Обзор

Ресурсы проектирования

Файлы проектирования и интеграции

  • Схема
  • Спецификация
  • Файлы Gerber
  • Сборочные чертежи
  • Файлы трассировки Allegro
  • Файлы для 3D-печати
  • Программное обеспечение
Загрузить файлы проектов 8.22 M

Оценочные платы

Буква "Z" в наименовании компонента указывает на соответствие требованиям RoHS. Отмеченные платы нужны для оценки данной схемы

  • EVAL-ADICUP3029 ($45.00) Ultra Low Power Arduino Form Factor Compatible Development Board
  • EVAL-CN0503-ARDZ ($400.00) Multichannel Optical-based Liquid Measurement Platform
Проверка наличия и приобретение

Драйверы устройств

ПО (код на С и/или FPGA) для связи с цифровым интерфейсом компонента.

Драйвер ADPD410x для работы без ОС

Функции и преимущества схемы

Оптические методы используются в рамках различных способов анализа жидкостей. Такие явления, как поглощение, флуоресценция, рассеяние и обратное рассеяние, используются для определения химического состава, уровня pH, мутности и других химических и физических свойств жидкости. Оптические методы характеризуются рядом преимуществ, а именно: бесконтактность, неразрушающее воздействие, высокая точность и высокая чувствительность. Однако для компенсации электрических и физических ошибок зачастую требуется реализация сложной электроники. Кроме того, для оптимизации оптического тракта и устранения помех, вызванных окружающим светом, необходимо очень тщательно подойти к проектированию корпуса.

Схема, показанная на рисунке 1, представляет собой реконфигурируемую многопараметрическую оптическую платформу для измерения параметров жидкости, способную выполнять колориметрию, флуорометрию и определять мутность. Благодаря использованию высокоинтегрированного мультимодального сенсорного интерфейса, способного одновременно управлять четырьмя светодиодами и синхронно измерять ток с четырех пар фотодиодов с изменяемой частотой дискретизации, схема измерения существенно упрощается. Кроме того, данный интерфейс имеет встроенные цифровые фильтры и возможности подавления окружающего света, что позволяет этой платформе работать полноценно независимо от условий окружающей среды.

Хотя данная система имеет характеристики высококачественного лабораторного прибора, ее можно адаптировать для применения в портативных и носимых устройствах. Минимальный ток светодиода можно установить на 2 мА. За счет низкого тока в режиме сна, равного 200 нА, и изменяемой скорости передачи выходных данных эта система обеспечивает сверхнизкое энергопотребление. Кроме того, основная плата системы выполнена в форм-факторе Arduino, что значительно ускоряет процесс прототипирования с использованием стандартных процессоров.

Данная платформа может работать с различными светодиодами с длинами волн от инфракрасного до ультрафиолетового диапазонов, а также может одновременно измерять ток от четырех независимых световых трактов. Кроме того, процессы измерения света по двум из этих световых трактов могут выполняться перпендикулярно, что можно применять при измерении флуоресценции и мутности.

Каждый световой тракт содержит измерительный и опорный фотодиод, который измеряет интенсивность падающего луча, что позволяет устранить практически все ошибки, связанные с точностью источника тока светодиода, дрейфом светодиода и механическими дефектами.

Рисунок 1. Упрощенная схема оптической платформы для измерения параметров жидкостей
Рисунок 1. Упрощенная схема оптической платформы для измерения параметров жидкостей

Описание схемы

Основы и теория оптических измерений

Для выполнения оптических измерений требуются различные оптические, электронные и оптоэлектронные устройства, преобразующие световые явления в электрические сигналы, которые затем могут быть оцифрованы для отображения или дальнейшей обработки. Как показано на рисунке 2, в оптическую измерительную систему, как правило, входит источник монохроматического света с фиксированной или изменяемой длиной волны, средство, формирующее геометрию образца (например, кювета или проточная ячейка), и один или несколько фотодетекторов. Для компенсации дрейфа дополнительно может быть использовано средство измерения интенсивности падающего света, а помехи от окружающего света могут быть уменьшены путем модуляции или прерывания луча и синхронной демодуляции выходного сигнала детектора.

Достижения в области полупроводниковых источников света и детекторов позволяют создавать компактные, энергоэффективные оптические измерительные системы, но для управления светодиодами, усиления и оцифровки тока фотодиода и получения точных результатов измерений требуется прецизионная схема.


Мультимодальный сенсорный входной интерфейс ADPD4101

Основой CN-0503 является мультимодальный сенсорный входной интерфейс ADPD4101 с высокой степенью интеграции. В ADPD4101 содержатся все необходимые цепи управления светодиодами и цепи согласования сигналов фотодиодов. Это устройство может управлять восемью светодиодами и измерять возвращаемые сигналы с помощью восьми токовых входов. Двенадцать временных интервалов позволяют проводить до 12 измерений за период выборки. Схема управления содержит настраиваемую цепь подачи сигналов на светодиоды и цепь синхронного обнаружения с возможностью подавления помех как от постоянного, так и от модулированного окружающего света (солнечный свет, свет от светодиодов, флуоресцентный свет и другие источники света). Встроенные цифровые фильтры позволяют еще больше снизить уровень шума от окружающего света, а также от других источников.

Сенсорный интерфейс ADPD4101, способный выдавать до 400 мА для управления светодиодами, обладающий динамическим диапазоном 100 дБ, а также имеющий восемь входов и восемь выходов, является идеальным решением для высококачественных лабораторных и портативных приборов, в том числе систем для фотометрического анализа жидкости.

Частоту дискретизации и ток возбуждения светодиодов можно изменять с высокой точностью, что позволяет балансировать между энергопотреблением и отношением сигнал/шум. Общая потребляемая мощность при питании светодиодов составляет 30 мкВт, а ADPD4101 работает со скоростью 25 выборок в секунду, что подходит для применения в портативных инструментах и датчиках системы Интернета вещей (IoT) с питанием от батарей.


Подавление окружающего света и оптимизация отношения сигнал/шум

ADPD4101 может подавлять влияние окружающего света (например, солнечного света), модулируя ток светодиода и синхронно измеряя разницу между включенным состоянием и выключенным состоянием. Такая процедура подавления окружающего света выполняется автоматически, без использования внешних контуров управления, вычитания постоянного тока или цифровых алгоритмов. Ширина импульса возбуждения программно изменяется до минимальной ширины 1 мкс, обеспечивая подавление до 1 МГц от современных твердотельных источников света, световых сигналов 50 Гц или 60 Гц от ламп накаливания и люминесцентных ламп с традиционными балластами. Короткие импульсы обеспечивают максимальное подавление окружающего света и наименьшее рассеивание мощности, но это достигается за счет уменьшения отношения сигнал/шум.

С целью повышения отношения сигнал/шум количество импульсов, используемых для каждой выборки, может быть увеличено. При каждом удвоении количества импульсов отношение сигнал/шум увеличивается на 3 дБ. Также можно активировать дополнительное периодическое прерывание интегратора, которое позволяет инвертировать последовательность интегратора для половины количества импульсов. Благодаря этому устраняются низкочастотные сигналы, вносимые интегратором, и дополнительно увеличивается отношение сигнал/шум.

В ADPD4101 также есть несколько режимов, которые могут дополнительно увеличить отношение сигнал/шум и повысить качество подавления окружающего света в различных условиях. Для получения дополнительной информации о других режимах ADPD4101 ознакомьтесь с таблицей 1.

Возможность качественного подавления окружающего света в сочетании с компенсацией помех на оптическом тракте снижает или устраняет необходимость в экранировании и значительно упрощает конструкцию корпуса при использовании ADPD4101.


Рисунок 2. Стандартная оптическая измерительная система

Рисунок 2. Стандартная оптическая измерительная система

Таблица 1. Режимы интегрирования ADPD4101
Режим Описание Назначение
Множественное аналоговое интегрирование Светодиод посылает импульсы x раз до начала дискретизации выборки АЦП Дискретизация очень слабых световых сигналов
Цифровое интегрирование в одной области Сначала берутся выборки при неосвещенной сцене до включения светодиода Дискретизация световых сигналов при стабильных условиях окружающего освещения
Цифровое интегрирование в двух областях Первая половина выборок берется при неосвещенной сцене до включения светодиода, а другая половина выборок берется после включения светодиода Дискретизация световых сигналов при меняющихся условиях окружающего освещения


Настройки оптического тракта измерения

CN-0503 имеет четыре настраиваемых оптических тракта. Каждый тракт состоит из цепи тока возбуждения светодиода, конденсорной линзы, расщепителя луча, опорного фотодиода, и передающего фотодиода. Два внешних тракта также содержат перпендикулярно направленные фотодиоды и фильтрующие приемники для измерения флуоресценции и рассеяния. При желании к каждому тракту можно добавить узкополосный полосовой фильтр и нейтральный светофильтр (если это необходимо для системы).

Сменные переходные платы позволяют настраивать каждый оптический тракт на различные длины волн. Каждая такая плата позволяет размещать светодиод в фокусе конденсорной линзы.

Конденсорная линза фокусирует свет от светодиода в луч, который направляется по оптическому тракту. Также перед конденсорной линзой может быть добавлен полосовой фильтр, что позволит использовать широкополосные светодиоды при измерениях, в которых требуется возбуждение с определенной длиной волны, например, при измерении поглощения и флуоресценции. Кроме того, перед конденсорной линзой можно добавить нейтральный светофильтр для равномерного ослабления света светодиодов в системах, в которых требуется проведение измерений при очень слабом освещении, когда происходит быстрое насыщение при нормальной интенсивности светодиодов.

Расщепитель луча направляет часть падающего луча на опорный фотодиод. Измеренные сигналы от опорного диода представляют собой интенсивность падающего света, что позволяет компенсировать ошибки, вызванные вследствие погрешностей в точности источника тока ADPD4101, передаточной функции светодиода, самого оптического пути и температурного дрейфа.

Передающий фотодиод расположен прямо на оптическом тракте и улавливает свет, проходящий через исследуемый образец. В координации с опорным фотодиодом все четыре оптических тракта в системе могут выполнять измерения поглощения и рассеяния на 180°.

На двух внешних оптических трактах фотодиоды, расположенные перпендикулярно тракту, улавливают свет, излучаемый и/или рассеиваемый образцом. Комбинация фотодиодов, используемых для каждого из внешних оптических трактов, настраивается с помощью выделенных для этого разъемов. Кроме того, перед перпендикулярно размещенным фотодиодом можно установить узкополосный фильтр, чтобы дополнительно изолировать флуоресценцию от рассеянного света.

Рисунок 3. Схемотехнический вид оптического тракта
Рисунок 3. Схемотехнический вид оптического тракта


Измерение флуоресценции

Флуоресценция – это явление, при котором электроны определенных материалов возбуждаются лучом света, обычно в ультрафиолетовом диапазоне, что почти мгновенно заставляет их излучать свет с другой длиной волны. Интенсивность излучаемого света пропорциональна концентрации материала. Использование флуорометрии для определения концентрации материалов в растворе зачастую является намного более точным способом по сравнению с методом измерения оптической плотности. Кроме того, измерения флуоресценции линейны в более широком диапазоне концентраций.

Как правило, для измерения флуоресценции используется детектор, расположенный под углом 90° относительно падающего света, чтобы минимизировать его влияние на измерение. Поскольку существует несколько факторов, которые влияют на результат измерения, например, помехи, вызываемые источником света, внешнее освещение и небольшие движения в исследуемом образце, для измерения падающего света используется опорный детектор. Кроме того, вместе с флуоресцентным детектором используется монохроматический или длинноволновой пропускающий фильтр с целью увеличения степени изоляции между падающим и излучаемым светом. На рисунке 4 показан оптический тракт, применяемый при измерении флуоресценции.

Рисунок 4. Оптический тракт для измерения флуоресценции
Рисунок 4. Оптический тракт для измерения флуоресценции


С помощью CN-0503 можно проводить измерения флуоресценции с использованием любого из двух внешних оптических трактов. Например, для определения количества хинина в тонизирующей воде, который флуоресцирует на длине волны 450 нм при возбуждении светом с длиной волны 365 нм, на одном из двух внешних оптических трактов устанавливается светодиод, излучающий свет с длиной волны 365 нм, а также перед перепендикулярно расположенным фотодиодом устанавливается длинноволновой пропускающий фильтр на 410 нм. Флуоресценция (и, следовательно, количество содержащегося в жидкости хинина) определяется как отношение перпендикулярно падающего света к прямому пропускаемому свету.


Измерение поглощательной способности

В колориметрии широко используется свойство светопоглощения растворенных веществ в жидком растворе с целью определения их концентрации на основе закона Бера-Ламберта (уравнение 1).

equation 1

Здесь:
c – молярная концентрация.
ε – молярный коэффициент поглощения.
l – длина оптического тракта.
I0 – интенсивность падающего света.
I – интенсивность пропускаемого света.

Принципы колориметрии также используются в измерениях, в рамках которых концентрация растворенного вещества определяется путем изменения цвета реагента.

На рисунке 5 показана структура оптического тракта для проведения измерения поглощательной способности (оптической плотности). Падающий луч направляется на расщепитель, который позволяет измерять интенсивность луча, направленного на опорный фотодиод, а оставшаяся мощность направляется через образец. Результаты измерения сигналов опорного светодиода позволяют программно устранить большую часть ошибок усиления и дрейфа. По двум идентичным приемным трактам одновременно производится дискретизация измеряемого и опорного лучей, что обеспечивает подавление изменяющегося во времени окружающего света.

Рисунок 5. Оптический тракт для измерения поглощательной способности
Рисунок 5. Оптический тракт для измерения поглощательной способности


CN-0503 позволяет измерять поглощательную способность на всех оптических трактах. Такие измерения выполняются в рамках колориметрии, которая применяется в различных случаях, связанных с анализом качества воды. В качестве примера применения можно привести определение pH раствора с использованием бромтимолсульфонфталеина, выступающего в роли индикатора. На рисунке 6 показаны различные спектральные характеристики оптической плотности бромтимолсульфонфталеина при различных уровнях pH. При двух разных длинах волн существует широкий диапазон возможных значений поглощательной способности при различных pH. Благодаря этому можно эффективно определять pH раствора на основе измеренной оптической плотности с использованием источника света с двумя длинами волн: 430 нм и 615 нм.

Рисунок 6. Зависимость оптической плотности бромтимолсульфонфталеина от уровня pH
Рисунок 6. Зависимость оптической плотности бромтимолсульфонфталеина от уровня pH


Коэффициенты калибровки определяются путем измерения оптической плотности буферов с известным pH, которые затем используются для измерения уровней pH неизвестных образцов.


Измерение мутности

ри измерении мутности используется свойство светорассеяния нерастворимых материалов, взвешенных в жидком образце. Количество света, рассеиваемого материалом, и угол рассеяния различаются в зависимости от длины волны падающего света и размера частиц. В разработанном стандарте измерения мутности единица измерения устанавливается в зависимости от геометрии, количества детекторов и длины волны источника света. На рисунке 7 показан оптический тракт для измерения мутности с помощью детектора, установленного на 90° или 180°.

Рисунок 7. Измерения мутности жидкости или рассеяния света


Платформа ориентирована на использование нефелометрической единицы мутности (NTU), единицы мутности по формазину (FTU), единицы поглощения (AU) и единицы поглощения по формазину (FAU).

Таблица 2. Единица измерения мутности в зависимости от расположения детектора и длины волны источника света
Расположение детектора Источник света
Широкополосный (от 400 нм до 680 нм) ИК-диапазона (от 780 нм до 900 нм)
Один, расположенный под углом 90° NTU FTU
Один, расположенный под углом 180° AU FAU


  • NTU измеряется с помощью одного детектора, расположенного под углом 90° относительно падающего луча, и с использованием широкополосного источника света с пиковым спектральным выходом в диапазоне от 400 до 680 нм.
  • Единица FTU подобна NTU с той лишь разницей, что она соответствует стандарту качества питьевой воды ISO7027 благодаря использованию монохроматического источника инфракрасного света с пиковым спектральным выходом в диапазоне от 780 до 900 нм.
  • Единица AU подобна NTU с той лишь разницей, что для ее измерения детектор размещается под углом 180° относительно падающего луча.
  • FAU является эквивалентом AU в соответствии со стандартом ISO7027.


Два внешних оптических тракта могут быть настроены для измерения мутности с использованием либо комбинации из прямо расположенного и опорного фотодиодов, либо комбинации из перпендикулярно расположенного и опорного фотодиодов. При необходимости соответствия стандарту ISO7027 используется инфракрасный светодиод, но если соответствие ISO7027 не требуется, то вполне подойдет светодиод с длиной волны 530 нм.


Программные операции

ADPD4101 выполняет многие необходимые операции по предварительной обработке, такие как синхронное обнаружение и усреднение, что значительно снижает вычислительную нагрузку с программного обеспечения. Пример микропрограммного обеспечения CN-0503 предоставляет набор функций для установки и чтения параметров ADPD4101 и арифметических операций над комбинациями считанных значений (отношения, смещения, полиномы) по простому последовательному текстовому протоколу. Кроме того, настроенные параметры могут быть сохранены во встроенной EEPROM, что позволяет прикладному программному обеспечению легко возвращаться в известное состояние при включении питания.


Результаты

На рисунке 8 представлен график измерения флуоресценции. Светодиод с длиной волны 365 нм установлен в оптическом тракте 1, а фильтр на 450 нм установлен в перпендикулярном тракте обнаружения. Сначала система была откалибрована с использованием дистиллированной воды, после чего образец, содержащий 0,04 ppm хинина, был помещен в кюветный держатель.

Рисунок 8. График содержания хинина в жидкости
Рисунок 8. График содержания хинина в жидкости

Основные варианты исполнения

ADPD4100 представляет собой вариант ADPD4101 с последовательным периферийным интерфейсом (SPI), работающим с максимальной тактовой частотой 24 МГц, что необходимо для систем, в которых требуется обеспечение более высокой пропускной способности или детерминированной синхронизации. CN-0409 является измерителем мутности, который, по сути, представляет собой вариант CN-0503, а CN-0363 – это измерительная система для колориметра, основанная на дискретных аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и схеме возбуждения, управление которыми осуществляется посредством программируемой вентильной матрицы (FPGA), и предназначается она для приложений, где требуется обеспечение синхронизации или преобразования сигналов, выходящее за рамки возможностей ADPD4101.

Оценка параметров и тестирование схемы

CN-0503 имеет интерфейсный форм-фактор шилда (платы расширения) Arduino, что позволяет использовать другие совместимые отладочные платы для оценки и прототипирования. Микропрограммное обеспечение и демонстрационное программное обеспечение используют плату контроллера EVAL-ADICUP3029 для демонстрации проведения различных измерений, которые могут быть выполнены с использованием данной системы.


Необходимое оборудование

  • Оснащенный USB-портом хост-компьютер в виде ПК, Mac или компьютера с ОС Linux
  • Программа терминала последовательного порта (PuTTY, TeraTerm и т. д.)
  • Один комплект с оценочной платой EVAL-CN0503-ARDZ
  • Одна плата разработки EVAL-ADICUP3029
  • Файл микропрограммного обеспечения CN-0503.hex


Начало работы

В данном разделе приводится общая процедура настройки четырех оптических трактов CN-0503 с целью демонстрации проведения трех различных типов измерений. Для получения подробных инструкций по сборке механических компонентов и настройке платы обратитесь к руководству пользователя аппаратного обеспечения EVAL-CN0503-ARDZ.

Подробные описания микропрограмм и программного обеспечения, функций и примеров на языке Python приведены в руководстве пользователя программного обеспечения EVAL-CN0503.

  1. Установите перемычки на разъемы выбора фотодиодов в оптическом тракте 1 и оптическом тракте 4, чтобы использовать перпендикулярно установленный и опорный фотодиоды.
  2. Настройте все светодиоды и опорные линии ввода/вывода (I/O) на использование напряжения питания и линий ввода/вывода контроллера Arduino.
  3. Обеспечьте подключение к стабилизатору с малым падением напряжения (LDO) 1,8 В.
  4. <Соберите систему EVAL-CN0503-ARDZ в соответствии с инструкциями, приведенными в руководстве пользователя аппаратного обеспечения EVAL-CN0503-ARDZ.
  5. На рисунке 9 показана полностью собранная установка EVAL-CN0503-ARDZ с кюветным держателем, расположенным в оптическом тракте 4.
  6. Рисунок 9. Полностью собранная установка EVAL-CN0503-ARDZ
    Рисунок 9. Полностью собранная установка EVAL-CN0503-ARDZ


  7. Подключите EVAL-ADICUP3029 к нижней части EVAL-CN0503-ARDZ с помощью разъемов Arduino.
  8. Подключите EVAL-ADICUP3029 к компьютеру с помощью кабеля USB micro.
    • Загрузите демонстрационную прошивку CN-0503 в EVAL-ADICUP3029, скопировав предварительно созданный файл с расширением hex непосредственно на диск DAPLINK (см. руководство пользователя ADICUP3029).
  9. Откройте терминал последовательного порта и подключитесь к COM-порту ADICUP3029. Профиль конфигурации по умолчанию загружается автоматически.
  10. Введите сначала команду MODE CODE, а затем команду STREAM 5, чтобы получить пять значений измерения от АЦП для каждого из передающих и опорных трактов. Пример ответа показан на рисунке 10.
  11. Рисунок 10. Получение результатов измерений при исследовании нейтрального образца, режим CODE
    Рисунок 10. Получение результатов измерений при исследовании нейтрального образца, режим CODE

  12. Введите сначала команду MODE ARAT, а затем команду STREAM 5, чтобы получить пять значений измерения в режиме абсолютного соотношения (отношение переданного значения к опорному значению). На рисунке 11 показан пример результата, когда нейтральный образец вставлен в оптический тракт 1, а все остальные тракты оставлены пустыми.
  13. После выполнения базовых операций платформу можно настроить для выполнения дополнительных измерений, описанных в руководстве пользователя аппаратного обеспечения EVAL-CN0503-ARDZ.

Рисунок 11. Получение результатов измерений при исследовании нейтрального образца, режим ARAT
Рисунок 11. Получение результатов измерений при исследовании нейтрального образца, режим ARAT

Образцы

Образцы

Продукт

Описание

Доступный продукт
Модели для образца

ADPD4100 Multimodal Sensor Front End

ADPD4100BCBZR7

ADPD4101 Multimodal Sensor Front End

ADPD4101BCBZR7

LT1761 100mA, Low Noise, LDO Micropower Regulators in TSOT-23

LT1761ES5-1.2#TRMPBF

LT1761ES5-1.5#TRMPBF

LT1761ES5-1.8#TRMPBF

LT1761ES5-2#TRMPBF

LT1761ES5-2.5#TRMPBF

LT1761ES5-2.8#TRMPBF

LT1761ES5-3#TRMPBF

LT1761ES5-3.3#TRMPBF

LT1761ES5-5#TRMPBF

LT1761ES5-BYP#TRMPBF

LT1761ES5-SD#TRMPBF

LT1761IS5-1.2#TRMPBF

LT1761IS5-1.5#TRMPBF

LT1761IS5-1.8#TRMPBF

LT1761IS5-2#TRMPBF

LT1761IS5-2.5#TRMPBF

LT1761IS5-2.8#TRMPBF

LT1761IS5-3#TRMPBF

LT1761IS5-3.3#TRMPBF

LT1761IS5-5#TRMPBF

LT1761IS5-BYP#TRMPBF

LT1761IS5-SD#TRMPBF

Функционирование раздела Покупка возможно только в полной версии сайта
Оценочные платы Цена указана за одну единицу.
Назад
Проверить наличие
Через сайт Analog.com можно приобрести не более двух оценочных плат. Чтобы заказать более двух оценочных плат, пожалуйста, совершайте покупку через наших дистрибьюторов.
Цены указаны за одну штуку, в долларах США, на условиях ФОБ. Являются рекомендованными розничными ценами в США, приведены только для примерного расчета и могут меняться. Международные цены могут отличаться на величину местных пошлин, налогов, сборов и курсов валют.