圖1. 用于測(cè)量光強(qiáng)度的電路設(shè)計(jì)
如何將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為一個(gè)電學(xué)量!
發(fā)布時(shí)間:2021-09-06 來源:亞德諾半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】光強(qiáng)度的確定可能至關(guān)重要,例如,在設(shè)計(jì)房間的照明或準(zhǔn)備拍攝照片時(shí)。在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時(shí)代,確定光強(qiáng)度對(duì)于所謂智能農(nóng)業(yè)也有著重要作用。在這種情況下,一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)是監(jiān)測(cè)和控制重要的植物參數(shù),以促進(jìn)植物最好地生長(zhǎng)并加速光合作用。
Q:如何測(cè)量不同光源的光強(qiáng)度?
A:拿一只紅光、綠光、藍(lán)光LED。
光強(qiáng)度的確定可能至關(guān)重要,例如,在設(shè)計(jì)房間的照明或準(zhǔn)備拍攝照片時(shí)。在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時(shí)代,確定光強(qiáng)度對(duì)于所謂智能農(nóng)業(yè)也有著重要作用。在這種情況下,一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)是監(jiān)測(cè)和控制重要的植物參數(shù),以促進(jìn)植物最好地生長(zhǎng)并加速光合作用。
因此,光是最重要的因素之一。大多數(shù)植物通常吸收可見光譜中紅光、橙光、藍(lán)光和紫光波長(zhǎng)的光。光譜中綠光和黃光波長(zhǎng)的光一般會(huì)被反射,對(duì)植物生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)不大。通過控制不同生長(zhǎng)階段中的部分光譜和光照射強(qiáng)度,可以使生長(zhǎng)最大化,最終提高產(chǎn)量。
圖1顯示了一個(gè)用于測(cè)量可見光譜范圍內(nèi)的光強(qiáng)度的電路設(shè)計(jì),用于植物光合作用的實(shí)驗(yàn)。這里使用了三種不同顏色的光電二極管(綠光、紅光和藍(lán)光),它們響應(yīng)不同的波長(zhǎng)。通過光電二極管測(cè)量的光強(qiáng)度現(xiàn)在可以用來根據(jù)具體植物的要求控制光源。
圖1. 用于測(cè)量光強(qiáng)度的電路設(shè)計(jì)
所示電路由三個(gè)精密的電流-電壓轉(zhuǎn)換器(跨導(dǎo)放大器)組成,每種顏色(綠光、紅光和藍(lán)光)對(duì)應(yīng)一個(gè)。電流-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出連接到Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的差分輸入,從而將測(cè)量值作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提供給微控制器以做進(jìn)一步處理。
光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流
根據(jù)光強(qiáng)度,會(huì)有或多或少的電流流過光電二極管。電流和光強(qiáng)度之間的關(guān)系近似為線性,如圖2所示。圖中顯示了紅光(CLS15-22C/L213R/TR8)、綠光(CLS15-22C/L213G/TR8)和藍(lán)光(CLS15-22C/L213B/TR8)光電二極管的輸出電流與光強(qiáng)度的特性曲線。
圖2. 紅光、綠光和藍(lán)光光電二極管的電流與光強(qiáng)度的特性曲線
然而,紅光、綠光和藍(lán)光二極管的相對(duì)靈敏度是不同的,因此每級(jí)的增益必須通過反饋電阻 RFB單獨(dú)確定。為此,必須從數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲取每個(gè)二極管的短路電流 (ISC)),然后在由其確定的工作點(diǎn)處獲得靈敏度 S (pA/lux)。RFB計(jì)算如下:
VFS,P-P 表示所需的全輸出電壓范圍(滿量程、峰峰值);INTMAX 表示最大光強(qiáng)度,對(duì)于直射陽(yáng)光,其為120,000 lux。
電流-電壓轉(zhuǎn)換
高質(zhì)量的電流-電壓轉(zhuǎn)換要求運(yùn)算放大器的偏置電流盡可能小,因?yàn)楣怆姸O管的輸出電流在皮安范圍,偏置電流較大會(huì)造成相當(dāng)大的誤差。失調(diào)電壓也應(yīng)很小。ADI公司的 AD8500 是此類應(yīng)用的理想選擇,其偏置電流典型值為1pA,失調(diào)電壓最大值為1 mV。
模數(shù)轉(zhuǎn)換
為了進(jìn)一步處理測(cè)量值,光電二極管電流轉(zhuǎn)換成電壓后必須作為數(shù)字值提供給微控制器。為此可以使用具有多個(gè)差分輸入的ADC,例如16位ADCAD7798。因此,測(cè)量電壓的輸出碼如下:
其中
AIN = 輸入電壓,
N = 位數(shù),
GAIN = 內(nèi)部放大器的增益系數(shù),
VREF = 外部基準(zhǔn)電壓。
為了進(jìn)一步降低噪聲,ADC的每個(gè)差分輸入端均使用共模和差分濾波器。
所述的全部元器件都非常省電,使得該電路非常適合電池供電的便攜式現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
結(jié)論
必須考慮諸如器件的偏置電流和失調(diào)電壓之類的誤差源。而且,ADC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的放大因子會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量(跨導(dǎo)放大器的失調(diào)電壓會(huì)乘以ADC內(nèi)部的增益,使失調(diào)電壓的誤差放大),從而影響最終的采樣結(jié)果。采用圖1所示電路可以相對(duì)輕松地將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電學(xué)量,以供進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。
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