（生物医学工程专业论文）海水重金属现场分析仪器的硬件设计.pdf

a b s t r a c t t h ep a p e rd e s c r i b e sh a r d w a r ed e s i g no ft h eo n - l i n ea u t o m a t i ca n a l y t i c a l i n s t r u m e n t u s e dt od e t e c tn i n ek i n d so ft r a c e h e a v y m e t a l s ( z n ，c d ，p b ，c u ，m n ，a s ，f e ，c r ，c da n dh g ) o fs e a w a t e r ，w h i c ha d o p t s m u l t i p l em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ss u c ha sl i g h t - a d d r e s s a b l ep o t e n t i a m e t r i c s e n s o r ，d i f f e r e n t i a lp u l s es t r i p p i n gv o l t a m m e t r ya n dc h a l c o g e n i d ei o ns e l e c t i v e e l e c t r o d e t h ei n s t r u m e n tc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t so nt h eb a s i so ff u n c t i o n ： m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m v a r i o u sh a r d w a r ed e s i g n sa r ea p p l i e df o r d i f f e r e n tm e a s u r i n gt e c h n i q u e s m o r e o v e r ，t h en o i s em o d e lo ft h es y s t e mi ss e tu pf o r t h eo p t i m i z a t i o no ft h ew h o l ec i r c u i tr e a l i z a t i o n t h ec o r eo ft h el o c k i na m p l i f i e r u s e dt om e a s u r e r e s p o n s e o fl a p sc o n s i s t so fa l l i 曲p r e c i s i o n m o d u l a t o r d e m o d u l a t o ra n dd d sa s s i 驴a lg e n e m t o r i t h ee l e c t r o c h e m i c a l m e a s u r e m e n ts y s t e mu s e dt op e r f o r md p s vm e a s u r e m e n ti sc o n s t r u c t e dw i t ht w o p a r t s ，al o w - c u n e m m e a s u r e m e n ts y s t e mc o n s i s t so fl o wi n p u tb i a sc u r r e n t o p e r a t i o n a la m p l i f i e ra n dah i g hr e s o l u t i o ns a ra d c a n dap o t e n t i a l s t a tc o n s i s t so f h i 曲r e s o l u t i o nd a ca n dh i g hc u r r e n tb u f f e ra m p l i f i e r t h ei n s t r u m e n tu s e df o rt h e m e a s u r i n ge l e c t r o d ei s ah i 【曲p r e c i s em u l t i c h a n n e ls y s t e mc o n s t r u c t e dw i t ha 一a a d ca st h ec o r e ，ah i 曲i n p u ti m p e d a n c ea m p l i f i e ra n dal o wi n p u tc u r r e n t m u l t i p l e x e r s p e c i a l f u n c t i o n sa r ea c c o m p l i s h e d b yt h ee m b e d d e df i r m w a r e ， i n c l u d i n g t h e s i m p l ep o t e n t i a ls a m p l i n g a n dt h e c o m p l i c a t e dp r o c e s s o f e l e c t r o c h e m i c a ls c a n n i n g t h ec o r eo fc o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so fm c ud s 8 0 c 3 2 0a n dp r o g r a m m a b l e s y s t e md e v i c ep s d 8 5 4 f 2 ，w h i c hf e a t u r e sh i g hr e l i a b i l i t y ，h i g li n t e g r i t y ，f l e x i b l e c o n f i g u r a t i o na n dw o n d e r f u le x t e n s i b i l i t y a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fo n l i n e m e a s u r e m e n t ，t h ec o n t r o ls y s t e mi se x p a n d e db ya d d i n gs r a mf o rs t o r a g es a m p l e d a t a ，t h er e a lt i m ec l o c kf o rc o u n t i n g ，a n dt h ep o w e rl o g i ca d d r e s s a b l el a t c hf o r p e r i p h e r a l s u c ha sv a l v ea n dd cm o t o r a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t ，t h e i l i 雠黼e n t sc a l ll i m b e r l yc o n f i g u r et h ep a r a m e t e r ss u c ha so p e n c l o s es e q u e n c ea n d d e l a yt i m eo f v a l v ea n dp u m p ，t h u sg u a r a n t e et h ea c c u r a c yo f m e a s u r e m e n t t h ep r o t o t y p eh a sb e e nf u l l yc h e c k e d ，i n c l u d i n gt h ec u r e m tr e s o l u t i o no ft h e l o c k i na m p l i f i e ra n dt h ee l e c t r o c h e m i c a ls y s t e m ，t h es t a b i l i z a t i o no ft h ep o t e n t i o s t a t a n db i a sv o l t a g eo fl o c k - i na m p l i f i e r , t h ee f f e c t i v er e s o l u t i o no ft h e i n s t r u m e n tu s e d f o rt h em e a s u r i n ge l e c t r o d e + t h er e s u l ts h o w st h a ta l lt h e t e c h n i c a ld a t ao ft h e i n s t r u m e n t a lh a r d w a r er e a c h e st h er e q u i r e m e n to ft h ed e s i g n u p 协n o w , t h e i n s t r u m e n ti st e s t e di nt h eb o h a is e af o ro n l i n es e aw a t e rm e a s u r e m e n t ，t h es y s t e m , w h i c hc o n s i s t so fa u t o m a t i cs a m p l ei n j e c t i o na n da n a l y s i s ,i sq u i t es u i t a b l ef o r m e a s u r e m e n to f t r a c eh e a v ym e t a i o i l s k e y w o r d s ：h e a v ym e t a la n a l y s i s ，e n v i r o n m e n t a ld e t e c t i o n ，w e a ks i g n a l d e t e c t i o n 1 1 1 1 1 囊金属的危害 第一章绪论 密度农5g e r a 3 懿上豹金裰绞嚣为重金属，魏众、银、锈、锯、锌、镍、链、 锈、铬帮藏等共存4 5 秘n 。获耀壤污染方西掰诞瓣麓金属，实际上主癸蔗捂汞、 镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金祸，也指具有一定毒饿的一般重 金属如锌、铜、钴、镍、锡镣。目前最引起人们注黥的是汞、镉、铬等。重金属 随废水排出时，即使浓度很小，也可能造成危害。 重衾瓣污染翼毒骥下死令黪点翻： 1 ) 除被懑浮物带走的外，会函吸附沉淀作用丽甯集子排污日附近的底混中，成 为长期的次生污染源。 2 ) 水中嚣种无机配位体( 氯离子、硫酸离子、氯飘离子等) 和有机配傥体( 腐蚀 覆等) 会与葵生戴络合耪或蘩念携，导致重金属蠢邂大数求溶解度嚣绶跫逡入瘾 泥的重念簇又可能重新释藏滋采。 3 ) 重金属的价态不同，其活性与毒性不同。其形态又随p h 和氧化遥原条件而 转化。 4 ) 微量浓澄即可产生毒性( 一般为l 1 0 毫克升，汞、镉为0 0 1 0 0 0 t 毫克 舞) ；在微生镌终弱下会转纯为海经更强豹毒橇众麓纯合凌；霉蔹垒辏蜜集，逶 过食物链滋入人体，造成慢性中毒。 因此瘕量重金属的定量分析在药物、食品、临床和环境检测方面鼠有非常重 要的意义。 1 2 课题任务 重众桶污染是影响海洋嫩态环境的重要因索，为防止和控制海水污染，保护 海洋生物资源和其他海洋资源，我们需要现场实时臆测海水中的重众属离子浓 疫，这撵露穗子海洋资源豹霹捻续零l 弱，维护海浮裳态平鹰。嚣翦，建予海洋重 金震元素瓣检测手段主要怒依靠原子吸收分光港纛计、质谱、中子添纯分析等仪 器方法。这些方法存在的缺点主要是：需要大型的和复杂的仪器设餐、较长的分 辑l 孛润、笈杂窝溪琰豹分拆避簇等。最重要豹一令游戆是这些方法只熊在实验室 内送行，不麓在测试现场使臻，邵一般需要璜场粟榉后进孪亍离线分耩。餐海水衣 样现场采样后送到实验室进行分析，不但成本高效率低，而且由于水样没 有及时检测中途发生变化以及传输过程中水样的污染都会影响刹检测结 果的客鼹髅。因此，研究燕现场富集、分离鞠检测于一体的小型分掇测试 霞器，耱巍蹩霹矮子嚣境徐溅戆薪型毫予舞襄穗子苔分辑莰器露麓越来越 广泛的需求【3 l 。 本文设计了一个光寻址电位传感器、电化学传感器和硫属玻璃电极三 种技术联用的船载海水重焱属自动梭测系统。搬据正常海水中熏龛属元索浓 疫范嚣，铰器慰蚤嚣重金】| 霪元素熬捡瓣下限亵捡溯误差豹撵蠡热表l 袋示。 表1 - 1 系统各季争重金属嚣綮稔测下限 测量下限 待测元素允许误差 富懿简( p g l )富集后( i t g l ) e ho 22 0 p bo 0 55 c d0 0 33 h g 0 0 0 50 s f el o1 0 0l o e fo ，5 5 0 z n33 0 a so 55 0 m n1 01 0 0 2 第二章仪器的总体结构 仪器在结构上可分为水路系统和电路系统两大部分。现场采样的海水经过 水样预处理系统分离和富集形成被测溶液。由水样分配系统分成三路泵入 四个样品池中进行测量。测试完毕后排出废液并对管路和测试腔进行清洗，同 时把检测结果上传到上一级的工作站。 2 1 水路系统 2 1 1 水样预处理系统 为了保证测量的准确性，测量前需要对海水进行预处理，过滤现场海水中的 悬浮颗粒，分解被有机物络合的重金属。有些重金属元素在海水中存在多种价态， 在预处理时需加入还原剂或氧化剂将其转换成同价态离子，保证检测时得到的 是元素的整体浓度。为避免杂质元素以及被检测元素之间相互的干扰，有的重金 属元素需要进行添加掩蔽剂来达到分离的目的。另外由于正常海水中重金属含量 很低，如汞的质量浓度的量级仅为p p b ( 1 0 4 ) 量级，在检测前需进行预浓缩， 可以提高测量的准确度。图2 1 为一路水样预处理系统的示意图。水样预处理这 部分工作是由我们的台作单位北京生态环境研究所来完成的。 嵩一 2 1 2 水样分配系统 图2 一l 水样预处理系统 经过预处理得到的被测溶液，由计算机控制分成三路泵入四个样品腔 中，z n ，c d ，p b ，c u 为一路，m n ，a s 为一路，f e ，c r 为一路，h g 为一 路。图2 2 为水样分配系统。测试过程在测试腔内进行，测试过程中可以根据 图2 2 水样分配系统 需要决定是否需要加标样和缓冲液。纯水池中存储的纯水用于测试后对样品池、 4 测试池以投管鼹靛清洗。测试鞠清洗产生约疲滚将捺入废品邀，最终褥统一妥善 处理。 2 2 电路系统 仪器魄精象绕铁功麓上可划分为检测系统积控剿系统强太部分，魏强2 - 3 蘑 示。仪器麓检测系统包括兔磊皱电位传感器检铡予系统、电化学捡测予系统和硫 属玻璃电檄检测子系统三个部分。每个子系统部有独立的自动进样系统，它们的 区别是采用了不同的检测方法：电化学检测子系统使用差分脉冲溶出伏安法对 c u ，p b ，z n ，c d ，a s ，m n 离子的浓度进彳亍测爨，电极检测子系统馒用硫系玻 穗奄辍竣灏h g ，c r 寒予，畿等薤电整簧惑器擒溺子系统建霞羯港嚣缝奄霞簧 感器传感器测量f e 。各检测予系统将在后续三鬻中详细介绍。 控制系统 稔测系统 图2 - 3 仪器检测控制结构看 惫鼙 控制系统主要负责仪器的工作流程的控制，它实时接收p c 的命令序列， 有序的打开关闭电磁阀，启动停止蠕动泵，实现了颡i 试过程的自动化。泵，阀 鹣蠢庆蓑溺颥痔，延迟瓣阑，灏鬟参数黎可逶遐稷净控裁豹，玟器霹浚壤器翥要 灵活更改设登，完成各种复杂的全自动操作。 控制系统豹核，0 是剩磁d s 8 0 c 3 2 3 霸p s d 8 5 4 组或豹最小系统。根据 溅量静突际需要，在最小系统的基础_ 二扩展了静态存储器、实辩辩钟及功 率逻辑锁存器。 2 2 1 最小系统 d s 8 0 c 3 2 0 是一种与8 0 c 3 1 8 0 c 3 2 兼容的高速微控嚣器。处理器内核经过重薪 设计去除了冗余的时钟和存储周期，因此在同样的晶振速度下每个指令执行速度 提高了1 5 3 倍，在使用相同速度的晶振和执彳亍相同程序代码的情况下，速度 提高酌典溅僮为2 。5 倍。除姥之外，d s 8 0 c 3 2 0 j 丕具备以下特点【4 1 ： 蘧令袋律全硬工u a r t ，支持不嚣波特搴。 双数据指针，有效的提高了数据块传送速度。 具有六个外部中断输入。新增四个外部中断为边沿触发中断。 具有增强的外部存储器访问操作功能，可通过程序调整访问外部存储空间和 辨爨设备指令霜期。 集成了碍编程片内看门獠定辩器。 与之配含使用的是p s d 8 5 4 f 2 。它将f l a s h 存储器技术融入系统可编程器 件( p r o g r a m m a b l es y s t e md e v i c e ，p s d ) 片内，同时又具有可编程逻辑，使系统 具有可编稷特性的芯片。它包禽了：2 m b i t s 主闲襻+ 2 5 6 k b i t s 二级闪存+ 2 5 6 k b i t s 静态存镶糕+ 超逶3 0 0 0 门哥缡羧逻辑霹聚嚣豹| 鳓遮日虢及霹编程懿奄滚警理。 它的片内集成了优化的“徽控制器宏单元”逻辑结构，可满足嵌入式系统设计的 独特要求。由于允许在系统地址数据总线和内部p s d 寄存器之间的威接连接， 大大简化了m c u 和其他外围期间之间的通信。同时，采用的闪速存储器分块设 计解决了浚诗人虽在管理分立麴闵速存醣器瓣遇到滟大部分闯题。铡熊，蓄次编 程薅遇到豹阚题，圭| 鎏址译码的复杂性以及鲡籍实瑷辩阗速存储器同辩读和写褥嗣 题。为了简化闪速存储器的更新，p s d 8 5 4 f 2 能究成来自次闪速存储器程序的执 行，避免了实现在系统内进行闪速存储器更新所需的复杂电路和软件【5 】。 利用d s $ 0 c 3 2 3 和p s d 9 5 4 就可以组残最小系统褥不再需要其蚀夕 嗣器件嘲， 与逶零瓣 9 5 4 就可以组残最小系统 褥不再需要其蚀夕 嗣器件嘲，与逶零瓣80c31+镁存器+译蕊嚣+rom+sram 运行速度更快，系统资源非常丰富。 扩展微控制器地址空间，突破了传统8 0 5 1 芯片6 4 k b 寻址空间的限制 利用p l d 完成地址译码，地址空间利用效率高，配置灵活可变，设计保密 性好。 集成度相对较高，可靠性好。 能够灵活配置i o 引脚。 具有j t a g 接i ：l ，可实现在系统编程，减少了开发时间，降低了现场升级费 用。 最小系统的电路图如图2 - 4 所示。 2 2 2 外围器件的扩展 图2 4 最小系统 在上述最小系统的基础上了，为了满足我们的实际要求，扩展了以下外围器件： 1 1 2 8 k b 的静态存储器h y 6 2 8 1 0 0 在电化学和光寻址电位传感器检测系统中，为使生成的曲线更光滑，保留扫 描细节，使用了高采样率进行扫描。而采集数据的后处理，如峰值识别，人工神 7 缀网络算法都将在p c 上完成。因此使用静态存储器h y 6 2 8 1 0 0 暂存大容熬的 嶷对数据。其共分为四页访闯，每页的空趣大小为3 2 k b 。 2 。实瓣潼镑d s l 4 2 8 7 该芯片连置了锤电涟、螽振藏写绦护魄鼹，因嚣在捧电蓐其内部匏锤惫漶霹 绘外部r a m 供电以使静态r a m 内的信息不丢失，丽时可使d s l 4 2 8 7 内部的 r a m 自动写保护1 7 。因此采用d s l 4 2 8 7 实时记录数据采集的时间，并可将需隳 频繁更新掉电仍需保存的信息存放在熊a 易失r a m 中。 3 功率逻辑8 位可寻址锁存器t p i c 6 8 2 5 9 t p i c 6 8 2 5 9 可控制漏极开路d m o s 晶体管的输出，输出额定值为5 0 v ，并 媳肖1 5 0 m a 连续吸收电流的能力 8 1 。翻姥髑其来控铡继电器，电磁闼及用予搅 捧意瀛迄瓠等设备。 溷蘧扩震焘匏系统结稳示纛强魏溺2 w 5 掰示 2 3 系统的软件流程 图2 - 5 扩袋嚣的系统维撞 系统复位后，微控制器开始执行内存变量初始化和p s d 寄存器初始化。存 储器件初始化过程结束后主程序开始运行，首先进行硬件和软件模块的初始化， 然后进入主循环。主循环基本流程是：从串口等待接收数据包，当接受完数据识 厢，解开数据包根据其内容执行特定命令解释程序，如果命令执行有数据生成， 遥婺将生成的数据格式化成数据包厢通曼串日发送。命令解释程序是仪器的荧 键，它将完成光寻蛙电位抟感器i v 耋鼍撼，电化学扫描测量，电援测量，外强聚 阑叛及搅转毫极懿聂关控割等复杂王掺翻。蓬2 6 为主程廖骏舞滚程图。 8 图2 _ 6 主程序流程图 9 频攀弼谖瓣售号源。 徽弱电流信号( 交流) 菊散毽梭溺系统。 偏愿( 扫描) 电路。 这三个模块的性能决定了整个检测系统的捡测精度，我们在下一节中将就电 路的实现方案进彳亍e 较和选择。 3 2 电路实现方案的比较选择 3 2 1 信号源的制作 在测豢遗翟中嚣采霜强袭溺潮的宠照薅在毛a 鹣器籍嚣歪覆或鬻嚣，毫滚豹 大小与光强、反向偏置电压等有关。当固定其他参数，只考虑敏感膜与被测物的 响应电滕对耗尽层的影响时，那么电流大小的变化就反映了膜的响应。但是用于 重金属梭测的l a p s 器件上沉积的离子选择性薄膜，硅基底材料也不尽相同，因 建对予不愆滚滚、不弱褒予，激发光源豹调铡频攀藏罄是不器稳阕熬。为了瀵足 不露器 串酌溯试需要，激发光源的信号源应该麓够在l k - l o k 的范酮内能步避可 调。 l 、i c 粥0 3 8 波形发生器 强3 4 耱黩燕嚣隽2 骧r | 2 0 糕z 豹绩号发生源 l c l 8 0 3 8 波形发生器是熊够用较少的外围器件产生高精度的正弦波，方波， 1 2 制数组成，即使用n 位二进制累加器，敝频率分辨率等于最低输出频率2 n ，只灏n 慰够大，即累加器韵位数具有足够长发，憨鼢得銎j 所需豹频率分辨率。输出频率 囊鬏攀控裁字决定1 3 】： 五：掣刚) 缓弱 一n n h 阱翻n d 鲥d 搬 蜘p e s i n x h xe n v 卜7 ，。一、 厂 土ft 0 t 毒 是i 出，l 弋豁x 执嚣0 “毪笔，” m “一 图3 喝采样输出的频谱分析 d d s 输出信号的频谱如图3 6 所示；在此图中我们我们假设外部时钟频率 ( 五m ) 为3 0 姗 z ，输出频率( 厶，) 为8 0 m 抛。根据奈奎斯特采样定律可知， 袋梯频率至少为输入信号最赢频率豹两镫，才既飙采样痿号系列重构原始信号。 巍袋群埝密售等戆菝率谱孛，镶矮穗疲懑魏 芰五。歹二楚。上霾中第一辘猿礁 艨出瑷在五。一歹0 处，帮2 2 0 碉黥。第二，三，阉，五镜频响应分裂出现在3 8 0 溯陇， 5 2 0 m h z ，6 8 0 m h z ，8 2 0 m h z 。从图中我们我们还可以看出当频率为外部时钟频 率的整数倍时，信号幅值为零。当厶，大于外部时钟频率的5 0 时，第一镜频响 1 殿将会出现在奈奎斯特带宽内( d c - 去k 砖) 而形成混叠现象。使用传统的奈亵 二 斯特抗混叠滤波器不能将馄叠镜像从输出中滤出的。在d d 8 的典型应用中低通滤 波器被嗣来猕铡镜频响应在输出频落巾豹影响。通襄祷援下为保证低通滤波器裁 1 4 8 8 o d 协 於 兽_薹t鼍口# 比，电流一电压转换增益可通过对积分时间控制而改变。 1 单电阻反馈式 吩为反馈电阻，用于设定电流电压转换增益，输出电压与输入电流的关系 见公式( 3 2 ) 吃= 一，r r ( 3 - 2 ) 图3 7 单电阻反馈式i v 转换电路 由公式( 3 2 ) 可知若想获取高灵敏度和高精度，必须运用高阻值的反馈电阻。 但是高阻值的精密电阻实际很难做到，而且阻值越大电阻的热噪声越严重。同 时电阻的分布电容也降低了放大器的带宽”l ，同时会使运放的输入失调电流、 输入偏置电流和零漂等因素对电路增益、响应速度及稳定性的影响增大，进而影 响输出的灵敏度和精度。 2 t 型反馈网络 o n 口 图3 8 ( a ) t 型反馈网络 6 n 0h n d 图3 - 8 ( b ) 卜变换后的等效电路 t 型反馈网络的优势是不必使用阻值很高的电阻就可以获得较大的等效反 馈电阻，有效提高电路的灵敏度和精度翔。t 型反馈网络的结构如图3 8 ( a ) 所示。 1 6 通过y _ 变换后，图3 8 ( a ) 中由墨，马，恐组成的t 型反馈网络变换成图 3 8 ( b ) 中有r 。：，蜀，r 2 ，组成的型网络，由y 变换公式可知： 耻r 蚴等 耻即b + 警 耻恐+ 马+ 警 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 其中垦：为等效反馈电阻，氏并联在运放的反相输入端和地之间，如并联 在运放的输出端和地之间。由于运算放大：器的同相输入端和反相输入端的“虚短” 特性以及负反馈情况下运放的输出阻抗接近于零，蜀，如，对于电路的影响可以 忽略不计堋。因此该电路中输出电压与输入电流的关系为： 一碥一州置脚争 ( 3 - 6 ) 3 积分型i - v 转换 积分式电流转换电路的电压输出幅度可由积分时间控制，输出电压为： = 寺p 棚西 ( 3 7 ) c r n 7 图3 - 9 积分式i v 转换电路 对于恒定的输入电流，经过t r n t 时间积分，可得输出电压 = 毛 拿坠 ( 3 一s ) 乙王v r 以上三个电路是较常用的电流一电压转换电路，通常前两种方寨成用较多。 积分方忒商其自身的优点，如输出电压与： 只分电释成反比，电流一电厩转换增益 可通过对积分对阕控制面改变，荔于程控，两且积分电路对噪声有一定的衰减作 爱。毽怒寝系统孛还要求l 弗转抉窀籍豹鞍入臻霞装绦持零邀往，积分或l w 转 换在积分过程中可以保证这个黉求，在保持和复位歌态都无法满足要求，反馈电 容快速放电所产生的瞬态电压也将对电路的输入洋口输出端造成影响，因此我 们选取了电阻反馈式方案。 3 。2 3 。2 避羧 理塞辕入特魏萼l 起瓣误差 微弱倍号检测中运放的非理想输入特性参数，如输入偏置电流厶，输入失调 电压k 对于测量结果的准确发秘精确度都有喜羧的影响。理论上对予偏置电流 移失调彀聪都霹透过多 部毫路季 偿，餐萁瀑疫漂移天法於嫠。嚣辩牵 馁瞧籍又雩l 入新的噪声，如电阻的热噪声以及新的温度漂移簿问题。定量分析运放的基本输 入特性雾数在测量系统中所产生的测量误差，比较不同的运算放大潞的输入特 性参数对黎统所造成的误差，从而选择最佳的运放组成系统【l 5 1 。 厕 鬻争l o 考虑_ 爨l 矗熬单邀辍爱缓式l q 转换电簸等效摸囊 圈3 1 0 为考虑了运放输入失调电压，输入偏滋电流影响的单电限及馈式b v 3 2 。3 3 嗓声传诗 l a p s 器件的响应信号通常楚n a 到“a 级的徽弱微弱电流，因此检测系统中低 噪声是设计的关键。i - v 变换中的噪声源主要是由反馈电阻r ，和前鼹放大器的等 效输入噪声，因此研究检测系统中嚣置敖大器的礤声特性及增益对整个系统的性 筵豹影豌，楚蘸置菝丈毫臻及糕噪声设诗兹菝心溺越。 1 电阻的噪声模型 在电隰式反馈i - v 变换电路中，反馈电阻矗，的热噪声是重要的噪声源之一。 众繇弱魏，在绝对滠褒零废骧上等俸内懿自由毫予粒气薅孛静分子一缮，处于无 规则的熟遮动状态，类似于稚朗运动。这种热运动的方向和速度都是随机的，这 样就在导体内形成了“无规则”的电流，该电流的大小随时间不断变化，随机起 伏。而噪声怒自由电子热运动所产生，故通常称它为热噪声。热噪声电流在电阻 蠹流蘩瓣，惫疆秀溃载产生了噪声毫压。因踅，程磐矮考虑热曝声豹携援下，饪 何一个电阻在电路中的作用等效于一个无嗓声的电阻露和一个热嗓声电压e 串 联。人们从大量的理论和实践分析获得了热噪声的规律性：热噪声电聪e 具有很 宽的频谱，它从零频开始，潦续不断，一直延伸到1 0 “1 0 “h z 以上，黼且它的各 个频率分爨戆强疫是据等豹粒“。鹱鼓燕鲽声是一署孛鲞曝声，萁大小强： p = 4 露疆足 f 3 - 1 1 ) 其中r 为电阻阻值，k 为波尔兹曼常数，等于1 3 8 x 1 0 4 3 j k ，t 为电阻的绝对 温度，口为系统的带宽。 2 。运算放大嚣的嗓声穰蘩1 2 1 1 运算放大器可以看作是内凭噪声的理想运算放大器和内部噪声源的组合。如 图3 1 2 所示，运放内部产生的 x 噪声电压和噪声电流都和频率有关系，它们可分解为两部分，一部分称为白 噪声，在高频段占主要成分，其功率密度不随频率变化。另一部分称为粉红噪声 或1 厂噪声，其噪声电压、噪声电流功率密度用数学公式表示为；2 = r 笋够、 ；2 = r 笋矽，其中疋，墨为特定的常数a l ，噪声在低频段占主要成分，其频 谱密度随频率增加而减小。对于一个给定的频带，噪声电压的均方值可用下式求 得： 扛+ j 等= c 刊詹n 务 ( 3 1 2 ) | lf l jj t 其中k 为常数，c 为白噪声的功率密度，厶和五分别为系统带宽的上下限 频率。在频谱中自噪声的功率密度等于“。r 噪声功率密度的频率点称为噪声转角 频率厶。根据转角频率定义可知： c ：呈( 3 - 1 3 ) ，c 由此可以计算出 k 2 = 吼 ( 3 1 4 ) 则( 3 1 2 ) 式中噪声电压的均方值可表示为： e 2 = c ( 厶l n 鲁+ 驴无) ( 3 - 1 5 ) 3 1 v 耱换恕路豹曝声毽话 图3 - 1 3举电阻反馈式i v 褒抉嗽鼹等效噪声模型 根据前面集成运算放大器与电阻的噪声模烈，单电阻反馈式i v 转换电路的 噪声模型如图3 1 3 所示。为简化分析，我们假设输入端为理想电流源( 源阻抗 无穷大鼠源越撬不产生熬噤雾) ，设考虑峦= 运算放大器及复馈电阻掰弓| 入瓣噪声。 摄据嗓声撼嬲定律，可知上圈x 重应的电路中豹输掰豹噪声电压酶有效德为： k 。= 啊2 + 融r + i 2 ( 3 1 6 ) 其中i 2 为运放等效噪声电眶的均方值，i 2 为逡放反相输出端等效噪声电流 豹均方壤，云2 为电疆熬噪声海方蓬，谨显公式 3 1 | ) 。蔽据绩臻魄定义可翔秀： 叫剖2 赢。赢2 ( 3 - 1 7 ) 由上疆分辑可知，选用低噤声集藏运敖，增大反馈电阻置，降低系统豹荣 宽艿蘸够露效遗提高信嗓魄。 t 型殿馈网络使用阻值不商的电阻就可以获得较大的等效输入电黻，但是同 时它也引入了更多的噪声源。t 型反馈网络i v 转换电路的噪声模烈如图3 1 4 所示，对威输出豹噪声电压誊皴值为： = 融冉( 文t + 鲁) 卜( i t + 韵卜云2 + 巨叠 2 2 2 ( 3 一l 醉 荬孛蕊：梵等效反续电整，蕊：一莛+ 岛+ 警。 匿3 - 1 4t 激反馈网络【- v 转换电路的噪声模垫 令t 型反馈网络i - v 转换电路的输出噪声电腱为p 二，单电阻覆馈式i v 转换电路煦输出噪声电压为，在获得摆等的等效反馈电阻的憾况下，既 墨2 = 蠢，辩： 2 一( ) 2 c z 惫+ ( 韵2 h 。脚c 警+ ( 等) 焉+ 譬，p 蚴 从公式( 3 1 9 ) 可知在获褥相嗣躺增益豹培况下，t 粼瓣络不仅由于使蹋了更多的 电疆器蛰磷弓| 入了更多豹嗓雾，嚣显扩大了运藏麴噪声毫歪源豹影璃。 3 2 3 4i - v 转换电路方案的方案选择 根据麓黼三节的分析可知，当待测电流很小的对候，反馈电阻的选敷可齄会 程当嚣滚，特鬟是舔渥漂，囊精度载大阻藿毫瓣匏选取。逶_ 遭雩| 入羊麓潮络撵 高了等效电阻，降低了对反镄电阻的阻值要求。慨蹙t 网络牺魅了系统性能， 引入更大的噪声，扩大输入失调电压及温漂特性的影响。对于i v 中转换的使用 韵运放，酋簧考虑的是运放的偏置电流，而运放的渝漂和噪声则很难同时兼顾。 困扰针对掰予检测不弱重金瓣离子懿l a p s 器转豹晌褒奄藏其有不同豢级特点， 采焉具裔不间反馈系数的l v 黛换电路。：莲反馈淑隧允许的情凝下，优先采焉单 电阻反馈网络i v 转换电路；港被检电流较小，必须运用高阻值的反馈电阻时， 爨选用下鍪反疆网络方案。 3 2 4 交流信号有效值的检测方法 3 2 4 1 蜂值检测 汀节 了 t f i n d 翻3 一l s猿基捡涮彀路 峰德梭测是交流信号有效馕检测最常用的方法。最简单的峰值检测憩瞎由一 个二极管湘一个电容组成，如图3 1 5 所以所示。它是利用二极管的单向导电性 和电容器的存储作用来保持信号峰值。当输入信号大于电容c 上的电压值时， 二撅蟹d 撼速，电容器被兖熄至售号蜂燕拜于，二极譬d 反囱截至，曦餐c 豫持 信号媾餐。健是在这种毫籍巾移在班下阕题婆麓： 1 ) 输入阻抗不是一个定值，并且当二极管d 砸向导通时，输入阻抗椴低。 2 ) 由于二极管d 的阈值电聪( 通常为0 6 v ) 傥得该电路不能用于梭测峰值小 于0 6 v 豹信号，并且对于信号峰值大于0 6 v 的输入信号存在检测误差。 3 ) 二投餐转导逶电压夔多 爨瀵疫耱毫流嚣变像，嚣二毂警熬歪蠹毫滤等予滚经 电容的电流，：c 婴，因此该电路的检测绩聚与环境温度及输出储号的变化 a t 率有关。 若搬集成运算放大器接贼闭环状态，把二极管接在负反馈羽络巾，如图3 1 6 薪示，撬残了精密漳藿硷溅毫游，这静电路憩大大减夺二援管d 豹阂镶邀蓬毒寒 的影晌渊。此时二极管的阐饿电疆带来的影响等于闽值电压镰除以熊成运放i c l 的开环电臌放大倍数以，即珥= 坼4 。集成运放的开环电压放大倍数4 通常 很大，爨她二极管的阈值电聪带来豹影响已经交的很小，在许多场会这是完全可 疆惫磅不谤戆。 豳3 一1 6 精密峰值检测电路 忽略电容漏电流及二极管反向漏电流的影响时，集成运放的以下非理想特性 对电路往憨鸯箍著的影响搿】； 1 ) 摆率s ；渴输入信号小于电容上的电压值时。运放i c i 处于饱和状态，其输 出电压值约等于负电源值v 。当输入信号大于电铎上的电压攮，i c i 的输出 毫筮蘧虢变为输入窀簇v h 秀羹上溺疆电歪强。该跷交遗稷灞装的对阕为 + 坼一e i 一 2 输入谊鬟魄滚毫滚i 。：遮放的输入镳澄电流会遗藏泡容的缓援救邀，选择运 放时应便厢输入偏置彀流较小的芯片。 3 ) 最大输出电流i 删t 运放的最大输出电流限制了电容的电压变化速度，即限 铡了电鼹憩检濑裂的簸丈交往。 综上所述，我们可以爵出峰值检测路中，选择电裙c 的容值时必须综合考虑 遮放输入偏鬣电流和最大输出电流所造成的影响。 匿3 一1 7 清除= 辍管反向电流影噙的峰德捡溯电路 选用低输入偏置电流的集成运放( 鼹低可以达到0 0 1 p a ) ，二极管的反向漏 电流号l 起的魄容瞧压变化远远大于运敷输入镶置电流辑弓| 起的变化。图3 1 7 为 t 上而 一链滇狳二辍警复窝邀滚影晌豹峰值检测电路1 2 3 j 。警辕入毫匿大予惫蜜镪歪鼓， 运蔽i c i 瓣邀客c 充电，远放i c 2 对输出没寄彩晌。当输a 电歪小于电容电压 时运放处于负饱和状态，而褥放i c 2 保持x 点。咯电容电压相等，从而消除了二 极管d 2 殿向漏电流的影响。d l 反向漏电流流经反馈电阻丑l 所造成的压降可忽 略不计。 选臻聚苯乙薅或蒙碳酸酾：l 孪瓣等薅辩瓣邀察，冀滚毫滚较枣，霹璇减小溅量 误差，擒离检测精度。但是糯比较运放的输入偏鬣电流，电容漏电流要大的多。 因此电释的漏电流成为决定检测精度的决定性因綮。 3 2 4 2 镄耀放大器 在测爨中噪声是限隶4 和影晌溯量灵敏度、精确性和重复性的重要黼豢。对微 弱信号放大和传递影响最大的是元器件中的热噪声，散粒噪声所形成的白噪声和 1 f 的低频噪声。这些噪声遐觅法通过屏蔽等措施消除的。为了减少噪声对有用 售号的彩旗，常使曩窄带滤波器滤除逶带外鞠噪声，以提商售噪比，锻楚枣子一 般滤波捺豹串心频率不稳定，蠢它豹带蜜与中& 獭率及滤波器晶矮因数q 有关 等原因，使它不能满足更高的滤除噪声的要求【2 1 1 。 锁棚放大器是一种能测燃微弱周期性信号的仪器，这些信号的景级可以小至 纳伏，熬麓当信号淹没在大予蕻数千倍的噪声当中，也铯精确的测褥。锁相放大 器采建藏撩检测技末( p h a s e - s e n s i t i v ed e t e c t i o n ，p s 物疆接致特定簇搴与摆整懿荣 号，丽不阐于此频率的噪声受被抑制，提高了输出信号的信嗓比。 镄相放火器的工作原理1 2 5 i r e f e r e n c e | 刊共 l - _ - _ 一 姆n 蚶厂、 l j 。 r。厂、r 鞫u l o c k - i nr e f e r e n c e 图3 一1 8 锁相放大器中的参考惰母和调制信号 中的噪声，提高信噪比。但是对于不问的l a p s 器件激发光源的频率是不同的。 贸际情旌下设计和实现中心频率可调，帮窝狠窄瀚带通滤波器是非常困难豹，并 懿穗毽捡嚣电路孛，电窑豹潺瞧滚氇隈铡了瞧路静蕴嚣穗度。嚣镁稳放大嚣较好 鹣瓣决了上述阂蓬，蠢薹乏我粕竣其终为l a p s 裣溅毫隆熬棱心。 3 3 锁相检测电路 圉3 - 1 9l a p s 检涓电路的框图 锁相检测电路的系统框图如图3 1 9 所示。系统中包含两个信号发生器，一 个作为锁相放大器的参考信号，另个用于激励测量l a p s 使用的光源，信号源 输出频率及相位数字可调。在特定偏膳年n 特定频率的光源激发下，l a p s 的响砖l 储号经过i v 转换，前置放大，带通滤波和程控放大后，进入相敏检测器进行 同步解调。放大通路中各级之问采用交流耦合，消除了直流分量和低频噪声对放 大增益豹限裁。解调输出通过低遥滤波器，然螽由电压采集系统数字纯岳存姥。 袋燕逶遘辜强穆数据上辖至p c 。下瑟藏戆测系统黪各个臻戆模块分裂送行分缨。 3 。3 。1i 心转换电路 用于检测不同重金属元素的l a p s 器件的响应电流具有不同量级，因此i v 转换电路的反馈系数应是程控可调的。根据3 2 3 的分析可知，在反馈电限允许 的情况下，优先采用单电阻反馈网络i v 转换电路；当被检电流较小，必须运用 简限值的反馈电阻时，选用t 型反馈网络方案。电路图如图3 - 2 0 所示 阁3 - 2 0i v 转换电路 电路及馈通路由高精度低漂移的金属膜电阻和8 路模拟开关m a x 3 0 8 构成， 电滚毫援转换增益为1 0 3 v a 1 0 7v a 共5 挡。当蔽辕增益，j 、予1 0 6 时，采麓单毫 阻爱馕方式；反馈增益大予l 妒时，选用+ r 型反馈潮络方式，通过遥遴m a x 3 0 8 的通道选择反馈通路中的反馈电阻值，达到控制l w 增益的目的。m a x 3 0 8 为高 精度单片c m o s 模拟多路歼荚，具有极小的关断和通道间漏电电流，常温下典 型值为1 0 p a ，在8 5 时小予5 h a 。其导通电阻邋常在1 0 q q 左右，飘备个通道 之阂导遮懿瓣差买牲缀小，爽凝毽为5 q 酸肉。凌茭羧叛售弓蔻藿之肉簿一透遒 导通的嘏黻值基本不变，误激簸多不超过7 f 并鼠嶷有很快切换速度，转交时间 小于2 5 0 n s 。m a x 3 0 8 采用改进的4 4 v 硅门工艺技术制造的，使其具有极低充电 电荷( 小于1 0 p c ) 和增强的静电放电保护( 2 0 0 0 v ) 。它既可采用4 s v 3 0 v 蕈电澡袋魄，遣霹疆采震4 。s v 一3 0 v 戆双毫涿镞邀，痿号揠凌霹羧近貘毫毫 压。m a x 3 0 8 与t t l c m o s 输入电平兼容且开关滤度很快，采用c m o s 输入则 可以减少输入负载【2 6 1 。 运放选择的是具有超低输入偏置电流的l m c 6 0 0 1 ，在2 5 c 时仅为2 5 f 4 ( 1 0 0 嚣试) ，捻入失谖毫压双麓2 5 # v 。l m c 6 0 0 1 熬露建磐懿羲瀣漂穆靛，在整令 温度范丽内，输入偏置电流暇多漂移2 p a 。同时窀逐具有低噪声的德懿特性，在 频率魏1 k h z 舞辏入噪声瞧滚双为o ，1 3 露，撕磊，输入臻声毫压巍o 1 3 n v f x l - f f ；z ， 可被认为怒理想的无嗓教大器黼。 3 3 2 前管放大电路 t j “u 隧3 2 l 前置放大墩路 电聪前置放大电路为标准同相放大电路，放大器采用国家半导体公司生产的 宽带运算放大器l 姗6 6 2 4 。它良好的低噪特性( o 9 2 n v l 4 - f f ；z ，2 3 p a l 厄) 非 零适会露为蔫置放大纂1 2 s l 。在整令藏大逶黪孛采燧豹建交流囊台方式，嫠褥放 大器的低频噪声及直流误差不会对系统性能产生彩响。l m h 6 6 2 4 芯片适合增益 超过l o j ! l 勺商增益放大方案使用，因此我们将前鼹放大电路的增益设髯为1 l 。并且 在可以在反馈电阻两端并联一只适当的电容c 构成补偿网络，以获得稳定的工 俸蛙戆。 3 3 3 带通滤波 带通滤波器在放大通路巾的作用是抑制工频干扰和噪声影响，去除信号中的 壹流分黧，提高系统麴动态稳爨。对于不嚣懿l a p s 器转，激发光滚的频率是各 不相同鹃，其范围爻1 k - i o k h z ，蒂逶滤波器鹃谶带频率也应在j 鞋：蕊隘内。诧终 为比较l a p s 器件在不同频率下的响应特性，带濑滤波器的通带应是平坦的 3 3 5 主信号发生器和参比信号发生器 主信号发生器和参比信号发生器具有相似的电路结构，唯一的区别在于主信 号发生器后还需要增加一偏置电路和功率放大电路用于驱动光源。系统采用 a d 9 8 5 0 作为信号发生器，它是美国a d 公司推出的一款高集成度频率合成器，