开发具有集成模拟外设的分光光度计

图 1分光光度计的简化图，其中检测器测量特定波长的光强度，可用于测量未知材料的透射率。资料罗伯特·珀克尔

图 2当前单色仪原型，带有光源、球面镜、衍射光栅和光学狭缝。资料罗伯特·珀克尔

设计注意事项

由于这是性构建，因此主要关注的是性能和可组装性。本文中的性能是指检测器的灵敏度、单色仪输出的纯度以及所实现的功能集。可组装性是指我构建和实现该设备的能力。物理可组装性是一个大问题，但大多数物理零件都可以以合理的成本或精力购买、加工或 3D 打印。电子可组装性主要是在可能的情况下减少零件数量，并避免使用难以手工焊接的封装，例如 QFN 和 BGA。此外，设计中使用的零件必须有库存并且可以获得。

项目模块

该系统计划有三个模块（截至撰写本文时）：

模拟前端 (AFE)
智能LED电源
数据采集和控制（DAC）

AFE 是本文的主要主题，它包含光电二极管，并将光电流转换为电压，以便在外部板或硬件上进行采集。除此之外，该模块中还使用了几个辅助输出和其他 I/O 信号。添加 MCU 可以简化这些辅助输出和其他边带信号的实现。

智能LED电源是专门为主光源设计的线性电源。电流由定制模拟反馈环路调节，支持消隐（关闭时间）和线性强度控制。之所以开发此解决方案，是因为 LED 的标准可变强度调节器采用脉冲宽度调制 (PWM) 工作，但 PWM 调光产生的纹波可能会被下游的敏感检测器看到。虽然该板可能包含 MCU，但它必须连接到监控 MCU 才能通电和监控主光源，直接查看是危险的。 （作者注：该板上还有多个其他集成安全电路，以防止高电流级上电）。

是 DAC 板。该板的主要目标是测量 AFE 的输出并将其给用户。它连接到智能 LED 电源，对主光源进行供电和监控。该板还将包含一个高分辨率 ADC 以及一个负责监控整个系统的 MCU。

混合 MCU 和模拟

在 AFE 中，MCU 帮助集成了三个功能：

削波检测
自调零
相对输出控制

MCU 的选择是通过考察具有模拟外设的新设备系列。然而，模拟外设并不直接用作信号链的一部分，它们用于不像主信号链那样对噪声敏感的辅助信号。对于主信号链，采用高端（精密、低噪声等）部件来限度地减少噪声并增加成功的可能性。图 3中的简化图显示了 MCU 如何融入设计。
AFE 的简化框图，其中在主信号链中使用高端部件以限度地减少噪声。资料罗伯特·珀克尔

削波检测

在正常操作期间，来自单色仪的光穿过样品并进入光电二极管检测器，产生光电流。然而，如果光电流超过允许的输出范围，它将被钳位到输出值。发生这种情况时，如果用户启用了自动电流控制，则外部应点亮错误指示灯，并向主控制器发送信号。

内部DAC
内部FVR
外部源

使用 DAC 是灵活的方法，但需要专门使用其中一个 DAC 外设。在某些情况下，这是可以接受的，但在其他情况下，其他地方需要 DAC。内部 FVR（参考电压）是某些设备上的另一种选择。比较器可以使用与 DAC 相同的基准，但这需要设置电阻分压器以匹配该基准，并且设置点无法在运行时修改。，还有外部源选项。外部源可以采用多种形式——外部 DAC 输出、电阻梯、电压基准等。缺点是使用额外的组件和 I/O 引脚。

使用来自内部 DAC、内部 FVR 或外部源的设定点信号在 MCU 上实现削波检测器。资料罗伯特·珀克尔

自调零

由于光电二极管的暗电流和运算放大器的小偏移，即使在黑暗时，系统的输出也将高于零。为了消除此错误，外部缓冲 DAC 连接到纠错级并由 MCU 控制。

要触发自调零操作，用户可以按下物理按钮或连接电源的消隐信号。消隐信号是光源未通电时的关闭时间。在消隐间隔的中间，系统可以像斩波稳定放大器一样重新校准自身，但在执行此操作时必须小心确保发射器和样品已停止发出荧光。这可以通过在上升沿之后添加一个小延时来实现。图 5显示了简化的时序图。

显示调零点的时序图，其中当光源未通电时，消隐信号在关闭时间内发出，在消隐间隔的中间，系统可以自行重新校准。资料罗伯特·珀克尔

对于用户可访问的按钮，可以通过可配置逻辑单元 (CLC) 和 MCU 上的定时器来执行去抖动。这种组合独立于 CPU 运行，使其能够专注于其他任务，如图6所示。

显示如何使用硬件外设实现去抖动器的逻辑图。资料罗伯特·珀克尔

相对输出控制

相对输出模式是辅助输出，指示与参考相比通过样品的光透射百分比。换句话说，如果仪器在没有填充样品瓶的情况下运行并记录 500mV 的输出，并且在装载样品瓶的情况下记录 250mV，则只有 50% 的光以感兴趣的波长透射。

为了在此模式下获得分辨率，由于高分辨率 ADC，专用测量板可产生结果。但是，如果输出高于限幅阈值，MCU 将具有更高的测量范围，因为其输入被分频，而不是限幅。

为了改善电阻网络的采样时间，可以使用内部运算放大器来缓冲输入信号并增加进入 ADC 的信号增益，如图 7所示。这提高了系统在较低信号电平下的性能。

相关输出模式的框图，其中内部运算放大器用于缓冲输入信号并增加进入 ADC 的信号增益。资料罗伯特·珀克尔

整合的挑战

将 MCU 与模拟电路混合使用时，需要记住以下几点。首先，模拟部分的信号范围可能远高于/低于 MCU 的额定值。因此，必须适当限制信号范围。通常，这会增加信号的阻抗，但这可以通过使用内部运算放大器之一缓冲网络来轻松解决，如下图 8所示。电阻网络的输出阻抗等于R 1与R 2并联。

使用集成运算放大器缓冲信号，电阻网络的输出阻抗等于 R 1 // R 2。资料罗伯特·珀克尔

另一个挑战是防止 MCU 的电磁干扰 (EMI) 影响模拟电路。这是一个针对具体应用的复杂挑战。但有以下几种常用方法：

在物理上分离模拟和数字电路
不要中断地平面
限制数字信号的转换速率
为模拟和数字电子设备使用单独的电源
适当地解耦数字电路

其他方法更具应用特定性。例如，在此设计中，光电二极管和跨阻放大器（TIA）将被屏蔽，以减少其他信号和环境条件对该级的影响。