双通道色度计完整设计方案，带可编程增益跨阻放大器和数字同步检波功能之二 直流电源, 放大器, 稳压器, 检波器, 连接器

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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。

电路评估与测试

EVAL-CN0363-PMDZ板的完整文档，包括原理图、布局图、Gerber文件和物料清单，可在CN-0363设计支持包中找到，网址：www.analog.com/CN0363-DesignSupport.

CN-0363评估软件与FPGA开发板通信，以从EVAL-CN0363-PMDZ电路板捕捉数据并进行分析。

设备要求

。EVAL-CN0363-PMDZ电路评估板

。6 V至12 V、500 mA直流电源或壁式电源适配器

。FPGA开发板（如ZedBoard）和12 V电源

。8 GB SD卡，随同EVAL-CN0363-PMDZ提供

。USB键盘和鼠标组合

。HDMI监视器（仅HD）

。CN-0363评估软件（参见CN-0363用户指南）

。蒸馏水和测试液体样本

开始使用

有关评估硬件和软件的操作详情，请参阅CN-0363用户指南。

HDL软件和驱动在软件链接中提供，支持各种FPGA开发板，例如Avnet ZedBoard.

开发平台需要一个SD开，其已随同CN-0363硬件提供。SD卡已经过适当分区，但必须用最新镜像予以更新。程序参见CN-0363用户指南。

功能框图

图5所示为测试设置的功能框图。


图5.评估系统功能框图

设置

按照如下方式设置系统：

1.用PMOD电缆连接EVAL-CN0363- PMDZ和ZedBoard，并将一个6 V至12 V直流电源连接到J2电源连接器。此时不要接通电源。

2.将USB键盘/鼠标、HDMI监视器和电源连接到ZedBoard.此时不要接通电源。

测试

按照如下方式初始化系统：

1.接通EVAL-CN0363-PMDZ板的电源。

2.接通ZedBoard的电源。

3.让系统开始引导。

4.若需要，输入CN-0363用户指南所述的适当键盘命令。

校准

系统需进行一次初始校准，以便补偿波束分离器与光电二极管之间的对齐误差，以及补偿光电二极管的所有响应失配。若要校准系统，以蒸馏水填充两个容器，然后插入PCB的方孔中。在校准过程中，建议将光电二极管屏蔽起来，防止环境光线照射。

在软件中启动自动校准程序：从Menu（菜单）栏打开Calibration（校准）对话框，然后单击Calibrate（校准）。完成全部校准程序需要几秒钟时间，进度条会指示当前步骤。校准完成时，校准值会更新。校准会消除零点失调，并设置各通道的正确增益。校准数据还包括一个乘法系数K，其表示满量程激励下参考通道值和样本通道值的相对关系。

针对每种LED颜色，软件都会计算系数K，因此有：


其中，K表示经计算得出的校准常数。

完成校准后，软件在后续测量中均使用这些校准常数。

在光谱技术上，吸光度定义为到达被测介质的光与通过介质传递的光的对数之比。根据比尔-朗伯特定律，通过介质传递的光量随通道长度和浓度的增加而以指数规律递减。通过将吸光度定义为对数，可使得它与介质的浓度直接成比例（假设通道长度不变）。


无需使用有害化学物质即可验证该理论的简单方法，是测量食用色素的染料浓度。图6显示采用EVAL-CN0363-PMDZ进行测量时，黄色5号染料不同浓度的实验结果。


图6. 465 nm（主波长）光下黄色5号染料的吸光度直线


黄色溶液可强烈吸收蓝光；因此，测量采用蓝光（465 nm主波长）LED作为光源。x轴表示体积浓度（每毫升水中染料的毫升数，因此x轴没有单位），y轴表示吸光度。根据比尔-朗伯特定律的预测，吸光度随浓度呈线性变化。

分析样本

单击Automated Data Collection（自动收集数据）选项卡中的Analyze Sample（分析样本）按钮（参见图7）以自动分析样本，循环处理所有三种颜色，并计算每种颜色的吸光度。完成分析需要几秒钟时间，进度条会更新以指示当前步骤。分析完成时会显示吸光度值。然后便可将该样本与样本库中的现有样本进行比对，或将其保存到样本库中供将来使用。


图7. Automated Data Collection（自动收集数据）选项卡视图

电流/吸光度测量和手动设置

通过Current/Absorbance Measurement（电流/吸光度测量）选项卡，用户可以直接手动控制LED和增益，以及查看原始数据（参见图8）。下列参数可供设置：Excitation Frequency（激励频率）、Excitation Current（激励电流）、LED（红光、绿光或蓝光）、Reference Channel Gain（参考通道增益）和Sample Channel Gain（样本通道增益）。

更改这些值后，运行自动校准程序可以恢复初始默认值。


图8. Current/Absorbance Measurement（电流/吸光度测量）选项卡视图

样本库

利用Sample Library（样本库）选项卡（参见图9），用户可以管理和比较以前保存的样本数据。左侧是所有样本的列表。右侧是当前所选样本的吸光度值。

按住CTRL键可以选择多个样本。利用此功能可以直接比较多个样本的吸光度。选择样本，然后单击Remove（删除），可以将样本从库中删除。从库中删除的样本无法恢复。

EVAL-CN0363-PMDZ板的照片如图10所示。


图9. Sample Library（样本库）选项卡视图

图10. EVAL-CN0363-PMDZ照片