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PhotoDiode运放不理解的地方

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Jack315| | 2021-3-10 10:10 | 显示全部楼层
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。

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Jack315 2021-3-10 12:12 回复TA
@〽️〽️〽️ :还有一样,LED 的发光强度(驱动电流)在整个实验过程中也不能变,要保持恒定。 
Jack315 2021-3-10 10:16 回复TA
@〽️〽️〽️ :采样要时间等间隔的。最好能记录下采样时间,以免理解错误。 
〽️〽️〽️ 2021-3-10 10:11 回复TA
OK 
Jack315| | 2021-3-10 22:00 | 显示全部楼层
【信号频谱分析】
PD 接收到的是一个指数衰减信号:
ExpSignal.jpg
其频谱如下图所示:
ExpSpectrum.jpg
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:
SHSpectrum.jpg
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)

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Jack315 2021-3-10 22:48 回复TA
@〽️〽️〽️ :准备申请投资温湿度箱。不然最后的设计结果不会是最优的,不排除质量达不到要求的可能。 
Jack315 2021-3-10 22:45 回复TA
@〽️〽️〽️ :只要按部就班的做下去,最后在模型中全部 All-In-One 。 
〽️〽️〽️ 2021-3-10 22:29 回复TA
@Jack315 : 只有一台 -50~500°C 的恒温测试实验箱,标定温度时我们配合fluke的标准温度计 标定 这个恒温箱 不能测湿度。 
Jack315 2021-3-10 22:23 回复TA
@〽️〽️〽️ :有 2 年时间应该够了。顺便问题贵司有温湿度试验箱吗? 
〽️〽️〽️ 2021-3-10 22:22 回复TA
主要是 涉及到很多算法,模拟,光学,材料学等好多综合知识 另外最关键的 是 理论和实际测试 有偏差值,这一点点的偏差就导致测温不稳定 不像数字电路产品,是1是1,是0就是0,那样是可用公式直接验算结果的 
〽️〽️〽️ 2021-3-10 22:19 回复TA
非常感谢,这几天各位提供的建议方案特别多,够我一个月时间去验证 测试了。 确实还有大量工作要做,目前已经做了8个多月了。估计还要2年。 现在做稳定这个 0.1°分辨率,0.3°C 精度的,国产的市面上还没有。 
Jack315 2021-3-10 22:09 回复TA
@king5555: 不瞒你说,LZ 要想做好这个设计,后续还有一堆实验要做……可不是一般的辛苦。 
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king5555 + 6 辛苦了。
〽️〽️〽️|  楼主 | 2021-3-10 22:23 | 显示全部楼层
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

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Jack315| | 2021-3-10 22:40 | 显示全部楼层
【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:
Schematic.jpg
节点 Vout 和 Vadc 的波特图如下:
Bode.jpg

Measurement.jpg

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)

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〽️〽️〽️ 2021-3-10 23:13 回复TA
90楼 ,谢谢! 
Jack315 2021-3-10 23:08 回复TA
@〽️〽️〽️ :大概率不能。两个极点提供 40 dB/dec 的衰减。可以通过仿真检查一下,在一个极点的情况下,在采样频率处是否有 74dB 的衰减。超过 74dB 的衰减就可能去掉一后面这一组。另外,由于实际运放输出阻抗的存在,去掉后面一组后,在阻带的幅频特性有可能会上翘……需要仔细考察后才能下定论。 
〽️〽️〽️ 2021-3-10 23:00 回复TA
请问R4 C4 组成低通滤波器, R5 C5也是组成低通滤波器,可否去掉一组,直接调匹配值呢? 
Jack315 2021-3-10 22:59 回复TA
@〽️〽️〽️ :最后应该把整个设计的产品放在这个温湿度箱里试验,以模拟不同使用环境下产品的性能。这个还将用于可靠性设计。没有这个试验箱,只能说尽力往最佳结果的方向努力。最终能有什么成果就说不好了。 
〽️〽️〽️ 2021-3-10 22:49 回复TA
酒精和煤油 
〽️〽️〽️ 2021-3-10 22:47 回复TA
我们用的是 直接加热航空煤油的试验箱, 本身精度0.2°C 配合福禄克仪表,前面进口的测温产品按光纤长度进行校准及标定tao值和温度,都是用这2设备完成的 
〽️〽️〽️|  楼主 | 2021-3-10 23:12 | 显示全部楼层
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



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Jack315 2021-3-11 15:54 回复TA
@不奇怪 :确实有可能是卡尔曼滤波器,至少这是个值得考虑的选项。 
不奇怪 2021-3-11 15:49 回复TA
甚至可以直接从卡尔曼滤波取得结果。呵呵 
不奇怪 2021-3-11 15:44 回复TA
如果没猜错的话,convergence filter指就是卡尔曼的滤波系数,这个系数的功能与上面描述的一样。它相当于频域滤波的q值。 
不奇怪 2021-3-11 15:40 回复TA
不知道convergence filter是什么滤波器。但是我知道卡尔曼滤波可以很好的滤除各种噪声、干扰,因为你这个项目可以精确建模,所以滤波效果会很好,不过卡尔曼滤波是时域滤波。一旦滤波做好,取对数后,问题就可以变成线性回归问题。呵呵 
Jack315 2021-3-11 14:56 回复TA
这个应该是用的锁相环的方案。参考 72 楼的资料,11 章。 
Jack315| | 2021-3-10 23:23 | 显示全部楼层
〽️〽️〽️ 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。

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〽️〽️〽️|  楼主 | 2021-3-10 23:32 | 显示全部楼层
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

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Jack315| | 2021-3-10 23:42 | 显示全部楼层
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。

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csdnpurple| | 2021-3-11 08:49 | 显示全部楼层
〽️〽️〽️ 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?

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〽️〽️〽️|  楼主 | 2021-3-11 10:05 | 显示全部楼层
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。  

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Jack315| | 2021-3-11 10:22 | 显示全部楼层
现在的示波器有扫频功能了: Oscilloscope.jpg


示波器数据手册:
5992-3484.pdf (2.08 MB)

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Jack315 2021-3-11 11:52 回复TA
@csdnpurple :一般偶不会推荐别人的产品,有做广告的嫌疑。只是 LZ 的工作需要类似的设备。目测 LZ 应该还没有类似的家当。 
Jack315 2021-3-11 11:49 回复TA
@csdnpurple :不知道哈,貌似性价比不低。 
csdnpurple 2021-3-11 11:43 回复TA
多少银子呢? 
玻璃之城| | 2021-3-11 16:35 | 显示全部楼层
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

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〽️〽️〽️ 2021-3-11 16:57 回复TA
看了下,和我这个产品相同处很多,我会仔细从头到尾全看一遍。谢谢! 
〽️〽️〽️ 2021-3-11 16:52 回复TA
谢谢! 卡尔曼的滤波,是指采集的几百组ADC值,先进行一次软件滤波吗? 
Jack315| | 2021-3-11 20:39 | 显示全部楼层
【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:
PLD.jpg

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:


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。


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Jack315| | 2021-3-11 20:46 | 显示全部楼层
感谢网友 @yjmwxwx 提供的宝贵资料。

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csdnpurple| | 2021-3-12 09:52 | 显示全部楼层
〽️〽️〽️ 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?

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〽️〽️〽️|  楼主 | 2021-3-12 10:12 | 显示全部楼层
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。

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〽️〽️〽️|  楼主 | 2021-3-12 10:26 | 显示全部楼层
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?

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csdnpurple| | 2021-3-12 10:35 | 显示全部楼层
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?

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csdnpurple| | 2021-3-12 10:38 | 显示全部楼层
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?

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csdnpurple 2021-3-12 13:01 回复TA
光纤长度信息怎样输入模块中?是否你有一个对标模块的外壳电路可以自动调节接收强度稳定到3000?在使用对标模块的情况下,LED的亮度由对标模块还是外壳电路控制? 
〽️〽️〽️ 2021-3-12 11:54 回复TA
DAC是控制LED发光强弱的,光纤长度不同,就需要自动调整不同的值,理论上调到一个状态就不会变了,然实际返回时总会有各种光 ,电气的影响,导致返回要的稳定点值3000 有偏差,必须马上DAC调整去纠偏,这样才能保证各种情况,各种长度的 适应及稳定性。 
csdnpurple 2021-3-12 11:09 回复TA
看他的描述是adc的噪音刺激的, 
Jack315 2021-3-12 11:00 回复TA
振荡了,不收敛。 
Jack315| | 2021-3-12 10:58 | 显示全部楼层
〽️〽️〽️ 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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csdnpurple 2021-3-12 16:11 回复TA
合理的推测 分时方案考虑到竞争力必然导向光路收发公用,同时方案由于精度要求必然导向光路分用,物竞天择使两种方案形成不同竞争力,既然LZ的方案是现实的应用方案必然不能应用到相位检测的方案中 
csdnpurple 2021-3-12 15:55 回复TA
如果选则了LZ的方案就代表是收发分时,如果选择相位检测方案则代表收发同时进行,基本原理决定。 
Jack315 2021-3-12 15:38 回复TA
@csdnpurple :① DAC 和 ADC 两者是相乘,可以控制在同一个数量级;② 光路如何设计现在还不清楚,没看到 98 楼提到的文献。或许可以分时复用……现在不清楚。锁相技术貌似应该是 LZ 下一代产品的选项。 
csdnpurple 2021-3-12 12:48 回复TA
如果发射部分的影响远远大于发射信号,相同频率相加,反射信号在接受信号中占比很小,影响的相位改变也很小,像LZ的200到-50度0.1的分辨率,首先光路的信噪比就是很难达到要求,用什么样的检测电路(是否是锁相环)似乎都难 
Jack315 2021-3-12 12:10 回复TA
@csdnpurple :锁相环貌似能把噪声干掉……还是等行家来回答这个问题吧。 
csdnpurple 2021-3-12 12:07 回复TA
如果是相位检测方案(锁相环),由于发射的光的强度远远大于接收光的强度,所以发射光的噪音很容易将接收的相位信息淹没,应该有光路隔离措施,包括传感部分的反射光怎样处理都要从新设计 
〽️〽️〽️ 2021-3-12 12:00 回复TA
硬件改的话,模具光学结构 ,动一点就异常工作了。 这部分我完全门外汉。所以希望板子不能改尺寸,器件 基本不能增加,因为没任何空间可加了,最多换相同 封装的器件。 因为进口的产品老外可以做的非常稳定 说明利用这套硬件电路应该是可以做稳定的,现在除了 CPU不用,其他都一直,器件都一直的。CPU我用STM32LXXX 也试过了,基本差不多,也是C1 1pF不稳定,继续探索.  
Jack315 2021-3-12 11:39 回复TA
@csdnpurple :锁相技术偶是小白,坐等行家闪亮登场。 
csdnpurple 2021-3-12 11:26 回复TA
自适应线性预测滤波器怎样? 
csdnpurple 2021-3-12 11:21 回复TA
看差胡了,我以为你要推荐他使用72楼的相位检测方案呢 
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