مخطط تصميم أجهزة مقياس الطيف الضوئي

“يستمر سوق التشخيص الطبي في النمو بسرعة ، وقد اجتذب هذا السوق المزيد من الاهتمام منذ الوباء. شارك Excelpoint Shijian ، الموزع القائم على التكنولوجيا ، بعمق في منتجات التشخيص الطبي لسنوات عديدة. هذه المرة ، من خلال Shijian ، قمنا بدعوة مهندسين من شركات منتجات التشخيص الطبي المحترفة لمشاركة الحالات العملية معك. الشركة هي مؤسسة وطنية ذات تقنية عالية متخصصة في البحث والتطوير والإنتاج والمبيعات وخدمة منتجات التشخيص الطبي.تتمثل صناعاتها الرئيسية في الكواشف التشخيصية المختبرية والأدوات والخدمات التشخيصية الطبية المستقلة من طرف ثالث.

“

يستمر سوق التشخيص الطبي في النمو بسرعة ، وقد اجتذب هذا السوق المزيد من الاهتمام منذ الوباء. شارك Excelpoint Shijian ، الموزع القائم على التكنولوجيا ، بعمق في منتجات التشخيص الطبي لسنوات عديدة. هذه المرة ، من خلال Shijian ، قمنا بدعوة مهندسين من شركات منتجات التشخيص الطبي المحترفة لمشاركة الحالات العملية معك. الشركة هي مؤسسة وطنية ذات تقنية عالية متخصصة في البحث والتطوير والإنتاج والمبيعات وخدمة منتجات التشخيص الطبي.تتمثل صناعاتها الرئيسية في الكواشف التشخيصية المختبرية والأدوات والخدمات التشخيصية الطبية المستقلة من طرف ثالث. يغطي خط الإنتاج الكيمياء الحيوية ، التلألؤ ، خلايا الدم ، البول ، قياس الطيف الكتلي ، التشخيص الجزيئي ، الكشف عن المكون الفرعي للدهون في الدم VAP و POCT ، إلخ. يمتلك عمال التخزين ثروة من التصميم والخبرة العملية.

تهدف هذه الحالة العملية بشكل أساسي إلى تصميم نظام أجهزة لمقياس طيف ضوئي ، والذي يتكون بشكل أساسي من مصدر ضوء ، ومستقبل ضوئي ، ومعالج إشارة. ويرد مخطط الكتلة الوظيفية الأساسية في الشكل 1. يعتمد مصباح مصدر الضوء على LED بطول موجة أحادي منخفض الطاقة ، والعوامل الرئيسية لاستقرار إضاءة LED هي درجة الحرارة الحالية والمحيط. لذلك ، من الضروري تصميم دائرة مصدر تيار مستمر ودائرة تحكم ثابتة في درجة الحرارة في مخطط الأجهزة.

شكل 1

1. تصميم مخطط دائرة مصدر التيار المستمر

بالنسبة لتصميم مصدر تيار ثابت منخفض الطاقة ، فإن الأكثر استخدامًا هو مخطط أنبوب الحقل op amp +. تظهر الدائرة في الشكل 2. يتكون هذا الحل من مكونات منفصلة. سيؤثر اتساق المعلمة الكهربائية وانحراف درجة الحرارة لمضخمات التشغيل والترانزستورات والمقاومات بشكل كبير على دقة مصدر التيار الثابت ، وهناك العديد من العوامل التي يصعب تحديدها. مراقبة.

الشكل 2

يحتوي ADI على منتج (طراز: LT3092) يدمج مكونات متعددة في شريحة واحدة ، مما يسهل التحكم في تناسق الجهاز وانحراف درجة الحرارة ، مما يجعله جهازًا مثاليًا لحلول مصدر التيار المستمر. الحد الأقصى لتيار الإخراج البالغ 200 مللي أمبير يلبي احتياجات مصادر التيار المستمر منخفضة الطاقة ؛ نطاق جهد الدخل الواسع للغاية والجهد التشغيلي المنخفض التسرب (1.2 فولت ~ 40 فولت) يجعل تصميم جهد مصدر الطاقة أكثر توافقًا ؛ هناك دقة عالية مصدر تيار ثابت صغير (10uA) بالداخل.) ، جنبًا إلى جنب مع مقاومات دقيقة يمكن أن يشكل مصدر جهد مرجعي عالي الدقة. يظهر الرسم التخطيطي الداخلي في الشكل 3.

الشكل 3 الشكل 4

إذا لم يكن تيار المصدر الحالي الثابت بحاجة إلى التغيير ، فعندئذٍ R_تعيينيمكن اختيار المقاوم مع انجراف ثابت عالي الدقة بدرجة حرارة منخفضة. إذا كنت تريد ضبط التيار في الوقت الفعلي ، فإن R_تعيينيمكن تحديد مقاييس الجهد الرقمية (مثل AD5610 من ADI) والتحكم فيها بواسطة MCU. يمكن أيضًا توصيل دبوس SET الخاص بـ LT3092 مباشرةً بـ DAC ، وهو حل مناسب وبسيط وفعال من حيث التكلفة للتحكم فيه مباشرةً باستخدام وحدة MCU ، كما هو موضح في الشكل 4.

نظرًا لأن مقياس الطيف الضوئي يستخدم مصابيح LED متعددة بأطوال موجية مختلفة ، يمكن تجهيز كل LED بمصدر تيار ثابت.بالطبع ، الحل الأفضل هو استخدام مصدر تيار ثابت واحد فقط ثم استخدام مفتاح تناظري لتبديل القنوات ، وهو أكثر تكلفة- فعال. يحتوي ADI على منتج (طراز ADG452) مزود بمفتاح تناظري رباعي القنوات مدمج بشريحة واحدة. مقاومة منخفضة (4Ω) ؛ تيار تشغيل 100 مللي أمبير لكل قناة ؛ تردد التبديل السريع (t_على = 70ns ، ر_إيقاف = 60 نانو إس). يلبي الأداء الكهربائي متطلبات التصميم تمامًا ، ويوضح الشكل 5 تنفيذ الدائرة للمخطط.

الشكل 5

2. تصميم مخطط دائرة التحكم الثرموستاتي

تتكون دائرة التحكم الثرموستاتي من سخان + مستشعر درجة الحرارة + واقي درجة الحرارة + جهاز تحكم ، كما هو موضح في الشكل 6. يتم استخدام مفتاح درجة الحرارة للحماية من درجة الحرارة الزائدة عندما يكون التسخين خارج نطاق السيطرة.تقبل MCU التغذية المرتدة من مستشعر درجة الحرارة وتستخدم خوارزمية PID للتحكم في السائق لضبط خرج الطاقة للسخان لتحقيق الغرض من الثبات التحكم في درجة الحرارة.

صورة 6

يمكن تشغيل السخان بجهد ثابت ، باستخدام أنبوب الحقل كمفتاح ، وتتحكم وحدة التحكم MCU وتضبط بواسطة PWM. ومع ذلك ، نظرًا لارتفاع تردد التحكم في طريقة PWM والتغيير المفاجئ للإشارة ، فإنه سيؤدي إلى تداخل ضوضاء أكبر في نظام الدائرة ، وبالتالي يؤثر على الدائرة التناظرية المستخدمة للقياس الدقيق. حل آخر هو استخدام تيار ثابت لدفع السخان ، والتعلم من حل دائرة مصدر التيار المستمر LED أعلاه ، واختيار شريحة مصدر تيار مستمر مع تيار خرج أكبر (مثل ADI’s LT3085) ، يمكن أن يصل تيار الإخراج إلى 500mA ، و المعلمات والوظائف الأخرى هي نفسها تلك الموجودة في LT3092. وبالمثل ، يظهر مخطط الكتلة الوظيفية في الشكل 7.

الشكل 7

إلى جانب مقياس الجهد الرقمي ، يمكن لوحدة MCU ضبط التغيير الحالي في الوقت الفعلي للتحكم في خرج الطاقة للسخان. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي وضع التيار الثابت على تردد تنظيم منخفض وعملية سلسة ، والتي لن تسبب تغييرًا مفاجئًا في إشارة الجهد. يظهر جزء من مخطط الدائرة في الشكل 8.

الشكل 8

حساب طاقة التسخين: P = I²* R (I هو تيار المصدر الحالي الثابت ، R هي مقاومة السخان)
أنا = 10uA * R._دبليو / ص₅₃(تيار مصدر تيار مستمر صغير * مقياس جهد رقمي / مقاوم أخذ العينات)

يمكن لجهاز استشعار درجة الحرارة اختيار PT100 بخطي جيد ودقة عالية. بالنسبة لدائرة محرك PT100 ، من الضروري تصميم مصدر تيار ثابت ، ودائرة تضخيم إشارة ، ومحول تناظري إلى رقمي. الأجهزة التناظرية منفصلة وكبيرة العدد ، وتكلفة الأجهزة مرتفعة. ليس من السهل تخطيط التطبيقات ذات مساحة PCB المحدودة. لذلك ، يمكنك اختيار أجهزة عالية التكامل مثل منتجات ADI (الطراز: AD7124-4) ، مكبر صوت متكامل يتم التحكم فيه عن طريق البرنامج (كسب نطاق البرمجة هو 1 ~ 128) ، يمكنك مباشرة توصيل مستشعرات الإشارة الصغيرة بدون دائرة تضخيم ؛ مصدر تيار إثارة مدمج (نطاق ضبط 50 μA إلى 1 مللي أمبير) ، يكفي فقط لتشغيل مستشعرات درجة الحرارة ؛ حتى 19 kSPS ، 24 بت عالي الأداء متعدد القنوات sigma-delta التناظرية محولات رقمية كافية للحصول على بيانات درجة الحرارة بدقة عالية. يظهر الرسم التخطيطي لدائرة محرك PT100 المصممة مع AD7124-4 في الشكل 9.

الشكل 9

يعتمد PT100 نظامًا رباعي الأسلاك ، ويستخدم سلكان للحصول على الإشارة ، ويستخدم سلكان لتيار مصدر الإثارة ، بحيث بغض النظر عن طول سلك الإشارة ، يمكن القضاء على تأثير مقاومة السلك على اكتشاف الإشارة. يتدفق التيار المتدفق عبر RTD أيضًا من خلال المقاوم المرجعي الدقيق ، مما ينتج عنه الجهد المرجعي. يتناسب الجهد المتطور عبر هذا المقاوم المرجعي الدقيق مع الجهد عبر RTD ، لذلك يتم التخلص من التقلبات في تيار الإثارة.

3. تصميم دائرة التحويل الكهروضوئية

تتبنى دائرة التحويل الكهروضوئي عمومًا مخطط الثنائي الضوئي (PD) + المرجع أمبير + مخطط المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) (كما هو موضح في الشكل 10). يتم جمع الضوء المنعكس بواسطة PD ، ويتم تحويل الإشارة وتضخيمها بواسطة op amp ، ثم يتم تحويل ADC إلى إشارة رقمية إلى MCU. نظرًا لأن PD يعمل في الوضع الكهروضوئي ، فإن المرجع المسؤول عن تحويل التيار إلى الجهد يحتاج إلى تيار تحيز منخفض للغاية ؛ من أجل تحسين الدقة ، يحتاج ADC إلى معالجة أكبر عدد ممكن من البتات.

الشكل 10

بالنظر إلى أن تكلفة الأجهزة لاستخدام العديد من الأجهزة المنفصلة عالية الأداء مرتفعة للغاية ، يمكن اختيار جهاز بدرجة عالية من التكامل قدر الإمكان بشرط أن يفي الأداء بالمعيار. يحتوي ADI على منتج (الطراز: ADPD2211) بمضخم تيار 24 مرة ، مما يجعله يتمتع بحساسية عالية للغاية ، مما يلغي الحاجة إلى مكبرات الصوت الخارجية ؛ استجابة نبض ممتازة (عرض نطاق نموذجي يصل إلى 400 كيلو هرتز) ؛ ضوضاء تيار منخفضة للغاية (90fA / Hz). يظهر مخطط الكتلة الوظيفية الداخلية في الشكل 5. من خلال إضافة المقاوم لأخذ العينات إلى الأرض عند نهاية الخرج ، يمكن تحقيق تحويل الجهد الحالي ، مما يوفر العديد من الدوائر الطرفية. يظهر مخطط كتلة وظيفي في الشكل 11.

الشكل 11

4. اختيار MCU

تنقسم وحدات MCU الموجودة في السوق بشكل أساسي إلى 51 نواة و ARM نوى حسب النواة ، وبعضها عبارة عن نوى ذاتية التطوير من قبل بعض الشركات المصنعة. عند اختيار MCU مع نفس النواة ، تتشابه منتجات الشركات المصنعة الكبرى ، ولكن ADI لديها منتج يجمع بشكل مثالي بين ADC عالي الدقة و MCU عالي الأداء (الطراز: ADuCM361). يظهر مخطط كتلة الموارد الداخلية الخاص بها في الشكل 12 جنبا إلى جنب مع مثل هذا التناظرية عالية الأداء بعض MCU نادرة في السوق.

الشكل 12

يحتوي ADuCM361 على معالج ARM Cortex-M3® مدمج 32 بت ، كما أن الأجهزة الطرفية الشائعة مثل UART و SPI و IIC و Timer و DMA و DAC و Watchdog مدمجة ، وهي مريحة جدًا للاستخدام ؛ مذبذب 32 كيلوهرتز وداخلي المذبذب عالي التردد 16 ميجاهرتز يتيح تصميمات الأجهزة للتخلص من الدوائر البلورية الخارجية ؛ الأكثر إثارة للإعجاب ، أنه يدمج 4 kSPS ، 24 بت عالي الأداء متعدد القنوات sigma-delta المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) يمكن أن يعمل في الوضع أحادي النهاية. تدمج وحدة ADC مرشح الأجهزة. يمكنك اختيار تكوين مرشح عالي السرعة لاكتشاف تغيير الخطوة ، أو مرشح منخفض السرعة لقياس الدقة. -في مصدر جهد مرجعي منخفض الضجيج ومنخفض الانجراف.يتوفر أيضًا مرجع خارجي ؛ يمكن تطبيق مصدر تيار إثارة مضمن قابل للبرمجة على العديد من أجهزة الاستشعار التي تعمل بالتيار.

تتشابه وظائف الجزء التناظري المتكامل من ADuCM361 مع وظائف AD7124-4. يتطلب الحل نفسه MCU كوحدة معالجة إشارة. إذا تم تحديد ADuCM361 ، يمكن حذف AD7124-4. يتم تشغيل مستشعر درجة الحرارة ، وتحكم DAC مصدر الضوء مصدر تيار ثابت ويمكنه ضبط التيار بدقة ، ويتحكم SPI في مقياس الجهد الرقمي لضبط تيار السخان ديناميكيًا لتحقيق درجة حرارة ثابتة.