圖 1分光光度計(jì)的簡(jiǎn)化圖，其中檢測(cè)器測(cè)量特定波長(zhǎng)的光強(qiáng)度，可用于測(cè)量未知材料的透射率。資料羅伯特·珀克爾

圖 2當(dāng)前單色儀原型，帶有光源、球面鏡、衍射光柵和光學(xué)狹縫。資料羅伯特·珀克爾

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

由于這是性構(gòu)建，因此主要關(guān)注的是性能和可組裝性。本文中的性能是指檢測(cè)器的靈敏度、單色儀輸出的純度以及所實(shí)現(xiàn)的功能集?？山M裝性是指我構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的能力。物理可組裝性是一個(gè)大問(wèn)題，但大多數(shù)物理零件都可以以合理的成本或精力購(gòu)買(mǎi)、加工或 3D 打印。電子可組裝性主要是在可能的情況下減少零件數(shù)量，并避免使用難以手工焊接的封裝，例如 QFN 和 BGA。此外，設(shè)計(jì)中使用的零件必須有庫(kù)存并且可以獲得。

項(xiàng)目模塊

該系統(tǒng)計(jì)劃有三個(gè)模塊（截至撰寫(xiě)本文時(shí)）：

模擬前端 (AFE)

智能LED電源

數(shù)據(jù)采集和控制（DAC）

AFE 是本文的主要主題，它包含光電二極管，并將光電流轉(zhuǎn)換為電壓，以便在外部板或硬件上進(jìn)行采集。除此之外，該模塊中還使用了幾個(gè)輔助輸出和其他 I/O 信號(hào)。添加 MCU 可以簡(jiǎn)化這些輔助輸出和其他邊帶信號(hào)的實(shí)現(xiàn)。

智能LED電源是專(zhuān)門(mén)為主光源設(shè)計(jì)的線(xiàn)性電源。電流由定制模擬反饋環(huán)路調(diào)節(jié)，支持消隱（關(guān)閉時(shí)間）和線(xiàn)性強(qiáng)度控制。之所以開(kāi)發(fā)此解決方案，是因?yàn)?LED 的標(biāo)準(zhǔn)可變強(qiáng)度調(diào)節(jié)器采用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 工作，但 PWM 調(diào)光產(chǎn)生的紋波可能會(huì)被下游的敏感檢測(cè)器看到。雖然該板可能包含 MCU，但它必須連接到監(jiān)控 MCU 才能通電和監(jiān)控主光源，直接查看是危險(xiǎn)的。 （作者注：該板上還有多個(gè)其他集成安全電路，以防止高電流級(jí)上電）。

是 DAC 板。該板的主要目標(biāo)是測(cè)量 AFE 的輸出并將其給用戶(hù)。它連接到智能 LED 電源，對(duì)主光源進(jìn)行供電和監(jiān)控。該板還將包含一個(gè)高分辨率 ADC 以及一個(gè)負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的 MCU。

混合 MCU 和模擬

在 AFE 中，MCU 幫助集成了三個(gè)功能：

削波檢測(cè)

自調(diào)零

相對(duì)輸出控制

MCU 的選擇是通過(guò)考察具有模擬外設(shè)的新設(shè)備系列。然而，模擬外設(shè)并不直接用作信號(hào)鏈的一部分，它們用于不像主信號(hào)鏈那樣對(duì)噪聲敏感的輔助信號(hào)。對(duì)于主信號(hào)鏈，采用高端（精密、低噪聲等）部件來(lái)限度地減少噪聲并增加成功的可能性。圖 3中的簡(jiǎn)化圖顯示了 MCU 如何融入設(shè)計(jì)。

AFE 的簡(jiǎn)化框圖，其中在主信號(hào)鏈中使用高端部件以限度地減少噪聲。資料羅伯特·珀克爾

削波檢測(cè)

在正常操作期間，來(lái)自單色儀的光穿過(guò)樣品并進(jìn)入光電二極管檢測(cè)器，產(chǎn)生光電流。然而，如果光電流超過(guò)允許的輸出范圍，它將被鉗位到輸出值。發(fā)生這種情況時(shí)，如果用戶(hù)啟用了自動(dòng)電流控制，則外部應(yīng)點(diǎn)亮錯(cuò)誤指示燈，并向主控制器發(fā)送信號(hào)。

內(nèi)部DAC

內(nèi)部FVR

外部源

使用 DAC 是靈活的方法，但需要專(zhuān)門(mén)使用其中一個(gè) DAC 外設(shè)。在某些情況下，這是可以接受的，但在其他情況下，其他地方需要 DAC。內(nèi)部 FVR（參考電壓）是某些設(shè)備上的另一種選擇。比較器可以使用與 DAC 相同的基準(zhǔn)，但這需要設(shè)置電阻分壓器以匹配該基準(zhǔn)，并且設(shè)置點(diǎn)無(wú)法在運(yùn)行時(shí)修改。，還有外部源選項(xiàng)。外部源可以采用多種形式——外部 DAC 輸出、電阻梯、電壓基準(zhǔn)等。缺點(diǎn)是使用額外的組件和 I/O 引腳。

使用來(lái)自?xún)?nèi)部 DAC、內(nèi)部 FVR 或外部源的設(shè)定點(diǎn)信號(hào)在 MCU 上實(shí)現(xiàn)削波檢測(cè)器。資料羅伯特·珀克爾

自調(diào)零

由于光電二極管的暗電流和運(yùn)算放大器的小偏移，即使在黑暗時(shí)，系統(tǒng)的輸出也將高于零。為了消除此錯(cuò)誤，外部緩沖 DAC 連接到糾錯(cuò)級(jí)并由 MCU 控制。

要觸發(fā)自調(diào)零操作，用戶(hù)可以按下物理按鈕或連接電源的消隱信號(hào)。消隱信號(hào)是光源未通電時(shí)的關(guān)閉時(shí)間。在消隱間隔的中間，系統(tǒng)可以像斬波穩(wěn)定放大器一樣重新校準(zhǔn)自身，但在執(zhí)行此操作時(shí)必須小心確保發(fā)射器和樣品已停止發(fā)出熒光。這可以通過(guò)在上升沿之后添加一個(gè)小延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖 5顯示了簡(jiǎn)化的時(shí)序圖。

顯示調(diào)零點(diǎn)的時(shí)序圖，其中當(dāng)光源未通電時(shí)，消隱信號(hào)在關(guān)閉時(shí)間內(nèi)發(fā)出，在消隱間隔的中間，系統(tǒng)可以自行重新校準(zhǔn)。資料羅伯特·珀克爾

對(duì)于用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)的按鈕，可以通過(guò)可配置邏輯單元 (CLC) 和 MCU 上的定時(shí)器來(lái)執(zhí)行去抖動(dòng)。這種組合獨(dú)立于 CPU 運(yùn)行，使其能夠?qū)Ｗ⒂谄渌蝿?wù)，如圖6所示。

顯示如何使用硬件外設(shè)實(shí)現(xiàn)去抖動(dòng)器的邏輯圖。資料羅伯特·珀克爾

相對(duì)輸出控制

相對(duì)輸出模式是輔助輸出，指示與參考相比通過(guò)樣品的光透射百分比。換句話(huà)說(shuō)，如果儀器在沒(méi)有填充樣品瓶的情況下運(yùn)行并記錄 500mV 的輸出，并且在裝載樣品瓶的情況下記錄 250mV，則只有 50% 的光以感興趣的波長(zhǎng)透射。

為了在此模式下獲得分辨率，由于高分辨率 ADC，專(zhuān)用測(cè)量板可產(chǎn)生結(jié)果。但是，如果輸出高于限幅閾值，MCU 將具有更高的測(cè)量范圍，因?yàn)槠漭斎氡环诸l，而不是限幅。

為了改善電阻網(wǎng)絡(luò)的采樣時(shí)間，可以使用內(nèi)部運(yùn)算放大器來(lái)緩沖輸入信號(hào)并增加進(jìn)入 ADC 的信號(hào)增益，如圖 7所示。這提高了系統(tǒng)在較低信號(hào)電平下的性能。

相關(guān)輸出模式的框圖，其中內(nèi)部運(yùn)算放大器用于緩沖輸入信號(hào)并增加進(jìn)入 ADC 的信號(hào)增益。資料羅伯特·珀克爾

整合的挑戰(zhàn)

將 MCU 與模擬電路混合使用時(shí)，需要記住以下幾點(diǎn)。首先，模擬部分的信號(hào)范圍可能遠(yuǎn)高于/低于 MCU 的額定值。因此，必須適當(dāng)限制信號(hào)范圍。通常，這會(huì)增加信號(hào)的阻抗，但這可以通過(guò)使用內(nèi)部運(yùn)算放大器之一緩沖網(wǎng)絡(luò)來(lái)輕松解決，如下圖 8所示。電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗等于R 1與R 2并聯(lián)。

使用集成運(yùn)算放大器緩沖信號(hào)，電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗等于 R 1 // R 2。資料羅伯特·珀克爾

另一個(gè)挑戰(zhàn)是防止 MCU 的電磁干擾 (EMI) 影響模擬電路。這是一個(gè)針對(duì)具體應(yīng)用的復(fù)雜挑戰(zhàn)。但有以下幾種常用方法：

在物理上分離模擬和數(shù)字電路

不要中斷地平面

限制數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率

為模擬和數(shù)字電子設(shè)備使用單獨(dú)的電源

適當(dāng)?shù)亟怦顢?shù)字電路

其他方法更具應(yīng)用特定性。例如，在此設(shè)計(jì)中，光電二極管和跨阻放大器（TIA）將被屏蔽，以減少其他信號(hào)和環(huán)境條件對(duì)該級(jí)的影響。