PhotoDiode运放不理解的地方

只看该作者 · 2021-3-10 10:10

本帖最后由 Jack315 于 2021-3-10 10:15 编辑

选 3 个温度 TL<TM<TH，温度范围 (TL, TH) 尽量覆盖设计要求的范围，尽可能使得 TM = (TL + TH) / 2 ;
选 3 个光纤长度 LL<LM<LH，长度范围 (LL, LH) 尽量覆盖设计要求的范围，尽可能使得 LM = (LL + LH) / 2 。
上述实验参数两两组合共 9 种情况。对每一种参数组合进行实验。

9 次实验过程中不能修改硬件或软件，也就是要保持实验条件不变。否则数据分析的结果不具有意义。
如果一定要修改硬件或软件，请发贴说明，然后重新设计实验。

实验完成后，将 9 组数据发出来分析。每组数据应包括：
① 用 FLUKE 1552 测量的温度；
② 光纤长度，精确到 LL / 10 ；
③ 时间等间隔采样的 ADC 读数，或经换算后的电压值。

这个是初步的实验，后续如何再进行实验，视数据分析结果而定。

只看该作者 · 2021-3-10 22:00

【信号频谱分析】
PD 接收到的是一个指数衰减信号：

其频谱如下图所示：

理论上信号的频谱延伸到无穷大。

ADC 采样保持的信号频谱如下图所示：

指数衰减信号的频谱被搬移到采样频率的整数倍上。
这表示基带信号的频谱理论上在被采样后必然发生混叠，
即采样后的信号必然会失真，并导致衰减时常数的失真和误差。
这个误差将通过软件来进行修正。

由此得出在设计中：
① 采样频率应尽可能高，以降低信号频谱的混叠程度；
② 在 ADC 前的低通滤波器的主要功能将是滤除噪声。
后续将考察不同的截止频率对温度测量结果的影响。

频谱分析文档：

ExpSample.rar (312.2 KB)

1. ExpSample.mlx —— 频谱分析的 Matlab 实时脚本。
2. ExpSample.pdf —— Matlab 实时脚本的 PDF 版本。

只看该作者 · 2021-3-10 22:23

本帖最后由〽️〽️〽️ 于 2021-3-10 22:26 编辑

我有进展，都会来更新。大家有什么好的思路建议，方案都欢迎随时跟帖留言。每天基本花费16个小时在这个产品上，抽空我都会一一仔细阅读的

只看该作者 · 2021-3-10 22:40

【低通滤波器仿真】

把开贴中的电路在 LT-SPICE 中进行了仿真。
原理图如下：

节点 Vout 和 Vadc 的波特图如下：

测量结果表明：
① 直流增益为 140 dB。
② 在采样频率（100 kHz) 处的衰减为 92.58 dB
能满足对输入信噪比的要求（74dB）。

12-bit DAC 的信噪比要求为 6.02*12+1.76 = 74 dB 。
具体可参考下列帖子：
《ADC采集低通滤波问题》的 14 楼：
[https://]
bbs.21ic.com/icview-2868898-1-1.html

再发一遍有关文档：

ADC SNR.pdf (76.34 KB)

LT-SPICE 仿真原理图：

TIA.rar (849 Bytes)

后续要确定低通滤波器的最佳参数。
要用到下列实验仪器/设备：
① 扫频仪
② 温湿度试验箱

网上随意找了一个示意一下，非广告：

只看该作者 · 2021-3-10 23:12

本帖最后由〽️〽️〽️ 于 2021-3-15 17:19 编辑

我觉得和算法甚至硬件可能都有关系

只看该作者 · 2021-3-10 23:23

〽️〽️〽️ 发表于 2021-3-10 23:12
这是进口模块的软件配置说明，刚拿到的
工具翻译了下，我觉得和算法甚至硬件可能都有关系，从中领悟一部 ...

有个 Convergence Filter 的概念。这个应该是软件方面的。
回头看看随着设计的进行，这个概念是否也会自然而然的出现在眼前。

只看该作者 · 2021-3-10 23:32

本帖最后由〽️〽️〽️ 于 2021-3-10 23:33 编辑

老外原先只提供 Target Light Level  这个值，让我们配置。因为超长光纤不配置用默认3000 无法正常用的，只能配置低才行

这里面实际是模块的高级功能指令，用户是不会涉及到的。只有我们出厂时配置。但光纤不长的话都不需要配置。

用户只看4个有效值
1. tao值，也就是decay time 如3200.02，有了它 CPU  查表eeprom保存的decay time 和温度值就能推出温度值
2. 温度值，如 36.1°C，就是tao 或者叫decay time 得到的
3. Led的 DAC值，光纤长发光亮就会100左右，光纤短发光暗点，值一般50，有时候比如光纤接头和光学部分分离多点， LED的 DAC值就会到1500以上，甚至2000，但最大4000，因为12BIT DAC最大4095值
4. light level  关闭LED后等待us返回的采集第一个3000值，如2997，  3010，  要保持3000 ±1% ，当上述3分离时，3000值可能变1900，那马上下一周期要DAC加大，发出更强的光，才能返回采集3000

只看该作者 · 2021-3-10 23:42

本帖最后由 Jack315 于 2021-3-10 23:44 编辑

〽️〽️〽️ 发表于 2021-3-10 23:32
老外原先只提供 Target Light Level 这个值，让我们配置。因为超长光纤不配置用默认3000 无法正常用的， ...

配置值多，尤其是为使设备在用户的使用环境下能正常工作而进行的配置，
往好的方面说是软件有灵活性，能根据客户的使用情况量身定做；
往不好的方面说可能是设计不到位所致。
毕竟仪器能做到自适应，用户打开电源就能用才是优秀的设计。

9 组实验的数据或许就能帮助进行一定程度的自适应设计。

只看该作者 · 2021-3-11 08:49

〽️〽️〽️ 发表于 2021-3-10 23:32
老外原先只提供 Target Light Level 这个值，让我们配置。因为超长光纤不配置用默认3000 无法正常用的， ...

decay time vs 温度表是你测定还是原板自带？

只看该作者 · 2021-3-11 10:05

csdnpurple 发表于 2021-3-11 08:49
decay time vs 温度表是你测定还是原板自带？

买来的原板带的，默认就用它挺准的

有时候长度特别长时，我们自己重新标定后可把对应decay time和温度写入flash。
一般标准15个整数倍的温度。

只看该作者 · 2021-3-11 10:22

现在的示波器有扫频功能了：

示波器数据手册：

5992-3484.pdf (2.08 MB)

只看该作者 · 2021-3-11 16:35

https://bbs.21ic.com/icview-2879558-1-1.html
搞光电转换一年多了，这是之前的帖子，希望对你有用

只看该作者 · 2021-3-11 20:39

【锁相技术方案】
参考资料：72 楼，第 11 章。

荧光物质对光激励的响应与一阶 RC 高通滤波器的响应等价。
H(ω) = 1 / (1 + j ω τ)
因此可以用一个正弦信号加到 LED 作为激励，
而荧光物质的衰减时间可以由响应的延时求得：
tan(φ) = ω τ
这是通过相位来获得衰减时间的方案。

据参考资料介绍，使用方波比正弦波有更好的性能。
这个方案的缺点是激励光的泄露对性能有比较大的影响。

求相位的一种方法是用锁相技术。这是参考资料上给的方案：

其中：
FID 为荧光物质
Vm 为激励信号
Vf 为荧光物质的响应信号

为了消除激励光泄露的影响，参考资料中提到了使用双参考信号的锁相技术。
相关的文献：

① Z. Y. Zhang, K. T. V. Grattan, and A. W. Palmer, Phase-locked detection of fluorescence lifetime
and its thermometric applications, in: Int. Conf. Biomedical Optics ’93, Los Angeles, January 1993.
SPIE Proc. 1885, 228–239 (1993).

② Z. Y. Zhang, K. T. V. Grattan, and A. W. Palmer, Fibre-optic high temperature sensor based on the
fluorescence lifetime of alexandrite, Rev. Sci. Instrum. 63(5), 3177–3181 (1992).

有没有小伙伴能提供这两篇文献？

根据参考资料的介绍，这个方案的性能不错。
LZ 手上进口的应该就是这个方案的，要不要考虑换这个方案？
如果换锁相技术的方案，坛子里还有一位专家级的前辈 @gmchen 可以请教。

目前 LZ 采用的方案参考资料也有介绍，而具体的算法与 40 楼的一样。

只看该作者 · 2021-3-11 20:46

感谢网友 @yjmwxwx 提供的宝贵资料。

只看该作者 · 2021-3-12 09:52

〽️〽️〽️ 发表于 2021-3-11 10:05
买来的原板带的，默认就用它挺准的

有时候长度特别长时，我们自己重新标定后可把对应decay time和温 ...

现在你能做到的分辨率是多少？

只看该作者 · 2021-3-12 10:12

本帖最后由〽️〽️〽️ 于 2021-3-12 10:14 编辑

csdnpurple 发表于 2021-3-12 09:52
现在你能做到的分辨率是多少？

0.1°C 分辨率
但问题是：C1 得改成33pF才行。
如果用1pF, 分辨率虽然0.1°C ，但极不稳定，±5°C精度。但可以适应各种长度的光纤传感器。
如果用33pF,分辨率0.1°C , 正负0.5°C精度。但问题是这个时候不能适应各种长度的光纤传感器了。

只看该作者 · 2021-3-12 10:26

本帖最后由〽️〽️〽️ 于 2021-3-12 10:28 编辑

Jack315 发表于 2021-3-11 20:39
【锁相技术方案】
参考资料：72 楼，第 11 章。

请教一个算法，
就是为了关闭LED后，我在20us固定延时后，要读到3000 ADC值。
发现高了,LED 的DAC降低，发现低了LED的DAC增加。让它返回的这个点保持3000。
始终形成闭环稳定。

现在我的算法很笨，就是分段计算超过大就加或者减大一点值，如 DAC 70时， ADC 是3000。
这个控制在70时，返回其实不是恒定3000的，有时返回3010，有时2980，总之在3000 ±1% 满足
这样不影响最后的计算。就不去调节DAC

但有时返回3031 或者2969时超过了±1% 就得调DAC 从70降到69 或者加到71，使其回到3000 ±1%

这种用什么公式算法可以平滑的预测下次DAC值呢？

只看该作者 · 2021-3-12 10:35

本帖最后由 csdnpurple 于 2021-3-12 10:52 编辑

〽️〽️〽️ 发表于 2021-3-12 10:12
0.1°C 分辨率
但问题是：C1 得改成33pF才行。
如果用1pF, 分辨率虽然0.1°C ，但极不稳定，±5°C精度。 ...

业内最高水平是怎样的？增加不同长度的 decay time vs 温度表能解决问题吗？

只看该作者 · 2021-3-12 10:38

本帖最后由 csdnpurple 于 2021-3-12 10:45 编辑

〽️〽️〽️ 发表于 2021-3-12 10:26
请教一个算法，
就是为了关闭LED后，我在20us固定延时后，要读到3000 ADC值。
发现高了,LED 的DAC降低， ...

dac的值是你主动输出的为什么要预测？平滑的预测怎样理解？

只看该作者 · 2021-3-12 10:58

〽️〽️〽️ 发表于 2021-3-12 10:26
请教一个算法，
就是为了关闭LED后，我在20us固定延时后，要读到3000 ADC值。
发现高了,LED 的DAC降低， ...

我能想到的是卡尔曼滤波，不知道有没有更好的算法？

在前面建议的 9 组试验，要求 DAC (LED 激励) 保持不变。
如果系统不能正常工作了，就选择能正常工作的实验参数，
即重新选择 TL, TH 和 LL, LH 。

锁相技术方案的硬件可以使用现在使用的电路，参考信号用正弦波。
如果采用方波，电路可能会更简单，但会有其它的问题出现……后续再讨论。
锁相靠软件来实现。这里给个大致的思路：

DAC 输出一正弦信号 Asin(wt+a)，PD 信号经 ADC 采集 Bsin(wt + b)。
两者相乘得 AB[cos(wt+a+wt+b)-cos(wt+a-wt-b)]/2 = AB[cos(2wt+a+b)-cos(a-b)]/2
这个是鉴相功能，cos(a-b) 包含了相位差的信息。

将鉴相信号求移动平均作为低通滤波器的输出，然后用这个信号来调整正弦信号的频率。

这个是不太成熟的思路。只是想说明锁相技术是可以通过软件来实现的。

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