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 atraviesa la muestra y es detectada por tres fotodiodos.
Estoy usando el chip AD9833 DDS que me permite generar ondas sinusoidales/cuadradas según sea necesario. Luego, estos se alimentan a un circuito de generación de corriente que obliga a las corrientes que se asemejan a estas formas de onda a fluir a través de los diodos.
Estoy en una solución para decidir qué método usar para el circuito de detección (fotodiodos) ya que la señal que estoy tratando de decodificar está en un nivel de ppm/sub-ppm. He pensado en dos esquemas:
1) Genere un patrón de luz sinusoidal de una frecuencia (digamos 1kHz). Si uso un paquete integrado como TSL257, debería poder leer el voltaje con un ADC de precisión y luego demodular la señal recibida en la frecuencia de transmisión. Este mod/de-mod sincrónico debería darme una buena precisión/resolución.
2) Genere un patrón de luz de onda cuadrada (0 a alto) 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, una ppm de señal provocaría un cambio de frecuencia de 1Hz mientras que el ruido de fondo está en 0,1Hz. Esto me hizo pensar que este método también podría funcionar.
¿Cuál es una mejor manera de detectar señales de nivel ppm?
Parece que estás comparando manzanas con naranjas.jirafas 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 de 2v a 1,54uW en el medio. La salida equivalente del TSL237 con la misma irradiancia es de alrededor de 4 kHz (2,3 kHz/uW), mientras que su salida máxima irá a 500 kHz min, 1 MHz max, por lo que 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 (¿está confundiendo la salida oscura de 0.1Hz con un nivel de ruido?), No en la hoja de datos que descargué. Sospecho firmemente 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, necesitará niveles de luz 100 veces superiores a los del 257.
Generar una modulación de luz cuadrada y luego intentar contar los pulsos estará condenado al fracaso. Si el 237 tenía una salida senoidal o triangular, 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, se acerca a una incertidumbre de ciclo cada vez que la luz se enciende o se apaga, lo que agrega una gran cantidad de ruido.
Lo mejor que puedes hacer es usar el amplificador de 'bloqueo' tradicional, o algo equivalente en DSP. Es decir, genera una modulación de onda cuadrada para su estímulo de luz (el cuadrado le brinda una potencia de modulación ligeramente más alta para la misma potencia máxima que la onda sinusoidal), luego continúa como en su sugerencia (1).
El 257 sugiere una densidad de ruido de 7uV con un desplazamiento de 1kHz, manteniéndose bastante plano en las 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 s para llegar a la sensibilidad tangencial de 1 ppm y 100 s para llegar a 10 dB SNR .
Otra cosa que parece tener el 237 es su tiempo de respuesta, 1uS + 1 ciclo, en lugar de la respuesta de 160uS 10/90 del 257. Eso podría funcionar a su favor si el nivel de ruido resulta ser más bajo a mayor velocidad. frecuencias de modulación. Puede haber una forma de 'contar' la frecuencia adecuada para la demodulación síncrona. Si filtra la onda cuadrada de salida con filtro de paso bajo, luego ADC la salida lo suficientemente rápido para obtener 5 o más muestras en cada borde inclinado, luego podrá ajustar esas muestras para fijar el tiempo de borde a la resolución de submuestra. Cuantos más bits pueda usar, mejor será su interpolación de tiempo. Si luego identifica los ciclos que corresponden completamente a uno u otro nivel de luz e ignora los que se extienden a ambos lados, es posible que obtenga una medida razonable que pueda promediar sincrónicamente. Si el nivel de ruido que obtienes es mejor o peor que el 257 es cuestión de experimentar con un 237 real y un digitalizador. Si captura datos con un osciloscopio digitalizador, podrá estimar el tiempo fuera de línea, antes de implementar cualquier DSP.
Aparte de las especificaciones de estos detectores y el uso con demodulación síncrona, los métodos de conteo pueden funcionar bien, siempre y cuando use ADC y DSP para hacer la estimación de fase/tiempo, en lugar de los flancos de conteo de niave en un tiempo de puerta.
Cualquier método funcionará. Debido a que sus fuentes de luz son láseres, podría ser más útil seleccionar un poco del haz antes de que ingrese a la muestra y modular para hacer coincidir la luz detectada con su referencia sinusoidal 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 se detecta fácilmente.
Para un bajo nivel de ruido, un detector y un convertidor V/F separados son un mejor enfoque que usar un sensor unificado con generación de frecuencia integrada. El control de ganancia mediante resistencias de precisión puede llevarlo a una frecuencia central objetivo (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, requerirá un poco de esfuerzo generar el conteo ARRIBA 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. Entonces, use AD9834 en su lugar.
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 1 000 000 Hz y una señal de 1 000 001 Hz es de aproximadamente 1 ps. Parece que ese tipo de resolución de tiempo sería bastante difícil de lograr.
Por otro lado, hay muchos ADC de más de 20 bits para medir una onda sinusoidal demodulada.
Sam