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,確定光強度對於所謂智慧農業也可發揮重要的作用。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,以促進植物能夠最良好地生長,並同時加速光合作用;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。透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顯示了一個用於測量可見光譜範圍內的光強度的電路設計,其用於植物光合作用的實驗。這裡使用了三種不同顏色的光電二極體(綠光、紅光和藍光),它們回應不同的波長。透過光電二極體測量的光強度,現在可以用來根據具體植物的要求控制光源。

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圖1:用於測量光強度的電路設計。

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類比數位轉換器(ADC)的差分輸入,從而將測量值作為數位資料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體。電流和光強度之間的關係近似為線性,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)光電二極體的輸出電流與光強度的特性曲線。

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圖2:紅光、綠光和藍光光電二極體的電流與光強度的特性曲線。

然而,紅光、綠光和藍光二極體的相對靈敏度是不同的,因此每級的增益必須透過回饋電阻RFB單獨確定。為此,必須從產品資料手冊中取得每個二極體的短路電流(ISC),然後在由其確定的工作點處獲得靈敏度S (pA/lux)。RFB計算如下: 20190820_ADI_TA71F1

VFS,P-P表示所需的全輸出電壓範圍(滿量程、峰峰值);INTMAX表示最大光強度,對於直射陽光,其為120,000 lux。

電流-電壓轉換

高品質的電流-電壓轉換要求運算放大器的偏置電流盡可能小,因為光電二極體的輸出電流在皮安(picoampere)範圍,偏置電流較大會造成相當大的誤差。失調電壓(offset voltage)也應很小。ADI 的AD8500是此類應用的理想選擇,其偏置電流典型值為1pA,失調電壓最大值為1mV。

類比數位轉換

為了進一步處理測量值,光電二極體電流轉換成電壓後必須作為數位值提供給微控制器。為此可以使用具有多個差分輸入的ADC,例如16位元ADC AD7798。因此,測量電壓的輸出碼如下: 20190820_ADI_TA71F2

其中AIN =輸入電壓,N =位數,GAIN =內部放大器的增益係數,VREF=外部基準電壓。為了進一步降低雜訊,ADC的每個差分輸入端均使用共模和差分濾波器。以上所述全部元件都非常省電,使得該電路非常適合電池供電的可攜式現場應用。

結論

必須考慮諸如元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數會影響訊號品質(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),從而影響最終的採樣結果。採用圖1所示電路可以相對輕鬆地將光強度轉換為電學值,以供進一步資料處理。