Dilema de diseño: los métodos de conteo de frecuencia son mejores que la detección de voltaje cuando se detectan señales de ppm

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Estoy tratando de diseñar un espectrofotómetro de precisión que solo use tres longitudes de onda de luz. El diseño de alto nivel implica el uso de tres diodos láser que bombean fotones de las tres longitudes de onda. Esta luz pasa a través de la muestra y es detectada por tres fotodiodos.

Estoy utilizando el chip DDS AD9833 para que pueda generar ondas sinusoidales / cuadradas según sea necesario. Luego, estos se envían a un circuito de generación actual que obliga a que las corrientes que se asemejan a estas formas de onda fluyan a través de los diodos.

Estoy en una solución decidiendo qué método usar para los circuitos de detección (fotodiodos) ya que la señal que estoy tratando de descodificar está en el nivel de ppm / sub-ppm. He pensado en dos esquemas:

1) Genere un patrón de luz sinusoidal de una frecuencia (por ejemplo, 1kHz). Si utilizo un paquete integrado como TSL257, debería poder leer el voltaje con un ADC de precisión y luego demodular la señal recibida a la frecuencia de transmisión. Este mod / des-mod síncrono debería darme una buena precisión / resolución.

2) Genere un patrón de luz de onda cuadrada (0 a alta) y luego use un paquete como TSL237 para convertir la energía de la luz en frecuencia y use el conteo de frecuencia para obtener la precisión / resolución. Con una frecuencia base de 1Mhz, un ppm de señal causaría un cambio de frecuencia de 1Hz mientras el nivel de ruido está en 0.1Hz. Esto me hizo pensar que este método también podría funcionar.

¿Cuál es la mejor manera de detectar señales de nivel ppm?

    
pregunta user1155386

3 respuestas

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Parece que estás comparando manzanas con jirafas naranjas para tus niveles de luz. La gran ventaja de la salida de frecuencia TSL237 es su rango dinámico. El TSL257 solo manejará 3uW con su rango de salida de 0 a 5v, con la referencia 2v a 1.54uW en el medio. La salida equivalente del TSL237 a la misma irradiancia es de alrededor de 4kHz (2.3kHz / uW), mientras que su salida máxima irá a 500kHz min, 1MHz máx., Por lo tanto, una señal de luz máxima mucho mayor. No estoy seguro de dónde obtiene su frecuencia base de 1MHz y el nivel de ruido de 0.1Hz (¿confunde la salida oscura de 0.1Hz con un nivel de ruido?), No en la hoja de datos que descargué. Sospecho fuertemente que el ruido efectivo del 237 será ampliamente equivalente al del 257 bajo la misma iluminación. Si desea utilizar una salida de 500 kHz del 237, entonces necesita niveles de luz 100 veces mayores que los del 257.

Generar una modulación de luz cuadrada y luego tratar de contar pulsos estará condenado al fracaso. Si el 237 era sinusoidal o triángulo, podría leerlo con un ADC rápido y estimar la fase en los tiempos de cambio de luz. Como se trata de una salida de onda cuadrada, cada vez que la luz se enciende o apaga, se aproxima una incertidumbre en el ciclo, lo que agrega una gran cantidad de ruido.

Su mejor apuesta es usar el amplificador tradicional 'lock-in', o algo equivalente en DSP. Es decir, genera una modulación de onda cuadrada para su estímulo de luz (el cuadrado le da una potencia de modulación ligeramente mayor para la misma potencia de pico que la onda sinusoidal), luego continúa como en su sugerencia (1).

El 257 sugiere una densidad de ruido de 7uV a 1kHz de desplazamiento, manteniéndose bastante plano a frecuencias más bajas. Si comparamos eso con el voltaje de salida medio de 2v, eso indica que con una modulación de 1kHz, la SNR de 1Hz es de aproximadamente -10dB, por lo que necesitará un promedio de 10 segundos para llegar a la sensibilidad tangencial de 1 ppm y 100 segundos para alcanzar la SNR de 10 dB. .

Otra cosa que el 237 parece tener a su favor es su tiempo de respuesta, 1uS + 1 ciclo, en lugar de la respuesta 160uS 10/90 del 257. Eso podría funcionar a su favor si el nivel de ruido resulta ser Más bajo a frecuencias de modulación más altas. Puede haber una manera de "contar" la frecuencia adecuada para la demodulación síncrona. Si pasa bajo filtrando la onda cuadrada de salida, ADC la salida lo suficientemente rápido como para obtener aproximadamente 5 muestras en cada borde inclinado, entonces podrá ajustar esas muestras para fijar el tiempo de borde en la resolución de sub-muestra. Cuantos más bits pueda usar, mejor será su interpolación de temporización. Si luego identifica los ciclos que corresponden totalmente a uno u otro nivel de luz, e ignora los que se encuentran a ambos lados, puede obtener una medición razonable que puede promediar de manera sincrónica. Si el nivel de ruido que obtiene es mejor o peor que el 257 es un asunto para experimentar con un verdadero 237 y un aparato digitalizador. Si captura datos con un osciloscopio digitalizador, podrá estimar la sincronización fuera de línea, antes de implementar cualquier DSP.

Aparte de las características específicas de estos detectores y su uso con demodulación síncrona, los métodos de conteo pueden funcionar bien, siempre y cuando use ADC y DSP para realizar la estimación de fase / temporización, en lugar de los bordes de conteo niave en un tiempo de puerta.

    
respondido por el Neil_UK
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Cualquiera de los dos métodos funcionará. Debido a que sus fuentes de luz son láseres, podría ser más útil seleccionar un poco del rayo antes de que ingrese a la muestra, y modular para hacer coincidir la luz detectada con su referencia senoidal en lugar de modular directamente la corriente de entrada. La modulación de onda sinusoidal es más fácil de regular si se emplea este método, y la desafortunada posibilidad de caer por debajo del umbral del láser es fácilmente detectado.

Para un ruido bajo, un detector separado y un convertidor V / F son un mejor enfoque que utilizar un sensor unificado con generación de frecuencia a bordo. Ganancia El control mediante resistencias de precisión puede llevarlo a una frecuencia central de destino. (como, 1 MHz) pero el TSL237 tiene una ganancia fija (¿podría conformarse con 5000 Hz?).

Debido a que su señal es pequeña, la conversión de frecuencia es muy superior a otros esquemas de ADC; Tiene la mejor linealidad diferencial posible. Sin embargo, tomará un poco de esfuerzo para generar el recuento de UP durante exactamente el 50% del ciclo de trabajo, y el conteo ABAJO durante el otro 50%, porque el AD9833 no genera señales cuadradas y sinusoidales simultáneas. Por lo tanto, usa AD9834 en su lugar.

    
respondido por el Whit3rd
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Con una señal base de 1 MHz, una diferencia de 1 ppm sería una desviación de frecuencia de 1 Hz. La diferencia en el período de una señal de 1,000,000Hz y una señal de 1,000,001Hz es de aproximadamente 1ps. Parece que ese tipo de resolución de tiempos sería bastante difícil de lograr.

Por otro lado, hay muchos ADC de más de 20 bits para medir una onda sinusoidal demodulada.

    
respondido por el user4574

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