CN0397 EVAL-CN0397-ARDZ 板上裝有 Everlight CLS15-22C/L213x/TR8 二極管。不過，電路板上有一個(gè)用于安裝 HamamatsuS7505-01 二極管的位置，該二極管在單一封裝中集成所有三個(gè)二極管，其陰極在內(nèi)部相連。 如果用其他二極管替換板上的 Everlight 二極管，則還需要根據(jù)特定二極管規(guī)格，更換反饋電阻和電容。反饋電阻和電容的焊盤足夠大，便于拆除和安裝不同元件。 如果愿意用一定的功耗來換取更低的偏置電流，可以使用 AD8617、 AD8609、和 AD8641, 其最大偏置電流為 1 pA。 AD7795 (6 通道) 和 AD7708 (8 通道/10 通道)也是低功 耗 16 位 Σ-Δ 型 ADC，適合需要更多光電二極管通道來更精細(xì)地分析光譜的應(yīng)用。 本電路使用 EVAL-CN0397-ARDZ 電路板和 EVALADICUP360。EVAL-CN0397-ARDZ利用 Arduino 兼容引腳疊加在 EVAL-ADICUP360 板上。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： 帶 USB 端口和 Windows XP、Windows Vista（32 位）或 Windows 7（32 位）的 PC EVAL-CN0397-ARDZ 電路評(píng)估板 EVAL-ADICUP360 評(píng)估平臺(tái)板或同等 Arduino 接口 USB A 轉(zhuǎn) USB 微型電纜 ADuCM360 軟件 (IDE) EVAL-CN0397-ARDZ 示例代碼（參見 CN-0397 用戶指南）。 開始使用 將示例代碼載入 ADuCM360 IDE，請(qǐng)按照 工具鏈設(shè)置用戶指南中的說明操作。 功能框圖 圖 6 所示為測(cè)試設(shè)置的功能框圖。 ? 圖 6. 測(cè)試設(shè)置功能框圖 ? 設(shè)置 連接 EVAL-CN0397-ARDZ，利用 Arduino 兼容接頭和對(duì)應(yīng)接頭將其安裝在 EVAL-ADICUP360 板上方，如圖 2 所示。 表 2. EVAL-CN0397-ARDZ 和 EVAL-ADICUP360 板之間的連接 EAVL-CN0397-ARDZ EVAL-ADICU360 ICSP SPI POWER POWER ANALOG ADCL DIGI1 PWMH DIGI2 PWML 然后將USB電纜從EVAL-ADICUP360的調(diào)試端口連接到計(jì)算機(jī) USB 端口。 測(cè)試 示例代碼經(jīng)編譯并加載到 EVAL-ADICUP360 上且將 EVALCN0397-ARDZ安裝在上面之后，器件與 PC 通信并顯示各通道的讀數(shù)。該電路可利用不同光源在不同距離處進(jìn)行測(cè)試并觀測(cè)各通道的讀數(shù)。 關(guān)于測(cè)試設(shè)置以及如何使用 EVAL-ADICUP360 和示例代碼來捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 CN-0397 用戶指南。 關(guān) 于 EVAL-ADICUP360 板的信息 ， 請(qǐng)參閱 EVALADICUP360工具鏈設(shè)置用戶指南。 圖 7 顯示 EVAL-CN0397-ARDZ 評(píng)估板的實(shí)物照片。 ? 圖 7. EVAL-CN0397-ARDZ 評(píng)估板 ? 簡(jiǎn)介 雖然植物能在整個(gè)可見光譜上發(fā)生光合作用，但其對(duì)紅光和藍(lán)光波長(zhǎng)的響應(yīng)較大，對(duì)綠光波光的響應(yīng)較小，參見圖2 中的光合作用有效輻射 (PAR) 曲線。 圖 2. 典型 PAR 曲線和可見光譜 ? 綠光光譜大部分被樹葉反射，紅光和藍(lán)光光譜則被吸收并用于光合作用。根據(jù)此數(shù)據(jù)，光檢測(cè)電路可以設(shè)計(jì)來測(cè)量能被植物利用的波長(zhǎng)上的光強(qiáng)度，并優(yōu)化光源以實(shí)現(xiàn)最快的生長(zhǎng)率。 本應(yīng)用選擇的光電二極管支持測(cè)量植物光合作用所需的藍(lán)光和紅光波長(zhǎng)，也能測(cè)量大部分未被使用的綠光和黃光波長(zhǎng)，使得用戶能夠優(yōu)化其照明系統(tǒng)的效率。 本電路借助 Everlight Americas, Inc (3220 Commander Dr.,Suite 100, Carrollton, TX 75006) 的光電二極管進(jìn)行測(cè)試。 本電路能夠測(cè)量傳感器特定波長(zhǎng)的光。本應(yīng)用所用的光電二極管在 470 nm（藍(lán)光：CLS15-22C/L213B/TR8）、550 nm（綠光： CLS15-22C/L213G/TR8) 和 620 nm （紅光：CLS15-22C/L213R/TR8）時(shí)具有峰值靈敏度，偏離峰值時(shí)急劇滾降。 本應(yīng)用所用的光電二極管具有高分流電阻，工作在光伏模式下（零偏置）以使暗電流引起的誤差最小。 電流電壓轉(zhuǎn)換 選擇偏置電流非常低的合適放大器對(duì)本應(yīng)用很重要，因?yàn)楣怆姸O管輸出可能只有數(shù)百皮安，大輸入偏置電流會(huì)引入相當(dāng)大的誤差。 用作跨阻放大器的 AD8500 是一款低功耗精密 CMOS 運(yùn)算放大器，最大電源電流僅1μA。 The AD850AD8500 的最大失調(diào)電壓為1 mV，典型輸入偏置電流為 1 pA。因此，低功耗和低輸入偏置電流特性使 AD8500 成為最佳選擇。 三個(gè) AD8500 電流電壓轉(zhuǎn)換器以 3.15 V 的共模電壓工作。3.15 V 共模電壓使得二極管陰極可以連在一起，HamamatsuS7505-01 等三通道二極管封裝就是這種情況。 二極管電流為 0 時(shí)，3.15 V 共模電壓在 AD8500 級(jí)的輸出端提供 0.15 V 裕量。因此，當(dāng)二極管電流隨著光強(qiáng)度提高而增大時(shí)，AD8500 級(jí)的輸出信號(hào)從 3.15 V 向地?cái)[動(dòng)。 選擇適當(dāng)?shù)脑鲆骐娮?R1、R2 和 R3，使得在滿量程強(qiáng)度時(shí)，AD8500 輸出信號(hào)始終高于+0.15 V。這樣，總峰峰值輸出擺幅等于 0.15 V 到 3.15 V 擺幅在 3.3 V 基準(zhǔn)電壓設(shè)置的 AD7798 ADC范圍以內(nèi)。當(dāng) AD7798 工作在緩沖模式時(shí)，輸入范圍兩端 至少需要 100 mV 的裕量。 選擇各通道的反饋電阻，使得對(duì)于同樣水平的光強(qiáng)度，滿量程信號(hào)擺幅達(dá)到最大。電阻值利用光電二極管的最大期望輸出電流和 3.0 V 的滿量程值峰峰值信號(hào)擺幅計(jì)算。 電阻計(jì)算詳見"光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流及通道增益選擇"部分。 選擇反饋電容來將帶寬限制在大約 1 kHz，并提供良好的相位裕量。跨阻放大器穩(wěn)定性、帶寬和噪聲的詳細(xì)分析參見 傳感器信號(hào)調(diào)理第 5 章。 電路穩(wěn)定性和帶寬可利用 ADI 公司光電二極管向?qū)гO(shè)計(jì)工 具進(jìn)行詳細(xì)分析。 3.3 V ADC 基準(zhǔn)電壓由 ADR3433提供。 ADR343是一款低功耗、高精度 (0.1%) CMOS 基準(zhǔn)電壓源，噪聲很低（0.1 Hz至 10 Hz 范圍內(nèi)為 25 μV p-p）。該器件的工作電流很低（最大值為 100 μA），適合用于低功耗應(yīng)用。 AD8502 （AD8500 的雙通道版本） 用于緩沖 ADR3433 輸出和 3.15 V 共模電壓。3.15 V 共模電壓由電阻分壓器產(chǎn)生。 AD8502 每放大器消耗的最大電源電流為 1 μA，最大失調(diào)電壓為 3 mV，非常適合用作緩沖器。 模數(shù)轉(zhuǎn)換 ADC 為低功耗、低噪聲、完整的 16 位 Σ-Δ 型 ADC AD7798，提供三路差分輸出。ADC 的輸出碼計(jì)算如下： 其中: AIN 為模擬輸入電壓。 N N 為位數(shù)。GAIN 為儀表放大器增益。 VREF 為外部基準(zhǔn)電壓值。 對(duì)于 3.3 V 基準(zhǔn)電壓，GAIN = 1 且 N = 16，上述公式可簡(jiǎn)化為下式： 此式在中間電平時(shí)產(chǎn)生輸出碼 32,767，在滿量程時(shí)產(chǎn)生輸出碼 65,535 V。 LSB 大小為 3.3 V/65,536 = 50.35 μV. 16 位時(shí)，1 LSB 相當(dāng)于滿量程的 0.0015%，或者 15 ppm FS。 3.15 V 共模電壓驅(qū)動(dòng) ADC 差分輸入的正輸入引腳，以免在ADC 內(nèi)部緩沖器開啟時(shí)發(fā)生任何裕量問題。 每個(gè) ADC 輸入通道還有一個(gè)共模和差分濾波器用來降低噪聲。共模濾波器由 1 kΩ/470 pF 組合構(gòu)成，截止頻率為 340 kHz。差模濾波器由 2 kΩ/4.7 nF 組合構(gòu)成，截止頻率為17kHz。 噪聲測(cè)量 系統(tǒng)有效分辨率由噪聲決定，通常用無噪聲碼分辨率來表示。 表 1 給出了零電流和滿量程電流時(shí)板上光電二極管的噪聲分布。為實(shí)現(xiàn)零電流，光電二極管被覆蓋起來。針對(duì)每種條件采集總共 1000 個(gè)樣本。 表 1. 光強(qiáng)度為零和滿量程時(shí)的噪聲（1000 樣本） 通道 光強(qiáng)度 峰峰值噪聲 (LSB) 無噪聲碼分辨率（位） 紅光 零 1 16.0 紅光 滿量程 3 14.4 藍(lán)光 零 1 16.0 藍(lán)光 滿量程 3 14.4 綠光 零 1 16.0 綠光 滿量程 3 14.4 無噪聲碼分辨率通過下式計(jì)算： 其中： N 為位數(shù)。 峰峰值 噪聲為噪聲分布的擴(kuò)展。 滿量程時(shí)測(cè)得的最大噪聲分布為 3 LSB。代入公式中，求得無噪聲碼分辨率為 14.4 位。零電平時(shí)的噪聲小于 1 LSB。 光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流及通道增益選擇 光電二極管的輸出電流與所施加的光強(qiáng)度大致呈線性關(guān)系，但紅光、綠光和藍(lán)光二極管的相對(duì)靈敏度不同。因此，各通道的增益必須單獨(dú)確定以便選擇最佳的反饋電阻值。 近似零偏置（短路）輸出電流與光強(qiáng)度（照度）的關(guān)系必須根據(jù)光電二極管數(shù)據(jù)手冊(cè)確定。例如， Everlight CLS15-22C/L213R/TR8 紅光二極管指定 86 nA 對(duì)應(yīng) 100 lux，即靈敏度 S = 86 nA/100 lux = 860 pA/lux。反饋電阻值 RFB通過下式計(jì)算： 其中： VFSP-P 為所需的峰峰值滿量程輸出電壓擺幅，3.0 V。 S 為從數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得的靈敏度（單位為 pA/lux，Everlight紅光二極管的靈敏度為 860 pA/lux）。 INTMAX 為滿量程時(shí)的最大光強(qiáng)度（單位為 lux，直射太陽光為 120,000 lux）。 將紅光二極管參數(shù)代入公式中得到 RFB = 29,069 ?，電路中的紅光通道反饋電阻使用最接近的標(biāo)準(zhǔn)值 28.7 k?。 對(duì)綠光和藍(lán)光通道可進(jìn)行類似的計(jì)算，分別得到 33.2 k? 和61.9 k? 的 RFB值。 現(xiàn)在就可以寫出光強(qiáng)度 (lux) 與 ADC 輸出碼 CODEADC的一般關(guān)系式： 其中： CODEADC為 ADC 輸出碼。 N 為 ADC 分辨率(16)。 VREF 為 ADC 基準(zhǔn)電壓 (3.3 V)。 VFS-PP 為二極管輸出電流最大時(shí)運(yùn)算放大器的滿量程峰峰值輸出擺幅 (3.0 V)。 顏色圖譜測(cè)量 測(cè)試多種白色光源以確定其對(duì)電路中光電二極管的 470nm、550 nm 和 620 nm 窄帶濾波器的響應(yīng)。 圖3顯示對(duì)一個(gè)30cm處3.5W白色LED光源的響應(yīng)。圖4 顯示對(duì)一個(gè)30 cm 處10 W LED 泛光燈光源的響應(yīng)。圖5顯示對(duì)一個(gè)35cm處50WLED白熾燈光源的響應(yīng)。 圖3. 30 cm 處 3.5 W 白色 LED 光源的強(qiáng)度 ? 圖4. 30cm處10WLED泛光燈光源的強(qiáng)度 ? 圖5. 35 cm 處50WLED白熾燈光源的強(qiáng)度 ? 電路板布局考量 光電二極管的高阻抗電流路徑容易產(chǎn)生漏電流，必須考慮 予以屏蔽。為使屏蔽體發(fā)揮作用，必須將其連接到正確的 基準(zhǔn)電位（參見 AN-347 Application Note, 應(yīng)用筆記 AN-347—屏蔽和接地）。 應(yīng)當(dāng)精心考慮電路板上的電源和接地回路布局。印刷電路板必須將模擬部分與數(shù)字部分分離。如果該電路所在系統(tǒng)有多個(gè)器件要求模擬地至數(shù)字地連接，則只能在一個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行連接。所有器件的電源必須通過至少 0.1 μF 的電容旁路。這些旁路電容必須盡可能靠近器件，電容最好正對(duì)著器件。所選 0.1 μF 電容必須具有低有效串聯(lián)電阻 (ESR) 和低有效串聯(lián)電感 (ESL)，例如陶瓷型電容。0.1 μF 電容為瞬變電流提供低阻抗接地路徑。電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗供電路徑。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)（請(qǐng)參考 指南 MT-031—實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換器的接地并解開 AGND 和 DGND 的謎團(tuán) 以及 指南MT-101—去耦技術(shù)）。 包括原理圖、布局和物料清單的完整文檔位于 CN-0397設(shè)計(jì)支持包 中（www.analog.com/CN0397-DesignSupport）。 CN0397 適用于智能農(nóng)業(yè)的超低功耗光識(shí)別系統(tǒng) 圖 1 所示電路使用三個(gè)光電二極管，它們對(duì)不同波長(zhǎng)（紅、綠、藍(lán)）敏感，用以測(cè)量對(duì)植物光合作用有效的光譜上的光強(qiáng)度水平。測(cè)量結(jié)果可用來優(yōu)化光源以滿足特定植物的需求，提高生長(zhǎng)率，以及最大程度地減少能量損失。 本電路采用三個(gè)精密電流電壓轉(zhuǎn)換級(jí)，它們驅(qū)動(dòng)一個(gè)具有三路差分輸入的單電源、低功耗、低噪聲、16 位、Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。 該電路不同于傳統(tǒng)方法，沒有任何機(jī)械和光學(xué)組件，僅使用電氣元件來實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)。 電路典型功耗低于 10 mW，非常適合電池供電的便攜式現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。 印刷電路板 (PCB) 采用 Arduino 兼容擴(kuò)展板尺寸設(shè)計(jì)，并與Arduino 兼容平臺(tái)板 EVAL-ADICUP360 對(duì)接，便于快速開發(fā)原型。 1. 超低功耗、單電源、16 位電壓輸入 ADC（原理示意圖，未顯示所有連接和去耦） ? 適用于智能農(nóng)業(yè)的超低功耗光識(shí)別系統(tǒng) CN0397 電路使用三個(gè)光電二極管，它們對(duì)不同波長(zhǎng)（紅、 綠、藍(lán)）敏感，用以測(cè)量對(duì)植物光合作用有效的光譜上的光 強(qiáng)度水平。

• 彩色光識(shí)別系統(tǒng)?
• 智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用?
• 16位數(shù)字化?
• 低功耗?
• Arduino兼容擴(kuò)展板格式?

(analog)