 1 LSB für einen der Kanäle (ADC-Eingang zentriert zwischen zwei Codes) und 1 LSB Spitze/Spitze für den anderen Kanal (ADC-Eingang im Übergangsbereich zwischen benachbarten Codes). Zusätzlich ist zu beachten, dass die gemessenen Spannungen mit wenigen Mikrovolt im negativen Bereich liegen. Dies entspricht dem erwarteten Verhalten, beschrieben in der typischen Verteilung des Offsetfehlers des AD8271.

Häufige Varianten

Indem man die Werte der Rückkopplungswiderstände an den Fotodiodenverstärkern ändert, ändert man die Verstärkungsfaktoren der Verstärker. Dies ist eine einfache Möglichkeit, die Schaltung an eine bestimmte Applikation mit unterschiedlichen Lichtintensitäten anzupassen. Allerdings muss auch der Kompensationskondensator geändert werden, um die gleiche Bandbreite beizubehalten und zu garantieren, dass der Verstärker stabil arbeitet.

Für Systeme, die extrem kleine Lichtmengen messen sollen, kann die Grenzfrequenz des ausgangsseitigen Tiefpassfilters am synchronen Detektor auf eine wesentlich niedrigere Frequenz eingestellt werden. So lässt sich die höchste Leistungsfähigkeit zu Lasten langer Messzyklen erreichen.

Da sich die Lichtmenge der LEDs mit der Temperatur ändert, macht das System Messungen als Verhältnis aus Mess- und Referenzkanälen. Die Fotodioden haben eine Verstärkungstoleranz von bis zu ±11%; deshalb driften selbst ratiometrische Variationen, da sich der LED-Ausgang über die Zeit und mit der Temperatur ändert.

Mit einer zusätzlichen optischen Rückkopplungsschleife zur Steuerung der Amplitude reduzieren sich die Lichtänderungen der LEDs infolge von Temperaturänderungen erheblich. Dies kann es sogar ermöglichen, genaue einkanalige Messungen durchzuführen. Bild 7 zeigt das Verhältnis von Messungen vom Referenzkanal zum Messkanal während eines typischen Zeitfensters für 200 Messungen.

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