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如何將光強度轉換為一個電學量

2019-10-14 10:44:31 Thomas Brand，ADI公司

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問題：
如何測量不同光源的光強度？

回答：
拿一只紅光、綠光、藍光LED。

光強度的確定可能至關重要，例如，在設計房間的照明或準備拍攝照片時。在物聯網(IoT)時代，確定光強度對于所謂智能農業也有著重要作用。在這種情況下，一項關鍵任務是監測和控制重要的植物參數，以促進植物最好地生長并加速光合作用。因此，光是最重要的因素之一。大多數植物通常吸收可見光譜中紅光、橙光、藍光和紫光波長的光。光譜中綠光和黃光波長的光一般會被反射，對植物生長的貢獻不大。通過控制不同生長階段中的部分光譜和光照射強度，可以使生長最大化，最終提高產量。

圖1顯示了一個用于測量可見光譜范圍內的光強度的電路設計，用于植物光合作用的實驗。這里使用了三種不同顏色的光電二極管（綠光、紅光和藍光），它們響應不同的波長。通過光電二極管測量的光強度現在可以用來根據具體植物的要求控制光源。

所示電路由三個精密的電流-電壓轉換器（跨導放大器）組成，每種顏色（綠光、紅光和藍光）對應一個。電流-電壓轉換器的輸出連接到Σ-Δ模數轉換器(ADC)的差分輸入，從而將測量值作為數字數據提供給微控制器以做進一步處理。

光強度轉換為電流

根據光強度，會有或多或少的電流流過光電二極管。電流和光強度之間的關系近似為線性，如圖2所示。圖中顯示了紅光(CLS15-22C/L213R/TR8)、綠光(CLS15-22C/L213G/TR8)和藍光(CLS15-22C/L213B/TR8)光電二極管的輸出電流與光強度的特性曲線。

圖1.用于測量光強度的電路設計

圖2.紅光、綠光和藍光光電二極管的電流與光強度的特性曲線

然而，紅光、綠光和藍光二極管的相對靈敏度是不同的，因此每級的增益必須通過反饋電阻R_FB單獨確定。為此，必須從數據手冊中獲取每個二極管的短路電流(I_SC)，然后在由其確定的工作點處獲得靈敏度S (pA/lux)。R_FB計算如下：

V_FS,P-P表示所需的全輸出電壓范圍（滿量程、峰峰值）；INT_MAX表示最大光強度，對于直射陽光，其為120,000 lux。

電流-電壓轉換

高質量的電流-電壓轉換要求運算放大器的偏置電流盡可能小，因為光電二極管的輸出電流在皮安范圍，偏置電流較大會造成相當大的誤差。失調電壓也應很小。ADI公司的AD8500是此類應用的理想選擇，其偏置電流典型值為1 pA，失調電壓最大值為1 mV。

模數轉換

為了進一步處理測量值，光電二極管電流轉換成電壓后必須作為數字值提供給微控制器。為此可以使用具有多個差分輸入的ADC，例如16位ADC AD7798。因此，測量電壓的輸出碼如下：

此方程不對，應改為：

數字碼
GAIN
其中
A_IN = 輸入電壓，
N = 位數，
GAIN = 內部放大器的增益系數，
V_REF = 外部基準電壓。

為了進一步降低噪聲，ADC的每個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場應用。

結論

必須考慮諸如器件的偏置電流和失調電壓之類的誤差源。而且，ADC轉換器內部的放大因子會影響信號質量（跨導放大器的失調電壓會乘以ADC內部的增益，使失調電壓的誤差放大），從而影響最終的采樣結果。采用圖1所示電路可以相對輕松地將光強度轉換為電學值，以供進一步數據處理。

作者簡介

Thomas Brand于2015年在德國慕尼黑加入ADI公司，當時他還在攻讀碩士。畢業后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業客戶提供支持，并專注于工業以太網領域。他畢業于德國莫斯巴赫的聯合教育大學電氣工程專業，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。