【導讀】這個(gè)實(shí)戰案例主要是設計一個(gè)分光測色儀的硬件系統，該系統主要由光源、光接收器、信號處理器等組成，基本功能框圖如圖1。光源燈采用小功率單波長(cháng)LED，對于LED發(fā)光的穩定性主要因素是電流和環(huán)境溫度。故硬件方案中需要設計恒流源電路和恒溫控制電路。
醫學(xué)診斷市場(chǎng)持續高速增長(cháng)，自疫情以來(lái)，這塊市場(chǎng)更備受關(guān)注。技術(shù)型分銷(xiāo)商Excelpoint世健公司，深耕醫學(xué)診斷產(chǎn)品多年，本次我們通過(guò)世健公司邀請了來(lái)自專(zhuān)業(yè)醫學(xué)診斷產(chǎn)品企業(yè)的工程師儲工跟大家分享實(shí)戰案例。該公司是一家專(zhuān)業(yè)從事醫學(xué)診斷產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售及服務(wù)的國家高新技術(shù)企業(yè)，主要產(chǎn)業(yè)為體外診斷試劑、儀器及獨立第三方醫學(xué)診斷服務(wù)。產(chǎn)品線(xiàn)涵蓋生化、發(fā)光、血球、尿液、質(zhì)譜、分子診斷、血脂亞組分檢測VAP和POCT等。而儲工有著(zhù)豐富的設計與實(shí)戰經(jīng)驗.
這個(gè)實(shí)戰案例主要是設計一個(gè)分光測色儀的硬件系統，該系統主要由光源、光接收器、信號處理器等組成，基本功能框圖如圖1。光源燈采用小功率單波長(cháng)LED，對于LED發(fā)光的穩定性主要因素是電流和環(huán)境溫度。故硬件方案中需要設計恒流源電路和恒溫控制電路。
圖1
1、恒流源電路方案設計
對于小功率的恒流源設計，最常用的就是運放 + 場(chǎng)管方案。電路如圖2所示，該方案由分立元件組成，運放、三極管、電阻的電氣參數一致性及溫漂會(huì )極大的影響恒流源的精度，影響因素較多難以控制。
圖2
ADI公司旗下有一款產(chǎn)品（型號：LT3092）單芯片集成了多個(gè)元件，使器件一致性和溫漂更容易控制，成為恒流源方案的理想選擇器件。最大輸出電流200mA滿(mǎn)足小功率恒流源的需求；超寬的輸入電壓范圍及低壓差工作電壓（1.2V~40V）使得電源電壓設計更具兼容性；內部更有高精度微恒流源（10uA），結合精密電阻可組成高精度的參考電壓源。內部原理圖如圖3。
圖3 圖4
若無(wú)需更改恒流源電流，則RSET選用固定高精度低溫漂的電阻即可。若想實(shí)時(shí)調節電流，RSET可選用數字電位器（如ADI公司產(chǎn)品AD5610），用MCU來(lái)控制。LT3092的SET引腳還可以直接連接DAC，用MCU直接控制更是一種方便簡(jiǎn)單又省成本的方案，如圖4。
由于分光測色儀用到多個(gè)不同波長(cháng)的LED，可以讓每個(gè)LED配上一個(gè)恒流源，當然更好的方案是只用一個(gè)恒流源然后用模擬開(kāi)關(guān)切換通道，這樣更省成本。ADI公司有一款產(chǎn)品（型號ADG452）單芯片集成4通道模擬開(kāi)關(guān)。較低的導通電阻（4Ω）；每通道100mA的工作電流；快速的開(kāi)關(guān)頻率（tON = 70ns，tOFF = 60ns）。電氣性能完全滿(mǎn)足設計需求，方案電路實(shí)現如圖5。
圖5
2、恒溫控制電路方案設計
恒溫控制電路由加熱器 + 溫度傳感器 + 溫度保護器 + 控制器構成，如圖6。溫度開(kāi)關(guān)用于加熱失控時(shí)的過(guò)溫保護，MCU接受來(lái)自溫度傳感器的反饋，利用PID算法去控制驅動(dòng)器調節加熱器的功率輸出，達到恒溫控制的目的。
圖6
加熱器可以是恒壓驅動(dòng)，用場(chǎng)管作為開(kāi)關(guān)，MCU用PWM方式控制調節。但由于PWM方式控制頻率較高且信號存在突變，會(huì )對電路系統造成較大的噪聲干擾，進(jìn)而影響用于精密測量的模擬電路。另一種方案是采用恒流驅動(dòng)加熱器，借鑒上述LED恒流源電路方案，選擇輸出電流更大的恒流源芯片（如ADI公司產(chǎn)品LT3085），輸出電流達500mA，其他參數、功能與LT3092類(lèi)似，功能框圖如圖7。
圖7
配上數字電位器，MCU可以實(shí)時(shí)調節電流變化，以控制加熱器的功率輸出。并且恒流方式調節頻率低、過(guò)程平緩不會(huì )引起電壓信號的突變。部分電路原理圖如圖8。
圖8
加熱功率計算：P = I2*R（I為恒流源電流，R為加熱器電阻）
I = 10uA * RW / R53（微恒流源電流*數字電位器/采樣電阻）
溫度傳感器可以選擇線(xiàn)性好、精度高的PT100。對于PT100的驅動(dòng)電路，需要設計恒流源，信號放大電路，再加上模數轉換器，模擬器件分立且數量較多，硬件成本較高，對于PCB面積受限的應用也不好布局，因此可以選擇集成度高的器件如ADI公司產(chǎn)品（型號：AD7124-4），集成程控放大器（增益編程范圍為1~128），可以直接連接小信號傳感器而無(wú)需放大電路；內置激勵電流源（設置范圍50 μA~1 mA），正好方便給溫度傳感器供電；高達19 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數轉換器，足夠以高分辨率采集溫度數據。應用AD7124-4設計的PT100驅動(dòng)電路原理圖詳見(jiàn)圖9。
圖9
PT100采用4線(xiàn)制，兩線(xiàn)用于信號采集，兩線(xiàn)用于激勵源通電流，這樣無(wú)論信號線(xiàn)多長(cháng)，都可以消除線(xiàn)電阻對信號檢測的影響。流經(jīng)RTD的電流也會(huì )流過(guò)精密基準電阻，產(chǎn)生基準電壓。此精密基準電阻上產(chǎn)生的電壓與RTD 上的電壓成比例，因此，激勵電流的波動(dòng)會(huì )被消除。
3、光電轉換電路設計
光電轉換電路一般采用光電二極管（PD） + 運放 + 模數轉換器（ADC）方案（如圖10）。由PD采集反射光，由運放流壓轉換并放大信號，然后ADC轉換為數字信號給MCU。由于PD工作于光伏模式，因此負責流壓轉換的運放需要超低偏置電流；為了提高分辨率，ADC需要盡量高的處理位數。
圖10
考慮使用多個(gè)高性能分立器件硬件成本過(guò)高，在性能達標的條件下可以盡量選擇集成度高的器件。ADI旗下有一款產(chǎn)品（型號：ADPD2211），自帶24倍電流放大器使之擁有超高的靈敏度，省去了外置運放；極好的脈沖響應（典型帶寬達400KHz）；超低電流噪聲（90fA/√Hz）。其內部功能框圖如圖5。在輸出端加上采樣電阻到地，即可實(shí)現流壓轉換，省去眾多的外圍電路。其功能框圖如圖11。
圖11
4、MCU選型
市面上MCU以?xún)群藚^分主要是51內核和ARM內核，還有部分是個(gè)某些廠(chǎng)家自研的內核。當選擇同一內核的MCU時(shí)，各大廠(chǎng)家的產(chǎn)品卻都大同小異，而ADI公司擁有高精度ADC與高性能MCU完美結合的產(chǎn)品（型號：ADuCM361）其內部資源框圖如圖12，結合如此高性能模擬部分的MCU在市面上少有。
圖12
ADuCM361內置32 位ARM Cortex-M3® 處理器，常見(jiàn)的外設如UART、SPI、IIC、Timer、DMA、DAC、Watchdog都有集成，非常方便使用；自帶一個(gè)片內32 kHz 振蕩器和一個(gè)內部16 MHz高頻振蕩器使硬件設計可以省去外部晶振電路；最令人刮目相看的是它集成了4 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數轉換器(ADC)，可在全差分和單端模式下工作，ADC模塊集成硬件濾波器，可以選擇配置高速濾波器來(lái)進(jìn)行步進(jìn)變化檢測，也可選擇低速濾波器用于精密測量；內置一個(gè)低噪聲、低漂移帶隙基準電壓源，也可選擇外部基準電壓源；附帶的可編程激勵電流源，可以應用于許多電流驅動(dòng)型的傳感器。
ADuCM361集成的模擬部分功能正好與AD7124-4功能相似，方案本身就需要MCU 作為信號處理模塊，若選擇ADuCM361，則可以省去AD7124-4，ADuCM361擁有的多通道ADC模塊完全可以滿(mǎn)足光電數據采集、溫度傳感器驅動(dòng)，DAC控制光源恒流源并可以微調電流，SPI控制數字電位器來(lái)動(dòng)態(tài)調節加熱器電流達到恒溫目的。
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