Moin! Ich hab grad den Schaltplan für mein kleines Projekt fertig gestellt und wollte fragen ob ihr so freundlich seid mal einen Blick drüber zu werfen und ggf. Verbesserungsvorschläge und Kritik zu äußern. Zum Projekt: Es handelt sich um ein 3-Kanal USB-Photometer zur Messung der Farbe von Flüssigkeiten. Aufgrund der Eigenschaften der Flüssigkeiten und des zu erwartenden Transmissionsspektrums kommt nur die Messung der Transmission mit mindestens 3 unabhängigen Lichtquellen (=RGB LEDs) und Photodioden in Frage. Andere Lichtquellen/Sensor-Kombinationen sind in diesem speziellen Fall nicht geeignet. Der Einfachheit halber "gehe" jetzt mal den Weg des Signals bzw. Lichtes entlang und erläutere was jeweils gesteuert/gemessen wird: Über die Spannung am Signal "LED_CURRENT" wird der gewünschte Strom durch die LED eingestellt. Die Beschaltung am Opamp "U8B" teilt die Steuerspannung auf den benötigten Bereich runter, puffert und filtert das Steuersignal. Über das Signal "LED_SHDN" kann die resultierende Spannung wahlweise auf Null gezogen werden (-> Kein Stromfluss durch die LED). Die Schaltung am Opamp "U8A" bildet eine Konstantstromquelle welche letztendlich über "LED_CURRENT" gesteuert wird. An diese Konstantstromquelle können über die MOSFETs Q4-Q8 die Kathoden der RGB-LED (Common Anode) geschaltet werden. Sämtliche Ansteuerung und die Bereitstellung der Steuerspannung "LED_CURRENT" geschieht durch den MCP2221A. Nun zur eigentlichen Messung: Die Photodiode PD2 (=Referenz) misst die Intensität der LED bevor das Licht die Messkammer, PD1 (=Messsignal) nachdem das Licht die Messkammer passiert hat. Die Signalaufbereitung geschieht durch die beiden Transimpedanzverstärker mit U4 und U5. Die Verstärkungen sind so berechnet worden, dass, bei maximaler Intensität, ein Signal von ca. 2.5V + 50mV erzeugt wird. Der Opamp U3 erzeugt den Offset für die Transimpedanzverstärker (50mV). Beide Signale werden nun durch den MCP3422 "U2" (Uref=2.048V, 18 Bit, 3.75 SPS) gemessen und können über den MCP2221A abgefragt werden. Die Verstärkung der Transimpedanzverstärker ist absichtlich etwas zu hoch angesetzt worden da der LED Strom jederzeit über "LED_CURRENT" verringert werden kann um einen möglichst guten dynamic-range zu gewährleisten. Da zum Einen die Samplingrate (fs=3.75Hz) des ADCs sehr niedrig ist und zum Anderen das Referenz- und Messsignal nicht gleichzeitig gemessen werden können, ist die Grenzfreuenz der Transimpedanzverstärker absichtlich sehr niedrig gewählt worden (ft=0.48Hz). Noch etwas zur Ergänzung: Der Optische Aufbau befindet sich in einem Abgeschlossenen Gehäuse. Mit Streulicht somit ist nicht zu rechnen. Was meint ihr? Ist der Entwurf so in Ordung? Vielen Dank im Vorraus! Hanso
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So auf den ersten Blick sieht das ok aus. Zum physikalischen Aufbau. Die Messsysteme die ich kenne haben im Referenzkanal ebenfalls eine Kuvette, damit die Strahlengänge bis auf die Probe identisch sind. Kann sein das es bei dir nicht nötig ist. Ich vermute ihr erwartet eine Transmission von unter 10% weil die Transimpedanzverstärker unterschiedlich sind.
Bei Deiner Schaltung soll der OP-Ausgang bis auf Null Volt gehen. Es gibt zwar Typen (ground rail), die das schon recht gut weit an die Null anpirschen können, aber ich würde darauf noch einmal einen kritischen Blick werfen. Z.B. MCP602.
@karadur Ok, vielen Dank! Dann kann ich mich ha hoffendlich bald ans Layout setzten. Bzgl. der Referenz: Ja, die ist in diesem Fall tatsächlich nicht notwendig. Ein einfaches "wegkalibrieren" gegen eine mit destilliertem Wasser gefüllte Küvette (vor der eigentlichen Messung) ist für die gewünschte Messgenauigkeit ausreichend. Was die Transmission betrifft: Die kann durchaus 90% betragen. Der Grund für die unterschiedlichen Widerstände der TIs is eher der, dass die Referenzdiode das Licht sehr nahe an der LED unter einem bestimmten Winkel misst -- Es wird also kein Strahlteiler benutzt. Die Intensität an der Referenzdiode ist in diesem Fall einfach um einen Faktor von ca. 10 höher ;)
Die TIAs würde ich umschaltbar machen, etwa 1:10, um den ADC besser ausnutzen zu können. Aber warum zum Henker machst Du die Ansteuerung der Stromquelle so lahm? Gerade mit LED kann man doch wunderbar schnell umschalten und zwischendurch Schwarzwert messen, was die Anforderungen an die Lichtdichtheit der Messkammer deutlich unkritischer macht. Du bedenkst, dass der Strahlengang durch die Küvette möglichst parallel laufen sollte? Also nicht einfach LED rein, PD raus, sondern schon noch eine Optik dazwischen.
Hanso schrieb: > Die Photodiode PD2 (=Referenz) misst die Intensität der LED bevor das > Licht die Messkammer, PD1 (=Messsignal) nachdem das Licht die Messkammer > passiert hat. Ich habe das grundsätzlich anders gelöst: die Referenzphotodiode liegt im Rückkopplungsweg der Stromquelle für die LED, m.a.W. ich regele nicht auf konstanten Strom, sondern auf konstantes Licht. Daher kann ich die LEDs mit einem Tektronix-Photometer auf gleiche Beleuchtungsstärke abgleichen (Die Referenz-Photodiode bildet mit der LED eine konstruktive Einheit). Ich verwende auch ein lichtdichtes Gehäuse, trotzdem schalte ich beim Messvorgang die LEDs aus und ein und berechne die Differenz, das eliminiert nicht nur Fremdlicht sondern auch den Dunkelstrom. Georg
Karl schrieb: > Die TIAs würde ich umschaltbar machen, etwa 1:10, um den ADC besser > ausnutzen zu können. Ja, das wäre eine Möglichkeit. Der ADC hat allerdings einen PGA eingebaut (1,2,4,8). Damit würde ich immerhin 1:8 hinbekommen. Da, so wie es bis jetzt aussieht, der Platz begrenzt ist (die Platine soll sich direkt unter dem optischen Aufbau befinden und ist leider nicht direkt zugänglich) werde ich es wohl erstmal auf diesem Wege probieren. Analogschalter würde ich auch gerne vermeiden, zumal ich dann auch nicht mehr mit den GPIOs des MCP2221A auskomme und der Platz unter dem Photometer arg begrenzt ist -- Es ist ein sehr kompakter optischer Aufbau! Karl schrieb: > Aber warum zum Henker machst Du die Ansteuerung der Stromquelle so lahm? > Gerade mit LED kann man doch wunderbar schnell umschalten und > zwischendurch Schwarzwert messen, was die Anforderungen an die > Lichtdichtheit der Messkammer deutlich unkritischer macht. Wenn du Lahm meinst beziehst du dich dann auf R19,R21 und C24 (->1.2ms) oder auf R18 & C23 innerhalb des Regelkreises? Ja, das mit dem Schwarzwert ist auf jeden Fall eine gute Idee. Allerdings bräuchte ich dann auch einen wesentlich schnelleren ADC (der MCP3422 schafft bei 18Bit grade mal 3.75SPS). Außerdem müssten die TIs dann anders ausgelegt werden. Wenn ich von den üblichen optischen Schwankungen ausgehe (100Hz bei Leuchstoffröhrenbeleuchtung) müsste der dann ja, nach Nyquist, schon mindestens 200SPS besser 2-5kSPS können um das vernünftig herauszufiltern -- Da wirds glaub ich ganz schnell teuer. Wenn ich den Aufwand betreibe, könnte ich dann gleich ne Synchronous Detection machen ;) Die große Zeitkonstante (1.2ms) hat allerdings auch einen anderen Zweck: Der LED-Treiber Teil kann schlafen gelegt werden (-> USB suspend). Beim "Aufwachen" fließt dann erstmal kein Strom durch den Messwiderstand R20 und der Opamp steuert voll durch. Anschließend schießen, je nach dem welche LED vor dem suspend ausgewählt wurde, 250 bis 300mA durch die LED! Klar, ich hab das nur simuliert und weiss nicht genau ob die SPICE Modelle für den MCP602 den Einschaltmoment richtig modellieren aber es erscheint mir sicherer hier eine möglichst große Zeitkonstante zu wählen (ich hab einen Sicherheitsfaktor von ca. 10 genommen). Worüber man allerdings nachdenken könnte wäre folgendes: Ich lege als Kompromiss die Zeitkonstante der TIs etwas höher an, von jetzt 330ms auf 33ms -- Das wären dann 4.8 Hz. Die settling time bei 18 Bit wären dann nur noch ca. 412ms anstatt 4.12s. Nun könnte ich eine Messsequenz mit einigen (5, 10?) Messungen starten und im Anschluss die LED über "LED_SHDN" ausschalten -- Das geht SEHR schnell! Nach 412ms messe ich dann den Schwarzwert, schalte die LED wieder an und starte nach weiteren 412ms die nächste Messsequenz Klar, ich messe dann nicht nach jeder einzelnen Messung den Schwarzwert, aber es würde mir zumindest erlauben etwaige große Schwankungen des Umgebungslichts zu kompensieren (evtl. zusätzlich mit interpolation) -- Erkauft dadurch dass ich das Nyquist-Theorem breche. Alternativ könnte ich auch einen etwas schnelleren ADC verwenden (30-50SPS?). "Schnellere" Schwankungen des Umgebungslichts würden dann, weiterhin, halbwegs gut durch das Tiefpassverhalten der TIs geblockt werden. Ich müsste das allerdings nochmal genau durchrechnen. Was hältst du davon? Karl schrieb: > Du bedenkst, dass der Strahlengang durch die Küvette möglichst parallel > laufen sollte? Also nicht einfach LED rein, PD raus, sondern schon noch > eine Optik dazwischen. Das ist klar. In diesem konkreten Fall reicht es allerdings Eingangsseitig zwei Blenden und Ausgangsseitig eine einfache Blende zu verwenden -- laut meiner Berechnungen ;) Hanso
georg schrieb: > Ich habe das grundsätzlich anders gelöst: die Referenzphotodiode liegt > im Rückkopplungsweg der Stromquelle für die LED, m.a.W. ich regele nicht > auf konstanten Strom, sondern auf konstantes Licht. Daher kann ich die > LEDs mit einem Tektronix-Photometer auf gleiche Beleuchtungsstärke > abgleichen (Die Referenz-Photodiode bildet mit der LED eine konstruktive > Einheit). > > Ich verwende auch ein lichtdichtes Gehäuse, trotzdem schalte ich beim > Messvorgang die LEDs aus und ein und berechne die Differenz, das > eliminiert nicht nur Fremdlicht sondern auch den Dunkelstrom. > > Georg Das war auch mein ursprüngliches Design. Auch wenn das aus messtechnischer Sicht bestimmt das optimale Design wäre bin aus verschiedenen Gründen davon abgerückt. Der Eine war das oben genannte Einschalt- bzw. Wakeup-Verhalten, was mindestens zu einer schnelleren Alterung oder sogar zur Zerstörung der LED führen könnte. Bei meinem jetzigen Design wäre das sogar noch kritischer weil die TIs eine so niedrige Grenzfrequenz haben. Eine Dunkelstromkompensation wäre allerdings auch jetzt möglich. Nur dauert das eben länger. Hmm, ich werde mir diesbezüglich nochmal Gedanken machen vielleicht fällt mir ja noch eine vernünftige Lösung ein das optische Feedback umzusetzen. Danke! Hanso
Hanso schrieb: > vielleicht > fällt mir ja noch eine vernünftige Lösung ein das optische Feedback > umzusetzen. Ich habe zwischenzeitlich auch darüber nachgedacht, ob sich das überhaupt lohnt oder nicht eine einfache Stromquelle ausreicht. Ergebnis: für die Langzeitalterung ist das nicht notwendig, die ist nur langfristig zu bemerken und wird mit den sowieso notwendigen Kalibrierungen eliminiert. ABER die Temperaturabhängigkeit der LED-Helligkeit sollte schon ausgeregelt werden, die liegt im Prozentbereich, besonders bei roten LEDs, und die Temperatur kann sich auch recht schnell ändern. Mein Design hat sich ja auch zig Jahre bewährt. Natürlich kann man auch nur eine Konstantstromquelle nehmen und die Veränderung der Helligkeit durch die Referenzdiode einrechnen. Man hat dann halt keine konstante Lichtquelle. Bei roten LEDs muss man mit 5% Änderung rechnen. Georg
georg schrieb: > ABER die Temperaturabhängigkeit der > LED-Helligkeit sollte schon ausgeregelt werden, die liegt im > Prozentbereich, besonders bei roten LEDs, und die Temperatur kann sich > auch recht schnell ändern. Nee, muss man nicht, wie Du schon schriebst kann man das auch über die Referenzdiode machen. Ich würde das sogar bevorzugen, und dafür den Strom konstanthalten, denn: Mit Änderung des Stromes ändert sich bei einigen LED auch die Peakwellenlänge. Obwohl diese Änderung so minimal sein dürfte, dass sie bei dieser Art Aufbau nicht ins Gewicht fällt. Btw: Was sind das eigentlich für Photodioden, ich hab dafür kein Datenblatt gefunden?
Was hab ich denn da gestern zusammengeschrieben. War wohl doch etwas spät. Das mit Nyquist ist natürlich quatsch. Ich will ja keinen Signalverlauf rekonstruieren sondern eine Messreihe aufnehmen welche letztendlich eh gemittelt wird. Karl schrieb: > georg schrieb: >> ABER die Temperaturabhängigkeit der >> LED-Helligkeit sollte schon ausgeregelt werden, die liegt im >> Prozentbereich, besonders bei roten LEDs, und die Temperatur kann sich >> auch recht schnell ändern. > > Nee, muss man nicht, wie Du schon schriebst kann man das auch über die > Referenzdiode machen. Ich würde das sogar bevorzugen, und dafür den > Strom konstanthalten, denn: Mit Änderung des Stromes ändert sich bei > einigen LED auch die Peakwellenlänge. Obwohl diese Änderung so minimal > sein dürfte, dass sie bei dieser Art Aufbau nicht ins Gewicht fällt. Mit einer derart geringen Variabilität der Emission kann ich leben. Was die Wellenlängenänderung angeht ist es schon ein wenig kritischer, wobei: +- 2nm sind für den gedachten Zweck (Farbmessung) absolut Ausreichend. Allerdings kenne ich sowas eher von Laserdioden und da sind beide Effekte, sowohl die Temperaturabhängigkeit, als auch die (schwächere) Abhängigkeit vom Injektiosstrom, ohnehin schon sehr gering. Da ich, im Fall der LEDs, keine Kavität habe müsste die Temperaturabhängigkeit aber nicht ins Gewicht fallen. Was die Abhängigkeit vom Injektiosstrom angeht habe ich bei LEDs keinerlei Erfahrung. Hast du da mehr Informationen über Größenordnung und Ursache der Änderung? (Würd mich genrell mal interessieren). Aufgrund deiner Aussage tendiere ich nun doch wieder zum Konstantstrom-Betrieb. > Btw: Was sind das eigentlich für Photodioden, ich hab dafür kein > Datenblatt gefunden? Oh, da ist ein kleiner Zahlendreher im Schaltplan. Das ist die SFH 203P! Sicherlich jetzt nicht die erste Diode die man bei solch einem Aufbau erwarten würde aber es ging beim Design des Photometers auch primär um einen kompakten Aufbau. Um nochmal auf den Dark-Current zurück zu kommen: Der müsste laut Diagramm im Datenblatt beim Kurzschlussbetrieb bei ca. 60pF liegen -- Mein Messstrom is maximal 250nA. Dementsprechend könnte ich nur bis 12 Bit auflösen. Wenn ich nun die Zeitkonstanten der TIs dahingehend ändere dass ich zwei Messungen pro Sekunde (einmal Dunkel und dann Hell) durchführen kann, würde das für eine ausreichende Dunkelstromkompensation reichen oder ist es besser zu kürzeren Messintervallen zu gehen? Danke Hanso
Hanso schrieb: > Was meint ihr? Ist der Entwurf so in Ordung? Ich habe jetzt das Schaltplanpuzzle nicht zusammengebaut. Grundsätzlich würde ich bei soetwas immer moduliertes Licht verwenden, was jegliche Abtrennung von irgendwelcher DC-Drift in den Verstärkern und Fremdlich erheblich vereinfacht. Kritisch wird die Messung nahe bei 100% Transmission und wenn die Transmission ganz gering wird. Ob die Bereiche relevant werden, hängt von der Messaufgabe ab. Die Länge des Lichtweges ist natürlich ein kräftiger Hebel, aber wahrscheinlich muss das Ding alle Kanäle bei gleicher Weglänge messen, so dass man sich schon Gedanken über die Dynamik machen muss.
Wolfgang schrieb: > Grundsätzlich würde ich bei soetwas immer moduliertes Licht verwenden Bei Licht aus und Licht an zu messen ist eine Amplitudenmodulation mit 100%. Georg
Wolfgang schrieb: > Kritisch wird die Messung nahe bei > 100% Transmission und wenn die Transmission ganz gering wird. Ob die > Bereiche relevant werden, hängt von der Messaufgabe ab. Die Länge des > Lichtweges ist natürlich ein kräftiger Hebel, aber wahrscheinlich muss > das Ding alle Kanäle bei gleicher Weglänge messen, so dass man sich > schon Gedanken über die Dynamik machen muss. Was die Dynamik angeht ist mein Design schon auf den geforderten Bereich abgestimmt. Es soll auch kein Universal-Spektrophotometer werden sondern nur für bestimmte Flüssigkeiten verwendet werden. Das Absorptionsspektrum ist im Großen und Ganzen bekannt. Transmissionen nahe 100% sind diesem Fall eher uninteressant und Transmissionen nahe 0% können durch Verdünnen auf einen "vernünftigen" Wert gebracht werden. Wolfgang schrieb: > Grundsätzlich würde ich bei soetwas immer moduliertes Licht verwenden, > was jegliche Abtrennung von irgendwelcher DC-Drift in den Verstärkern > und Fremdlich erheblich vereinfacht. Ja, nur würde ich das gerne vermeiden da das den Schaltungsaufwand in die höhe treibt -- Zumindest wenn ich zu höheren Frequenzen gehe ;) @georg Du schriebst dass dein Design sich zig Jahre bewährt hat. Bei welcher Frequenz schaltest du? Vielleicht komme ich ja auch einfach mit nem etwas schnelleren ADC aus... Hanso
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Hanso schrieb: > Bei welcher Frequenz schaltest du? Gaaanz langsam - ich habe bewusst einen Dual-Slope-ADC verwendet, da der Störungen von 50/60Hz unterdrückt, wenn man den Takt geeignet wählt, dadurch ergeben sich einige Messungen pro Sekunde. Das genügt aber völlig, ich habe da 16 Messpunkte, bei Messung jeweils dunkel und beleuchtet also 32 Messungen, die sind in wenigen Sekunden durch. Gemessen wird sowieso nur alle paar Minuten, so rasend vermehren sich die Bakterien nicht um die es dabei geht. Als Beispiel 2 von 16 Wachstumskurven, das sieht man dass es auf Sekunden überhaupt nicht ankommt. Georg
Der MCP3422 ist ein Sigma delta Wandler. Da braucht man keinen extra Antialiasing filter und muss entsprechend den TIA nicht extra langsam machen. Der ADC selber mittelt schon. Ein Problem mit dem MCP342x ist, dass die für 60 Hz ausgelegt sind und bei der Messzeit gerade keine vielfache von 20 ms nutzen. Man kann sich helfen mit z.B 3 aufeinander folgenden Messungen mit 15 SPS. Wenn der TIA nicht extra langsam ausgelegt ist, kann man auch etwas schneller messen und man muss nicht extra lange beim Wechsel zwischen Hell und Dunkelmessung warten. Die MCP60x sind in NF Bereich nicht besonders Rauscharm. D.h. man muss da ggf. mit relativ viel 1/f rauschen der OPs rechnen. Von daher ist eine eher schneller Wechsel zwischen LED an und LED aus schon gut, einfach um das Rauschen der OPs zu reduzieren.
georg schrieb: > Gaaanz langsam - ich habe bewusst einen Dual-Slope-ADC verwendet, da der > Störungen von 50/60Hz unterdrückt, wenn man den Takt geeignet wählt, > dadurch ergeben sich einige Messungen pro Sekunde. Das genügt aber > völlig, ich habe da 16 Messpunkte, bei Messung jeweils dunkel und > beleuchtet also 32 Messungen, die sind in wenigen Sekunden durch. > Gemessen wird sowieso nur alle paar Minuten, so rasend vermehren sich > die Bakterien nicht um die es dabei geht. > > Als Beispiel 2 von 16 Wachstumskurven, das sieht man dass es auf > Sekunden überhaupt nicht ankommt. > > Georg Hmm... Das ist schlau! Ein integrating ADC kommt bei mir allerdings leider nicht in Frage. Die scheint es offenbar nicht so häufig mit I2C oder UART zu geben. Und wenn dann nur mit 3.5 Bit. Misst du eigentlich das Signal und den Dunkelwerte hintereinander oder wechselst du periodisch während der Messung? Solltest du ersteres tun wären das schonmal gute Nachrichten für mich. Bei meinem Tiefpass mit fc=0.48Hz würd ich für 50Hz schon ne Unterdrückung von 20db bekommen, bei 100Hz folglich 23db. Das könnte schon reichen für meine Zwecke. Allerdings muss ich, aufgrund des ausgewählten ADCs (der ist nur gemultiplext), die Referenz und die eigentliche Messung sowie die beiden Dunkelsignale hintereinander messen. Da die settling time bei 0.48Hz für 18Bit ca. 4s beträgt liegen diese vier Messungen dann auch noch um diese Zeit auseinander. Der ADC schafft im worst case sogar nur 2.1 SPS. Wenn ich also je 16 Messwerte aufnehmen will geht das schon fast in die Minuten! Für meine Messung ist das egal -- Die kann meinetwegen auch 5 min dauern. Aber krieg ich dann bspw. den Dunkelstrom noch gut genug kompensiert? Ich will ja schließlich 14 Bit auflösen können -- Ohne Kompensation sind wohl nur 12Bit drin. Falls das nml nix bringt muss ich Wohl oder Übel zur synchronous detection übergehen :-( Btw: Zeigen die Kurven die Wachstumsrate, also die Ableitung des Signals? Hanso
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Lurchi schrieb: > Der MCP3422 ist ein Sigma delta Wandler. Da braucht man keinen extra > Antialiasing filter und muss entsprechend den TIA nicht extra langsam > machen. Der ADC selber mittelt schon. Ein Problem mit dem MCP342x ist, > dass die für 60 Hz ausgelegt sind und bei der Messzeit gerade keine > vielfache von 20 ms nutzen. Man kann sich helfen mit z.B 3 aufeinander > folgenden Messungen mit 15 SPS. Wenn der TIA nicht extra langsam > ausgelegt ist, kann man auch etwas schneller messen und man muss nicht > extra lange beim Wechsel zwischen Hell und Dunkelmessung warten. > > Die MCP60x sind in NF Bereich nicht besonders Rauscharm. D.h. man muss > da ggf. mit relativ viel 1/f rauschen der OPs rechnen. Von daher ist > eine eher schneller Wechsel zwischen LED an und LED aus schon gut, > einfach um das Rauschen der OPs zu reduzieren. Danke für die Info! Dann wohl eher doch synchron. Ich hab da mal was vorbereitet... Der Takt wäre in diesem Fall 1kHz. GNDREF liegt bei 1.05V Die MCP601 der TIAs könnten auch durch OPA340 ausgetauscht werden, die sind im SOT23-5 Gehäuse Pinkompatibel. Der die Grenzfrequenz der Tiefpässe vorm ADC könnte aber höher gelegt werden. Hanso
Ups! CH1- und CH2- liegen natürlich auf GNDREF und nicht auf GNDA. Die Tiefpässe evtl. auch noch. Hanso
Hanso schrieb: > Misst du eigentlich das Signal und den Dunkelwerte hintereinander oder > wechselst du periodisch während der Messung? Kanal 1 dunkel hell, Kanal2 dunkel hell... Ich schalte selbst mit Analogmultiplexern um, da gab es keine Probleme mit Setup-Zeiten. Anzumerken ist, dass jeder Kanal seinen eigenen Vorverstärker hat, umgeschaltet werden also relativ niederohmige OpAmp-Ausgänge. Hanso schrieb: > Btw: Zeigen die Kurven die Wachstumsrate, also die Ableitung des > Signals? Die zeigen die Trübung in MacFarland-Einheiten. Für die Feststellung, ob die Biester im Nährmedium ordnungsgemäss wachsen reicht diese relative Messung, wollte man absolute Bevölkerungszahlen, müsste man das für jede Bakterienart gesondert kalibrieren, weil jede andere optische Eigenschaften hat. Meines Wissens hat das nie jemand für nötig gehalten, aber sicher weiss ich das nicht, weil man die Werte in eine Exceldatei exportieren kann und dann damit machen was man will. Aber so grob heisst schon doppelt so trüb = doppelt soviele Bakterien bis zu einer bestimmten Grenze, wenn sich nur noch trübe Suppe im Glas befindet, dann ist die Anwendbarkeit der Methode zu Ende. Georg
georg schrieb: > Kanal 1 dunkel hell, Kanal2 dunkel hell... Ich schalte selbst mit > Analogmultiplexern um, da gab es keine Probleme mit Setup-Zeiten. > Anzumerken ist, dass jeder Kanal seinen eigenen Vorverstärker hat, > umgeschaltet werden also relativ niederohmige OpAmp-Ausgänge. Hmm, ok. Das mit dem Analogmultiplexer macht natürlich Sinn. Aber dann werde ich wohl eher mein zweites Design mit den Synchrondetektoren weiterentwickeln -- Das ist dann nur unwesentlich mehr Aufwand und ich umgehe die von Lurchi beschriebenen Probleme mit dem Rauschen. georg schrieb: > Die zeigen die Trübung in MacFarland-Einheiten. Für die Feststellung, ob > die Biester im Nährmedium ordnungsgemäss wachsen reicht diese relative > Messung, wollte man absolute Bevölkerungszahlen, müsste man das für jede > Bakterienart gesondert kalibrieren, weil jede andere optische > Eigenschaften hat. Meines Wissens hat das nie jemand für nötig gehalten, > aber sicher weiss ich das nicht, weil man die Werte in eine Exceldatei > exportieren kann und dann damit machen was man will. > > Aber so grob heisst schon doppelt so trüb = doppelt soviele Bakterien > bis zu einer bestimmten Grenze, wenn sich nur noch trübe Suppe im Glas > befindet, dann ist die Anwendbarkeit der Methode zu Ende. Ah! Interessant! Du bist nicht zufälligerweise Mikrobiologe?! Mich würde nml interessieren ob es auf diesem Wege auch möglich ist die Konzentration von Hefezellen (Saccharomyces cerevisiae und Saccharomyces pastorianus) in einem Nährmedium zu bestimmen/abzuschätzen oder ist in diesem Fall die Absorption bzw. Streuung einfach zu groß? Hanso
Mal ne Frage: Wenn es da um organischen Kram geht, habt ihr schonmal dran gedacht das über Fluoreszenz zu machen? Es gibt ja inzwischen neckische kleine UV-Dioden. Man müßte halt im 90° Winkel einstrahlen. Die UV-Dioden strahlen noch weit bis ins Rote ab, und liegen bei 365 bis 385nm Peak. Ein Filter je vor UV-Diode und Photodiode wäre also nicht schlecht.
Karl schrieb: > Mal ne Frage: Wenn es da um organischen Kram geht, habt ihr > schonmal > dran gedacht das über Fluoreszenz zu machen? > > Es gibt ja inzwischen neckische kleine UV-Dioden. Man müßte halt im 90° > Winkel einstrahlen. Die UV-Dioden strahlen noch weit bis ins Rote ab, > und liegen bei 365 bis 385nm Peak. Ein Filter je vor UV-Diode und > Photodiode wäre also nicht schlecht. Also bei mir gehts nicht um irgend etwas Lebendiges (falls du das mit organisch meinst). Für eine Bakterienkultur ist dauerhafte UV-Licht Bestrahlung bestimmt der sichere Tod (Vllt kommt eas auch nur zu kleineren Mutationen führen -- Keine Ahnung). Ausserdem bleichen Farbstoffe die im UV-Bereich angeregt werden i.d.R schneller aus. Für Langzeitmessungen ist das also eher nix.
Der Sigma delta Wandler ist schon ein integrierender Wandler. Das Filter hinter dem Synchron Detektor muss also keine so niedrige Grenzfrequenz haben. Der ADC mittelt auch schon einmal. Das gilt insbesondere, wenn man nicht den 18 Bit/ 3.7 SPS mode, sondern den 16 Bit / 15 SPS mode nutzt. So viel verliert man nicht wenn das Filter den Wechsel zwischen den Kanälen nicht voll überbrückt. Die Messung des Ref. Signals kann später vermutlich sowieso kürzer als die des eigentlichen Signals sein, weil da weniger Rauschen drauf ist. Den Demodulator könnte man auch noch einfacher aufbauen: den HC4053 anderes herum und den Differenzeingang des ADC ausnutzen. Damit bräuchte man nur noch den OP für den TIA, allerdings 4 der Filterkondensatoren. Das ist ähnlich einem Tayloe Mixer, nur halt ohne die 2 Phasen. Für 3.3 V sollte es natürlich 74HC... sein und 74HCT... Bei den LEDs muss man ggf. sehen, dass man eine ähnliche Intensität hinbekommt: die roten LEDs geben von der Tendenz her deutlich mehr Signal für die Photodiode als eine gelbe oder blaue.
Hanso schrieb: > Für eine Bakterienkultur ist dauerhafte UV-Licht Bestrahlung bestimmt > der sichere Tod (Vllt kommt eas auch nur zu kleineren Mutationen führen > -- Keine Ahnung). Das "Keine Ahnung" hättest Du am Anfang scheiben sollen. Bei 365nm passiert da gar nix. 250nm aus Hg-Lampen sind böse. Aber nicht 365nm aus ner LED. Das Ausbleichen kann man verzögern, indem man nur kurz misst, und mit langen Pausen. Aber ja, ich hab da mal Untersuchungen mit Stickstofflasern gemacht (337nm), da bleichen so ziemlich alle Fluoreszenzfarbstoffe merklich aus, wenn man nur oft genug draufballert.
Hanso schrieb: > Du bist nicht zufälligerweise Mikrobiologe?! Nein, höchstens in dem Sinn, dass man, wenn man Geräte entwickelt oder Software, zwangsläufig eine Art Halbfachmann für das jeweilige Gebiet wird, jedenfalls sollte das so sein. Man kann sicher kein brauchbares Buchhaltungsprogramm erstellen ohne was von Buchhaltung zu verstehen. Obwohl, ich habe durchaus Programmierer kennengelernt, die das auf der Basis angegangen sind, dass sie sowieso alles ganz anders machen und erst mal den Buchhaltern in den Firmen klarmachen wollen, dass die seit Jahrzehnten alles ganz falsch gemacht haben. Ich würde aber nicht behaupten dass solche Programmierer besonders erfolgreich wären. Natürlich habe ich mit den Mikrobiologen zusammengearbeitet die meine Geräte verwenden. Und ich habe denen nicht die Mikrobiologie neu erklären wollen. Hanso schrieb: > ob es auf diesem Wege auch möglich ist die > Konzentration von Hefezellen (Saccharomyces cerevisiae und Saccharomyces > pastorianus) in einem Nährmedium zu bestimmen/abzuschätzen oder ist in > diesem Fall die Absorption bzw. Streuung einfach zu groß? Die aktuelle Messmethode beruht auf dem seitlichen Streulicht, das setzt voraus, dass das Medium ziemlich durchsichtig ist, Kaffesahne ginge nicht. Aber das ist ja nicht festgeschrieben, man muss halt Experimente machen, ob man eine optische Vorrichtung findet, man kann ja alles einrichten von fast 0 Grad (direkte Rückstreuung) bis 180 Grad (Durchlicht). Für einzelne Messungen kann man ja auch die Hefesosse verdünnen. Beipielsweise wären chemische Analysen möglich durch Farbmessung, ev. auch nach Zugabe von Farbmitteln oder sonstigen Reagenzien. Eine Möglichkeit wäre z.B. die Kupferbestimmung galvanischer Bäder auf Basis der Blaufärbung. Dazu müsste ich nur die Empfänger in einem anderen Winkel anordnen. Solche Schnellanalysen gibt es ja. Karl schrieb: > Es gibt ja inzwischen neckische kleine UV-Dioden Ich kann natürlich die Sender mit LEDs beliebiger Farbe bestücken, auch UV und Infrarot, hat aber noch keiner verlangt. Karl schrieb: > 250nm aus Hg-Lampen sind böse Die Räume mit meinen Geräten werden nachts mit UV geflutet, damit keine der kleinen Biester die Flucht ergreifen. Das ist so aggressiv das manche Kunststoffe angegriffen werden, und es ist nicht nur für Bakterien höchst ungesund, daher ist das Betreten dann streng verboten. Es kommt aber auch keiner auf die Idee. Georg
Karl schrieb: > Das "Keine Ahnung" hättest Du am Anfang scheiben sollen. Bei 365nm > passiert da gar nix. 250nm aus Hg-Lampen sind böse. Aber nicht 365nm aus > ner LED. Ja, mein Fehler, hatte versehentlich was von 265nm gelesen. Ich dachte du meintest die LEDs die auch zur Desinfektion eingesetzt werden. georg schrieb: > Die aktuelle Messmethode beruht auf dem seitlichen Streulicht, das setzt > voraus, dass das Medium ziemlich durchsichtig ist, Kaffesahne ginge > nicht. Aber das ist ja nicht festgeschrieben, man muss halt Experimente > machen, ob man eine optische Vorrichtung findet, man kann ja alles > einrichten von fast 0 Grad (direkte Rückstreuung) bis 180 Grad > (Durchlicht). Für einzelne Messungen kann man ja auch die Hefesosse > verdünnen. Ah, ok. Ich bin bis jetzt davon ausgegangen dass du bei der Messung der Bakterien eine reine Transmissionsmessung machst. Meinst du mit 'ziemlich durchsichtig' dass Merfachstreuung vernachlässigbar klein sein sollte? Hanso
Lurchi schrieb: > Den Demodulator könnte man auch noch einfacher aufbauen: den HC4053 > anderes herum und den Differenzeingang des ADC ausnutzen. Damit bräuchte > man nur noch den OP für den TIA, allerdings 4 der Filterkondensatoren. > Das ist ähnlich einem Tayloe Mixer, nur halt ohne die 2 Phasen. Mit dem Tayloe Mixer bin ich nicht vertraut. Soweit ich bis jetzt weiss macht man damit eine I&Q-Demodulation indem man bei einen RC-Tiefpass zyklisch, mit dem 4-fachen der Samplingfrequenz, die Kondensatoren beschaltet um die 0°/180° und 90°/270° Phasenverschiebungen zu erhalten (ich werd das mal genauer nachlesen müssen). Du schriebst 'ohne die 2 Phasen': Meinst du damit dass lediglich eins der I-Teil ausgewertet werden braucht weil die Detektion in-phase geschieht oder lieg ich da komplett falsch? Lurchi schrieb: > Bei den LEDs muss man ggf. sehen, dass man eine ähnliche Intensität > hinbekommt: die roten LEDs geben von der Tendenz her deutlich mehr > Signal für die Photodiode als eine gelbe oder blaue. Das habe ich schon bedacht. Trotzdem danke für den Hinweis. In meinem ersten Schaltplan sind die Anforderungen and die LEDs aufgeführt. Glücklicherweise werden diese von einem Großteil der LEDs die ich mir angeschaut habe erfüllt. Ich habe die Verstärkung etwas höher angesetzt als nötig um dann, per Konstantstromquelle, auf möglichst gleiche Signale einzustellen ohne Dynamik zu verlieren. Danke! Hanso
Für halbwegs richtige Farbmessung sind Leds ungeeignet, weil sie ein zu breites Farbspektrum haben. Abhilfe durch Vorschalten von Interferenzfiltern, die das Led-Spektrum eingrenzen. Oder habe ich das überlesen? Die beste Lösung ist ein vorgeschalteter Polychromator (= Monochromator mit RGB-Ausgang, z.B. durch Fasern). Für die Messung trüber Suppen ist die Anordnung wichtig: Der Detektor kommt unmittelbar an die Küvette, um einen großen Streuwinkel erfassen zu können. Hitachi hat solche (großen) Geräte früher gebaut, mit 5-cm-Photomultiplier und 2 Monochromatoren. Typ 356 und 556. Deren Wartung war sehr aufwändig... Gruß - Werner
Hanso schrieb: > Meinst du mit 'ziemlich durchsichtig' dass Merfachstreuung > vernachlässigbar klein sein sollte? Nein, das wäre eine viel zu harte Einschränkung. Aber der Empfänger sollte Streulicht aus dem gesamten Volumen des Reagenzglases empfangen können, bei der erwähnten Kaffeesahne wären nur Millimeterbruchteile an der Oberfläche sichtbar. Sicher nimmt die Linearität der Beziehung Trübung - Teilchenzahl mit zunehmender Dichte ab, aber wenn das zuviel ist kann man das durch Kalibrierung mit mehreren verschiedenen Standards herauskalibrieren. Die MacFarland-Standards haben ja eine definierte Teilchendichte, bei 1 doppelt soviel wie bei 0,5. Sie werden ja durch Verdünnen hergestellt. Georg
Werner H. schrieb: > Für halbwegs richtige Farbmessung sind Leds ungeeignet, weil sie ein zu > breites Farbspektrum haben. Abhilfe durch Vorschalten von > Interferenzfiltern, die das Led-Spektrum eingrenzen. > Oder habe ich das überlesen? > Die beste Lösung ist ein vorgeschalteter Polychromator (= Monochromator > mit RGB-Ausgang, z.B. durch Fasern). Das mag im Allgemeinen stimmen, aber in meinem Fall ist das zu erwartende Spektrum zum Glück bekannt und kann mit einer Modellfunktion (die Absorbanz ist eine Art E-Funktion, nix kompliziertes also) hinreichend genau beschrieben werden. Es geht also lediglich darum die Parameter der Modellfunktion zu bestimmen bzw. abzuschätzen. Dafür reichen in diesem speziellen Fall auch einfache RGB-LEDs aus. Die Bestimmung der Parameter soll durch einen Optimierungsalgorithmus geschehen (wohl Downhill-Simplex, auf jeden Fall was ableitungsfreies): Minimiert wird der quadratische Fehler von gemessenen "RGB" Transmissionswerten zu, mittels Modellspektrum und Systemparametern, errechneten Werten. Werner H. schrieb: > Für die Messung trüber Suppen ist die Anordnung wichtig: Der Detektor > kommt unmittelbar an die Küvette, um einen großen Streuwinkel erfassen > zu können. Sollte ich das mit den Hefezellen (r ~ 5um) tatsächlich umsetzen würde ich eine Laserdiode (lambda=780nm, da ist das Nährmedium nahezu transparent) nehmen. Der Grössenparameter (a=2pi*r/lambda) wäre dann ca. 40 -- Also schon Mie-Streuung i.e. hauptsächlich Vorwärtsstreuung. Ich würde dann in eine Blende hinter der Küvette fokussieren, so könnte ich dann möglichst viel des Streulichts einfangen weil ich dann mit dem Detektor näher an die Streuachse komme. georg schrieb: > Nein, das wäre eine viel zu harte Einschränkung. Aber der Empfänger > sollte Streulicht aus dem gesamten Volumen des Reagenzglases empfangen > können, bei der erwähnten Kaffeesahne wären nur Millimeterbruchteile an > der Oberfläche sichtbar. Ok, gut! georg schrieb: > Sicher nimmt die Linearität der Beziehung Trübung - Teilchenzahl mit > zunehmender Dichte ab, aber wenn das zuviel ist kann man das durch > Kalibrierung mit mehreren verschiedenen Standards herauskalibrieren. Die > MacFarland-Standards haben ja eine definierte Teilchendichte, bei 1 > doppelt soviel wie bei 0,5. Sie werden ja durch Verdünnen hergestellt. Ich werd mich mal umschauen, vielleicht gibt es ja schon Kalibrierkurven für diese Art von Hefen. Ansonsten muss ich, wie du bereits geschrieben hast, selber Kalibrierkurven aufnehmen. georg schrieb: > Hitachi hat solche (großen) Geräte früher gebaut, mit > 5-cm-Photomultiplier und 2 Monochromatoren. Typ 356 und 556. Deren > Wartung war sehr aufwändig... Wenn sich herausstellt dass ich PMTs oder APDs verwenden muss würde ich den Ansatz dann wohl verwerfen ;) Danke Hanso
Kleiner Nachtrag: Hinter der Blende würde sich ein Strahlfang befinden. Der Detektor würde neben der Blende platziert werden. Hanso
Oh, mir ist nochwas aufgefallen: Da ich ja nun die LEDs gepulst betreibe könnte ich ja auch mit dem Strom hoch gehen. Dementsprechend könnte ich dann die Widerstände der TIAs halbieren. (Durch den Tayloe-Decoder würde ich bei Rechtecksignalen keine merkliche Abschwächung bekommen oder liege ich da falsch?) Zwar würde das SNR um sqrt(2) schlechter werden aber der Einfluss von etwaigem Fremdlicht würde weiter minimiert werden. Ausserdem wären die TIAs dann ein wenig schneller was zu etwas besseren Flanken führt. Alternativ könnte ich noch mit der Frequenz hochgehen. Aber: hat jemand von euch Erfahrung mit der Alterung von LEDs die mit höheren Strömen gepulst werden? Vorzeitige Alterung soll nämlich möglichst vermieden werden. Danke Hanso
@Lurchi Ich glaube jetzt hats bei mir klick gemacht! Wenn ich pro Kanal einen R und 2 Cs (C1 und C2, wobei C1=C2) nehme und während HIGH [0°,180°) des Clock-Signals auf C1 schalte sowie bei LOW [180°,360°) auf C2 habe ich quasi zwei Sample & Hold Schaltungen welche zusätzlich ein Tiefpassverhalten aufweisen. Höhere Frequenzen werden mit 3db pro Oktave rausgefiltert. Niedrige Frequenzen werden durch den Mixer zu höheren Frequenzen verschoben und dann ebenfalls rausgefiltert: Allgemein wird eine Frequenz f0 und Amplitude A0 (egal ob niedriger oder höher) wird durch die Mischung mit dem Rechteck mit fs zu f0 +/- fs/(2n-1) (n ist ganze Zahl) hochgemischt wobei die Amplituden der n-ten Harmonischen A_n = 4/pi * A0/(2n-1) betragen. Ist f0 = fs so ergibt sich ein Gleichanteil welcher den Tiefpass ungestört passieren kann. Wenn die Grenzfrequenz fc des Filters nun niedrig genug gewählt wurde erreicht man dadurch, unterstützt durch die niedrige Amplituden der der Harmonischen, ein sehr gutes Bandpassverhalten um fs. Zusätzlich bekomme ich einen Gain von 4/pi also ca 27.3% mehr Signal (muss ich nochmal in Ruhe nachrechnen). Ist es das was du meintest? Hanso
Nachtrag: Ich bekomme keinen Gain! Ich habe nicht bedacht dass der Faktor 4/pi ja auch beim Messsignal vorkommt ;)
Ok, nochmal für gleiche Frequenzen Hier das Messsignal (Rechteck) als Fourierreihe, die Amplitude ist A_0 also das Signal geht also von -A_0 bis A_0:
Hier das Sampling-Signal als Fourierreihe (Rechteck, -1..+1):
Das Produkt ist:
Ein Gleichanteil kann nur dann auftreten wenn m=n. Die benötigte Teilsumme ist also:
Der Sinus lässt sich wie folgt umschreiben:
Das ergibt dann:
Da nur der Gleichanteil von Interesse ist (der Rest wird gefiltert) benötigt man nur:
Da nun aber das Messignal von -A_0 bis +A_0 ging hat man eine Abschwächung auf 50%. Ist das korrekt? Hmm, dann wäre eine Erhöhung der Stromstärke schon sinvoll. Hanso
^^^ Also genauso wie bei meinem Mixer im zweiten Schaltplan. Das wundert mich etwas da ich, beim stöbern in einigen Foren bzgl. des Tayloe Mixers, was von nem zusätzlichen Gain gelesen habe... aber na gut!
Zusätzlichen Gain hat man vom Tayloe mixer nicht. Der Vorteil hier vor allem die einfachere Schaltung. Zu hoch muss man mit der Frequenz nicht gehen - eigentlich nur so dass man deutlich von den 100/200 Hz weg ist liegt und das 1/f rauschen des TIAs nicht so hoch ist. Etwa 310 Hz-1 kHz sollten passen. Der TIA sollte schon so schnell sein, um auch die 3-fache Frequenz noch ganz gut zu erfassen, denn ein Teil der Information ist auch in den Oberwellen. Die Filterfrequenz hinter dem Mixer muss man nicht so niedrig wählen. Der ADC integriert und mittelt auch noch einmal. Eine niedrige Grenzfrequenz hätte vor allem mehr Wartezeit beim Umschalten zwischen den LEDs zur Folge. Im Zweifelsfall ist es günstiger länger über das Signal mit leichten Schwankungen zu mitteln als vorher lange zu warten um dann einen stabilen Wert einmal zu lesen.
Lurchi schrieb: > Zusätzlichen Gain hat man vom Tayloe mixer nicht. Der Vorteil hier vor > allem die einfachere Schaltung. Zu hoch muss man mit der Frequenz nicht > gehen - eigentlich nur so dass man deutlich von den 100/200 Hz weg ist > liegt und das 1/f rauschen des TIAs nicht so hoch ist. Etwa 310 Hz-1 kHz > sollten passen. Gut, dann werde ichs wohl bei 1kHz belassen. Lurchi schrieb: > Der TIA sollte schon so schnell sein, um auch die 3-fache Frequenz noch > ganz gut zu erfassen, denn ein Teil der Information ist auch in den > Oberwellen. Ok, danke! Werd ich berücksichtigen. Zur Not gehe ich dann doch noch ein wenig mit der Sampling-Frequenz runter. Lurchi schrieb: > Die Filterfrequenz hinter dem Mixer muss man nicht so niedrig wählen. > Der ADC integriert und mittelt auch noch einmal. Eine niedrige > Grenzfrequenz hätte vor allem mehr Wartezeit beim Umschalten zwischen > den LEDs zur Folge. Im Zweifelsfall ist es günstiger länger über das > Signal mit leichten Schwankungen zu mitteln als vorher lange zu warten > um dann einen stabilen Wert einmal zu lesen. Ich denke dann werd ich auf 16Hz (10kOhm, 1uF) gehen. Das ist für meine Zwecke schnell genug :) Hanso
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