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

| Autor: Kristin Rinortner

Es geht um ein zweikanaliges Colorimeter mit einem Transmitter für eine modulierte Lichtquelle und einem synchronen Detektor als Empfänger. Indem man die modulierte Quelle und den synchronen Detektor nutzt, werden Messfehler aufgrund von Umgebungslicht und niederfrequentem Rauschen eliminiert.

Bild 1: Zweikanaliges Colorimeter mit Transimpedanzverstärker und synchronen Detektoren (vereinfachtes Schaltbild) (Bild: Analog Devices)
Bild 1: Zweikanaliges Colorimeter mit Transimpedanzverstärker und synchronen Detektoren (vereinfachtes Schaltbild) (Bild: Analog Devices)
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis )

 

 

 

 Bild 1: Zweikanaliges Colorimeter mit Transimpedanzverstärker und synchronen Detektoren (vereinfachtes Schaltbild) Bild 1: Zweikanaliges Colorimeter mit Transimpedanzverstärker und synchronen Detektoren (vereinfachtes Schaltbild)

In diesem Tipp beschreiben wir ein zweikanaliges Colorimeter mit einem Transmitter für eine modulierte Lichtquelle und einem synchronen Detektor als Empfänger. Indem man die modulierte Quelle und den synchronen Detektor nutzt, werden Messfehler aufgrund von Umgebungslicht und niederfrequentem Rauschen eliminiert.

Bei der Schaltung in Bild 1 handelt es sich um ein zweikanaliges Colorimeter mit einem Transmitter für eine modulierte Lichtquelle und einem synchronen Detektor als Empfänger. Die Fotodiodeneingangsstufe enthält einen Transimpedanzverstärker, einen synchronen Detektor und einen 16-Bit-Sigma/Delta-ADC. Indem man die modulierte Quelle und den synchronen Detektor nutzt, werden Messfehler aufgrund von Umgebungslicht und niederfrequentem Rauschen eliminiert.

Die Schaltung misst das Verhältnis von Licht, das von den Mess- und Referenzbehältern bei drei verschiedenen Wellenlängen absorbiert wird. Dies ist die Basis für viele chemische Analysen sowie für Messgeräte, mit denen Konzentrationen gemessen und mit Hilfe der Absorptionsspektroskopie Materialien charakterisiert werden.

Ein Takt von 5 kHz moduliert eine der LEDs mit einem Konstantstromtreiber, aufgebaut um den Vierfach-Operationsverstärker AD8618 und den Schalter ADG633. Der Beam Splitter schickt die Hälfte des Lichts durch den Messbehälter und die andere Hälfte durch den Referenzbehälter. Der Transimpedanzverstärker wandelt den Strom der Fotodiode in eine rechteckförmige Ausgangsspannung, deren Amplitude proportional zu dem durch die Mess- oder Referenzbehälter übertragenen Licht ist. Der AD8615 eignet sich aufgrund seines niedrigen Biasstromes (1 pA), seiner Eingangsoffsetspannung (100 μV) und seines Rauschens (8 nV/√Hz) gut als Fotodiodenverstärker.

Dieser Verstärker nutzt die SPDT-Schalter des Typs ADG633, um eine von zwei Transimpedanzverstärkungen zu wählen. Indem man die Schalter in der Konfiguration von Bild 1 nutzt, eliminiert man Verstärkungs- und Verzerrungsfehler aufgrund ihres Durchlasswiderstands. Da sich einer der Schalter außerhalb der Rückkopplungsschleife befindet, entspricht die Ausgangsimpedanz dieser Stufe dem Durchlasswiderstand des ADG633 (typisch 52 Ω).

Der ADR4525 stellt eine Referenzspannung für den A/D-Wandler zur Verfügung und spannt die Fotodiode und Verstärker auf 2,5 V vor. Ein 5-V-Linearregler versorgt die analogen und digitalen Bereiche des Boards. Die zweite Stufe nutzt ebenfalls den Operationsverstärker AD8615 zur AC-Kopplung und zum Puffern der resultierenden Ausgangsrechteckspannung. Die dem AC-Koppelfilter nachgeschaltete Schaltung ist ein synchroner Gleichrichter, aufgebaut mit dem differenziellen Verstärker AD8271 und dem SPDT-Schalter ADG733.

Wenn sich der Takt, der die LEDs treibt, im Zustand „High“ befindet, konfigurieren die Schalter im ADG733 den AD8271 als Eins-Verstärker. Wenn sich der Takt im „Low“-Zustand befindet, konfigurieren die Schalter den AD8271 für eine Übertragungsfunktion von U0= 2 Uref– Uin. In dieser Konfiguration hat der synchrone Gleichrichter eine Verstärkung von –1, vorgespannt um die 2,5-V-Referenz. Am Ausgang des synchronen Gleichrichters liegt eine DC-Spannung an. Diese variiert von 2,5 V (kein Licht) bis 3,75 V.

Die Schaltung unterdrückt Signale mit Frequenzen, die nicht synchron zum LED-Takt sind (oder seiner ungeraden Harmonischen). Der Tiefpassfilter am Ausgang des AD8271 arbeitet wie ein Bandpassfilter um die LED-Taktfrequenz. Die Grenzfrequenz dieses Filters ist auf 16 Hz eingestellt. Die Bandbreite des Filters liegt etwa beim LED-Takt; falls der LED-Takt 5 kHz beträgt, liegt der 3-dB-Durchlassbereich des synchronen Detektors zwischen 4,984 und 5,016 kHz.

Die letzte Stufe ist der A/D-Wandler AD7798. Indem man die 2,5-V-Referenzspannung an den AIN−Anschluss anschließt und die Verstärkung des PGA auf ×2 einstellt, lässt sich der Ausgang 2,5 bis 3,75 V des Gleichrichters auf Full Scale mit 16 Bit abbilden.

Den ausführlichen Tipp mit Testegebnissen finden Sie im Internet unter http://www.elektronikpraxis.vogel.de/design-tipps/analogtechnik/articles/419172/

Der Autor: Luis Orozco ist Applikationsingenieur bei Analog Devices im Bereich Industrial and Instrumentation in Wilmington/ USA.

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

, ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.