适用于智能农业的超低功耗光识别系统

2017-09-12 15:02:00 来源:EEFOCUS
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评估和设计支持
 
电路评估板
CN-0397电路评估板(EVAL-CN0397-ARDZ)
 
ADICUP360评估板(EVAL-ADICUP360)
 
设计和集成文件
原理图、布局文件、物料清单
 
电路功能与优势
图1所示电路使用三个光电二极管,它们对不同波长(红、绿、蓝)敏感,用以测量对植物光合作用有效的光谱上的光强度水平。测量结果可用来优化光源以满足特定植物的需求,提高生长率,以及最大程度地减少能量损失。
 
本电路采用三个精密电流电压转换级,它们驱动一个具有三路差分输入的单电源、低功耗、低噪声、16位、Σ-Δ型模数转换器(ADC)。
 
该电路不同于传统方法,没有任何机械和光学组件,仅使用电气元件来实现相同的目标。
 
电路典型功耗低于10 mW,非常适合电池供电的便携式现场应用。
 
印刷电路板(PCB)采用Arduino兼容扩展板尺寸设计,并与Arduino兼容平台板EVAL- ADICUP360对接,便于快速开发原型。
 
图1.超低功耗、单电源、16位电压输入ADC(原理示意图,未显示所有连接和去耦)
 
电路描述
简介
虽然植物能在整个可见光谱上发生光合作用,但其对红光和蓝光波长的响应较大,对绿光波光的响应较小,参见图2中的光合作用有效辐射(PAR)曲线。
 
图2.典型PAR曲线和可见光谱
 
绿光光谱大部分被树叶反射,红光和蓝光光谱则被吸收并用于光合作用。根据此数据,光检测电路可以设计来测量能被植物利用的波长上的光强度,并优化光源以实现最快的生长率。
 
本应用选择的光电二极管支持测量植物光合作用所需的蓝光和红光波长,也能测量大部分未被使用的绿光和黄光波长,使得用户能够优化其照明系统的效率。
 
本电路借助Everlight Americas, Inc (3220 Commander Dr., Suite 100, Carrollton, TX 75006)的光电二极管进行测试。本电路能够测量传感器特定波长的光。本应用所用的光电二极管在470 nm(蓝光:CLS15-22C/L213B/TR8)、550 nm(绿光:CLS15-22C/L213G/TR8)和620 nm(红光:CLS15-22C/L213R/TR8)时具有峰值灵敏度,偏离峰值时急剧滚降。
 
本应用所用的光电二极管具有高分流电阻,工作在光伏模式下(零偏置)以使暗电流引起的误差最小。
 
电流电压转换
选择偏置电流非常低的合适放大器对本应用很重要,因为光电二极管输出可能只有数百皮安,大输入偏置电流会引入相当大的误差。
 
用作跨阻放大器的AD8500是一款低功耗精密CMOS运算放大器,最大电源电流仅1 μA。AD8500的最大失调电压为1 mV,典型输入偏置电流为1 pA。因此,低功耗和低输入偏置电流特性使AD8500成为最佳选择。
 
三个AD8500电流电压转换器以3.15 V的共模电压工作。3.15 V共模电压使得二极管阴极可以连在一起,Hamamatsu S7505-01等三通道二极管封装就是这种情况。
 
二极管电流为0时,3.15 V共模电压在AD8500级的输出端提供0.15 V裕量。因此,当二极管电流随着光强度提高而增大时,AD8500级的输出信号从3.15 V向地摆动。
 
选择适当的增益电阻R1、R2和R3,使得在满量程强度时,AD8500输出信号始终高于+0.15 V。这样,总峰峰值输出摆幅等于
 
V p-p = 3.15 V − 0.15 V = 3.0 V
 
0.15 V到3.15 V摆幅在3.3 V基准电压设置的AD7798 ADC范围以内。当AD7798工作在缓冲模式时,输入范围两端至少需要100 mV的裕量。
 
选择各通道的反馈电阻,使得对于同样水平的光强度,满量程信号摆幅达到最大。电阻值利用光电二极管的最大期望输出电流和3.0 V的满量程值峰峰值信号摆幅计算。
 
 
电阻计算详见“光强度转换为电流及通道增益选择”部分。
 
选择反馈电容来将带宽限制在大约1 kHz,并提供良好的相位裕量。跨阻放大器稳定性、带宽和噪声的详细分析参见传感器信号调理第5章。
 
电路稳定性和带宽可利用ADI公司光电二极管向导设计工具进行详细分析。
 
3.3 V ADC基准电压由ADR3433提供。ADR3433是一款低功耗、高精度(0.1%) CMOS基准电压源,噪声很低(0.1 Hz至10 Hz范围内为25 μV p-p)。该器件的工作电流很低(最大值为100 μA),适合用于低功耗应用。
 
AD8502(AD8500的双通道版本)用于缓冲ADR3433输出和3.15 V共模电压。3.15 V共模电压由电阻分压器产生。
 
AD8502每放大器消耗的最大电源电流为1 μA,最大失调电压为3 mV,非常适合用作缓冲器。
 
模数转换
ADC为低功耗、低噪声、完整的16位Σ-Δ型ADC AD7798,提供三路差分输出。ADC的输出码计算如下:
 
CODE = (2N × AIN × GAIN)/VREF
 
其中:
AIN为模拟输入电压。
 
N为位数。
 
GAIN为仪表放大器增益。
 
VREF为外部基准电压值。
 
对于3.3 V基准电压,GAIN = 1且N = 16,上述公式可简化为下式:
 
输出码 = 65,535 × AIN)/3.3
 
此式在中间电平时产生输出码32,767,在满量程时产生输出码65,535 V。
 
LSB大小为3.3 V/65,536 = 50.35 μV。
 
16位时,1 LSB相当于满量程的0.0015%,或者15 ppm FS。
 
3.15 V共模电压驱动ADC差分输入的正输入引脚,以免在ADC内部缓冲器开启时发生任何裕量问题。
 
每个ADC输入通道还有一个共模和差分滤波器用来降低噪声。共模滤波器由1 kΩ/470 pF组合构成,截止频率为340 kHz。差模滤波器由2 kΩ/4.7 nF组合构成,截止频率为17 kHz。
 
噪声测量
系统有效分辨率由噪声决定,通常用无噪声码分辨率来表示。
 
表1给出了零电流和满量程电流时板上光电二极管的噪声分布。为实现零电流,光电二极管被覆盖起来。针对每种条件采集总共1000个样本。
 
表1.光强度为零和满量程时的噪声(1000样本)
 
无噪声码分辨率通过下式计算:
 
 
无噪声码分辨率
 
峰峰值噪声
 
其中:
N为位数。
 
峰峰值噪声为噪声分布的扩展。
 
满量程时测得的最大噪声分布为3 LSB。代入公式中,求得无噪声码分辨率为14.4位。零电平时的噪声小于1 LSB。
 
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