分光测色仪硬件设计方案
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医学诊断市场持续高速增长，自疫情以来，这块市场更备受关注。技术型分销商Excelpoint世健公司，深耕医学诊断产品多年，本次我们通过世健公司邀请了来自专业医学诊断产品企业的工程师储工跟大家分享实战案例。该公司是一家专业从事医学诊断产品研发、生产、销售及服务的国家高新技术企业，主要产业为体外诊断试剂、仪器及独立第三方医学诊断服务。产品线涵盖生化、发光、血球、尿液、质谱、分子诊断、血脂亚组分检测VAP和POCT等。而储工有着丰富的设计与实战经验. 这个实战案例主要是设计一个分光测色仪的硬件系统，该系统主要由光源、光接收器、信号处理器等组成，基本功能框图如图1。光源灯采用小功率单波长LED，对于LED发光的稳定性主要因素是电流和环境温度。故硬件方案中需要设计恒流源电路和恒温控制电路。
图1 1、恒流源电路方案设计 对于小功率的恒流源设计，最常用的就是运放 场管方案。电路如图2所示，该方案由分立元件组成，运放、三极管、电阻的电气参数一致性及温漂会极大的影响恒流源的精度，影响因素较多难以控制。
图2 ADI公司旗下有一款产品(型号：LT3092)单芯片集成了多个元件，使器件一致性和温漂更容易控制，成为恒流源方案的理想选择器件。最大输出电流200mA满足小功率恒流源的需求;超宽的输入电压范围及低压差工作电压(1.2V~40V)使得电源电压设计更具兼容性;内部更有高精度微恒流源(10uA)，结合精密电阻可组成高精度的参考电压源。内部原理图如图3。
图3 若无需更改恒流源电流，则RSET选用固定高精度低温漂的电阻即可。若想实时调节电流，RSET可选用数字电位器(如ADI公司产品AD5610)，用MCU来控制。LT3092的SET引脚还可以直接连接DAC，用MCU直接控制更是一种方便简单又省成本的方案，如图4。
图4 由于分光测色仪用到多个不同波长的LED，可以让每个LED配上一个恒流源，当然更好的方案是只用一个恒流源然后用模拟开关切换通道，这样更省成本。ADI公司有一款产品(型号ADG452)单芯片集成4通道模拟开关。较低的导通电阻(4Ω);每通道100mA的工作电流;快速的开关频率(tON = 70ns，tOFF = 60ns)。电气性能完全满足设计需求，方案电路实现如图5。
图5 2、恒温控制电路方案设计 恒温控制电路由加热器 温度传感器 温度保护器 控制器构成，如图6。温度开关用于加热失控时的过温保护，MCU接受来自温度传感器的反馈，利用PID算法去控制驱动器调节加热器的功率输出，达到恒温控制的目的。
图6 加热器可以是恒压驱动，用场管作为开关，MCU用PWM方式控制调节。但由于PWM方式控制频率较高且信号存在突变，会对电路系统造成较大的噪声干扰，进而影响用于精密测量的模拟电路。另一种方案是采用恒流驱动加热器，借鉴上述LED恒流源电路方案，选择输出电流更大的恒流源芯片(如ADI公司产品LT3085)，输出电流达500mA，其他参数、功能与LT3092类似，功能框图如图7。
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