（物理电子学专业论文）便携式四环素快速测定仪的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前，环境污染问题越来越受到人们的重视。作为四环素类广谱抗生素的一种，四 环素在土壤、水体中的大量残留造成了严重的环境污染，并且给人类的健康带来了巨大 的隐患。因此，基于四环素的环境监测有着重要的社会意义。 环境监测具有实时实地的特点，而常规的四环素测量是在实验室环境下进行的，所 以必需研制快速便携的测定仪，来实现四环素的现场监测。 本文所设计的便携式四环素测定仪是基于分子印迹技术制备的传感器与三电极电 化学测量原理研制而成的，测定仪采用单片机作为主控芯片，并使用液晶显示模块对处 理的数据进行显示，实现了对四环素简单快速的测量。 四环素快速测定仪的设计主要分为三个步骤。首先，对便携式四环素测定仪的设计 指标与设计原则进行了阐述；其次，分别详细介绍了测定仪的硬件设计与软件设计。在 硬件电路设计中，介绍了硬件的总体结构及重要芯片的选取，对高精度检测的关键模块 恒电位电路与i 转换电路进行了详细的介绍，并简单介绍了其它电路的设计。在软件 部分，采用了模块化的设计，分别介绍了整体采集流程、l c d 驱动程序设计、a d 程序 设计、键盘程序设计和滤波程序设计；最后，通过仿真验证了所设计恒电位电路的稳定 性，并对所研制仪表的电源纹波、电压精度、电流精度、整机功耗进行了实际测试，结 果表明仪表具有比较高的精度及比较低的功耗。 本论文设计的四环素快速测定仪的电流检测范围为l “a 1 0 0 p a ，检测精度达到了 0 1 吣，并且具有快速、体积小、功耗低等优点，达到了设计要求。 关键词：便携式；四环素；三电极；测定仪；恒电位 便携式四环素快速测定仪的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f ap o r t a b l er a p i dt e t r a c y c l i n ea n a l y z e r a b s t r a c t n o w a d a y s ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt oe n v i r o n m e n tp o l l u t i o n a so n eo ft h e t e t r a c y c l i n ea n t i b i o t i c s ，t h et e t r a c y c l i n er e s i d u a l sc o u l dc a u s es e r i o u sp o l l u t i o n , a n dd oh a r m t op e o p l e sh e a l t h s o ，t h et e t r a c y c l i n em e a s u r e m e n tr e s e a r c hh a sb e c o m et h eh o ti s s u ei nt h e s o c i e t y t e t r a c y c l i n em e a s u r e m e n tu s u a l l yc a r d e di nl a b o r a t o r y ，w h i c hh a sd e f i c i e n c yi n r e a l t i m et e s ta n df i e l dt e s t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pt h ep o r t a b l ea n dr a p i d a n a l y z e rt om e a s u r et e t r a c y c l i n eo u t d o o r s t h er a p i dt e t r a c y c l i n ea n a l y z e rd e s i g n e dm a k e su s eo fm i ts e n s o ra n dt r i e l e c t r o d e t e s t i n gm e t h o d i tr e a l i z e st h em e a s u r e m e n tt h r o u g hc h o o s i n gs i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e ra s t h ec o r e ，a n dl c dm o d u l et od i s p l a yt h ep r o c e s s e dd a t a t h e r ea l em a i n l yt h r e ep a r t si nt h ed e v e l o p m e n to ft e t r a c y c l i n ea n a l y z e r f i r s t l y , i t i n t r o d u c e st h ed e t a i l e df u n c t i o n sa n dd e s i g nr u l e so ft h ea n a l y z e r s e c o n d l y ，i td e s c r i b e dt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni nd e t a i l i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，i ti n t r o d u c e st h eo v e r a l l s t m c t u r eo ft h ea n a l y z e r , a n ds h o w su st h ew a yt oc h o o s et h es i g n i f i c a n tc h i p ，t h e ni te x p l o i t s t h ek e yp a r t so fh i g hp r e c i s i o nm e a s u r e ，p o t e n t i o s t a ta n di nc o n v e r tc i r c u i t i nt h es o f t w a r e d e s i g n ，i te m p l o y st h em o d u l ed e s i g nw a y s ，s e p a r a t e l ys h o w i n gu st h ew h o l em e a s u r ep r o c e s s ， l c d d r i v e r , a n a l o gt od i g j t a lc o n v e r t i n gp r o g r a m ，k e y b o a r dp r o g r a ma n df i l t e rp r o g r a m d e s i g n t h i r d l y , i tv e r i f i e st h es t a b i l i t yo ft h ed e s i g n e dp o t e n t i o s t a t ，a n de x a m i n e st h e p r e c i s i o no f t h ea p p a r a t u s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea n a l y z e rh a sg o o dp r e c i s i o n 。 t h ea n a l y z e rc a nm e a s u r et h ec u r r e n tr a n g ef r o m1 衅t ol0 0 t aw i t ht h ep r e c i s i o no f 0 1p a ，a n dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n tw h i c hp o s s e s s e ss h o r tm e a s u r i n gt i m e ，l o wp o w e r a n ds i m p l ec o n f i g u r a t i o n k e yw o r d s ：p o r t a b l e ；t e t r a c y c l i n e ；t r i e l e c t r o d e ；a n a l y z e r ；p o t e n t i o s t a t 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：盟盘支里墼：量逍墅l 篷立f 量i 土查塞泼2 作者签名： 垂l 鸯日期：箜! 摹 年j 三_ 月二生日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： i 塾塑煎婴墼歪坚照必塾坠盈望盐查鏖2 型 一 作者签名：& 盗日期：型年j l 月二生日 导师签名：崮至盎季 日期：丛蕃一年iz 月且日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1四环素测量的意义 四环素( t e t r a c y c l i n e ，t c ) 是四环素类广谱抗生素的一种，四环素类抗生素具有非常广 泛的抗菌谱，在临床上主要用于治疗支原体、衣原体、布氏杆菌和立克次体等致病原引 起的感染或混合感染，如泌尿生殖道感染、肺炎支原体感染、早期霍乱、流行性斑疹伤 寒掣。 由于四环素类抗生素具有质优价廉、抗菌谱广的优点，目前四环素类抗生素已经成 为畜禽饲养产业中生产量和临床使用量最大的抗生烈2 1 ，当掺杂较低含量的四环素时， 能作为生长剂来促进畜禽的快速生长；当掺杂高含量的四环素时，可以作为药物治疗畜 禽的疾病【3 】。我国是一个畜禽养殖大国，在养殖业中使用了大量的四环素，畜禽食用的 四环素类抗生素通过粪便的方式排到体外。由于四环素在环境中不易降解，其被排泄到 环境中仍然能够存在很长时间，从而造成了环境中药物的残留，造成了严重的四环素残 留问题。 四环素类抗生素对人体健康的危害主要体现在：当人服用含有四坏素的药物或者食 用含有四环素药物残留的动物食品及其制品时，四环素主要以原型经肾小球过滤排出体 外，残留的药物将沉积于骨及牙组织内，与新形成的骨、牙中所沉积的钙相结合，致使 牙齿持久成黄色，这就是人们常称的“四环素牙”，从而使出生的幼儿乳牙釉质发育不 全，并出现黄色沉积，引起畸形发育或者生长受到抑制。另外，四环素类药物还能在肝 组织中富集，造成肝脏损害【4 1 。 四环素类抗生素的生态毒性还体现在：在微生物方面，四坏素作为能杀死土壤或水 体中的某些微生物，或者抑制其生长，改变环境中微生物群落的结构，影响粪便和土壤 中有机质的腐烂和分解，降低土壤肥力；在植物方面，多项研究表明，四环素类抗生素 可能通过抑制叶绿体合酶的活性，抑制植物的生长，从而影响根的生长和植物发芽率； 在水体动物方面，四环素类药物能够抑制水生动物多种酶的活性，比如b 一半乳糖苷酶、 乙氧基试卤灵o 去乙基酶等，并有可能对鱼类的d n a 造成损伤；在土壤方面，受四环 素类抗生素污染的水体经过灌溉进入土壤中，特别是含四环素量较高的畜禽废物，作为 有机肥料施于土壤中。土壤中的四环素污染可对土壤微生态系统严重破坏，进而影响了 土壤肥力和植物的生长，并且可能被植物吸收积累，通过蔬菜等食品危害到人类的身体 健康【5 】【6 】。 便携式四环素快速测定仪的设计与实现 食用四环素后引起的过敏反应和一些危险事件的发生，导致了严重的工业和农产品 的生产和出口问题。美国、加拿大、欧盟、日本、韩国等一些国家己限制甚至明确下令 禁止进口含有青霉素及四环素等畜禽产品。中国受到的影响尤为甚重，欧盟宣布：“自 2 0 0 2 年1 月3 1 日起禁止从中国进口供人类消费或用作动物饲料的动物源性产品”，让 我国在欧盟市场丢掉了1 3 万吨水产品的市场份额和造成了6 亿多美元的经济损失。在 畜禽食品出i = l 贸易方面，韩国针对我国出口的禽、奶、蛋及其制品做出规定：所有含抗 生素、农药、激素、重金属、放射性元素等有损公众健康的残留物质不能超过韩国政府 规定的标准。目前，我国开始对食品中抗生素的残留量制定了标准，如蜂蜜中四环素残 留量限量标准为：0 0 5m g k g ( g b l 3 0 1 9 1 9 ，】。 由此可见，四环素的污染问题是一个全球性的问题。因此，发展快速、实用、灵敏、 可靠的四环素测试技术是保障食品安全、环境监测和避免国际贸易争端的基础。目前， 四环素的测量在向着简单、快速、高灵敏度的方向发展。 1 2 四环素测定仪的开发现状 常用的测量四坏素的方法有高效液相色谱法、荧光分析法、液相色谱质谱联用法、 毛细管电泳法、薄层色谱法、免疫分析法、微生物法和电化学法【8 】等。目前市场上常见 的测量仪器即基于以上方法。其中，基于液相色谱法的生产厂家有国外有美国w a t e r s 公 司、美国a g i l e n t 公司、日本岛津公司等，国内有大连依利特公司、上海精密仪器厂、 北京分析仪器厂等；基于液相色谱质谱技术的生产厂家国外有日本岛津公司，美国赛默 飞世尔科技，美国a g l i e n t 公司，美国a b 公司等，国内有上海舜宇恒平科学仪器有限 公司等。 基于色谱分析的高效液相色谱分析法、薄层色谱分析法、液相色谱质谱联用法和荧 光分析法仪器需要高精密的色谱或光谱分析仪器，在实现便携的要求上，难度比较大 9 - 1 1 】。如岛津公司生产的l c 2 0 1 0 、上海精密仪器的e x l 6 0 0 仪器体积十分庞大；毛细 管电泳法需要的直流高压电源【1 2 】；微生物法是目前公认而又广泛应用的测定四环素类抗 生素残留的经典方法，此法原理和操作相对简单，费用低，适用批量样品快速筛选，但 是测定所花费的时间较长3 。而基于分子印迹原理的电化学法具有选择性高、成本低、 快速简便等优点，基于三电极传感器的仪器容易实现简单便携的要求【l4 1 。 本文设计的仪表采用了分子印迹技术制备的传感器。目前，基于分子印迹电化学方 法的仪器还处于丌发阶段，市场上现在还没有基于此种方法测量四坏素的仪器，基于分 子印迹电化学法对四环素的研究还主要在电化学工作站进行。 大连理工大学硕士学位论文 电化学工作站，是研究电化学相关体系的电化学性质的测试仪器。在电化学工作站 内部包含了可以由电脑控制的恒电位仪、恒电流仪及阻抗分析仪，具有比手动的设备更 强大的功能。电化学工作站的工作模式有两种，第一种是输出电压信号，测量反应产生 的电流信号；第二种是输出电流信号，测量反应产生电压信号。电化学工作站对采集到 的模拟信号进行数字转换，并通过微处理器进行数据处理，通常以曲线的方式显示在电 脑屏幕上。电脑上装的为电化学工作站的配套软件，具有强大的数据处理能力，可以对 数据进行更详细的变化和分析。 电化学工作站的生产厂家非常多，在国外主要有：美国普林斯顿公司，德国塞万提 斯公司，美国阿美特克公司等，在中国主要有：上海晨华仪器有限公司( c h i 系列) ， 天津兰力科化学电子高科技有限公司等。 1 3 本文的主要内容和结构 本课题来源于大连理工大学电子与信息工程学院和环境与生命学院联合申请的国 家高新技术8 6 3 项目，利用环境学院研究的新型基于分子印迹原理的传感器，设计出基 于三电极电化学原理的便携式四环素测定仪。 论文所做的工作是根据设计的指标及要求，对便携式四环素快速测定仪进行硬件和 软件上的设计。在硬件上，设计了高精度的恒电位电路、i 转换电路、电源电路及单 片机外围的接口电路。在软件上，为协调整机的运行，实现了对采样的控制、数据的处 理及显示。 下面是本文的主要结构： 第1 章绪论。在本章中，简要介绍了四环素测量的意义及四环素测定仪的开发情 况，并对本文的主要内容和结构进行了简单的介绍。 第2 章四环素测定仪相关技术介绍。在本章中，介绍了在设计便携式四环素快速 测定仪中的需要用到的一些技术。其中包括：仪表进行采样用到的三电极测量原理、在 恒电位电路设计中运用的稳定性分析原理、低噪声电路设计中利用的一些抗干扰技术以 及在软件设计中对数据进行滤波的常用方式。 第3 章四环素测定仪硬件设计。在本章中，首先，介绍了测定仪的设计原则及设 计指标、硬件的整体结构、以及对单片机、l c m ( 液晶显示模块) 及a d 芯片的选取； 然后，重点介绍了仪表测量精度的重要模块，恒电位电路、i 转换电路与电源电路的 设计；最后介绍了单片机外围电路的设计，其中包括：a d 采样电路、采样控制电路、 电池监测电路、l c m 及键盘接口电路。 便携式四环素快速测定仪的设计与实现 第4 章四环素测定仪软件设计。在本章中，首先对测定仪的测量方式及标定方式 进行了设计；然后，介绍了测定仪的工作流程，并详细介绍了各个模块的程序设计；最 后介绍了在软件中对数据进行了卡尔曼滤波处理。 第5 章四环素测定仪性能测试。在本章中，首先，对设计的恒电位电路的直流工 作特性与稳定性进行了仿真验证；然后，对测定仪的功耗及电源纹波情况进行了实际测 量，并测试了仪表的电压精度、电流精度，介绍了测定仪的实际工作情况；最后，对测 定仪的应用前景进行了展望。 4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 便携式四环素快速测定仪相关技术介绍 2 1三电极测量原理 三电极体系包括工作电极( w o r k i n ge l e c t r o d e ，w e ) 、参比电极( r e f e r e n c ee l e c t r o d e ， r e ) 和对电极( c o u n t e re l e c t r o d e ，c e ) 1 5 】。因为参比电极只提供参考电位，其参比电 极上并无电流通过，所以电流只从工作电极与对电极上流过。 三电极体系是电化学中非常重要的一种体系结构，具有非常广泛的应用。如马晨【1 6 】 在双选择电极三电极系统中对氟离子选择性电极响应的特性进行了研究，从而验证了选 择性电极响应特性满足的条件公式；余长风【1 7 】首次使用循环伏安法研究了固氮酶的特 性，其中循环伏安法便是采用了三电极系统。 下面分别介绍下三电极体系中的工作电极、参比电极和对电极。 ( 1 ) 工作电极：工作电极也叫研究电极或者实验电极，该电极所发生的电极过程 就是我们的研究对象。因此要求研究电极具有重现的表面性质，如电极的表面状态和电 极的组成等。常用来研究的工作电极包括金属电极、碳电极以及薄膜电极等。 ( 2 ) 参比电极：参比电极在测量过程中必须具有已知且稳定的电极电势，是测量 电极电势的比较标准。利用参比电极和工作电极组成测量电池，只要测出测量电池的电 动势便可算出待测电极的电极电势。参比电极是可逆电极，它的电势是平衡电势，符合 n e m s t 电极电势公式，一般对参比电极的性能要求比较严格。从原则上讲，参比电极应 该是不极化电极，即当有电流流过时，电势的变化很微小。在使用中，要求参比电极的 重现性和稳定性要好，也就是说参比电极放置一段时间后其电极电势不应该发生变化， 而且每次制作的参比电极的电势也应该相同。参比电极的电势随温度变化要小，而且断 电后可以很快的恢复到原先的电极电势值。最后，要求参比电极的制备、使用和维护方 便。 ( 3 ) 对电极：对电极也叫辅助电极，它只用来通过电流实现工作电极的极化。研 究阳极过程时，辅助电极作阴极，研究阴极过程时，辅助电极作阳极。辅助电极的面积 一般比工作电极大，这样就降低了辅助电极上的电流密度，使其在测量过程中基本不被 极化，因此经常使用铂黑电极作为辅助电极。有时为了测量简便辅助电极也可以用与工 作电极相同的材料制作【l8 1 。 图2 1 即为典型的三电极体系结构图。其中e 为辅助电极提供参考电位，电流不经 过参考电极，电流全部流过对电极。通过测量对电极产生的电流，即等效于测量工作电 极上反应的电流。 便携式四环素快速测定仪的设计与实现 图2 1 三电极体系 f i g 2 1 s c h e m a t i co ft r i - c l c c t r o d cs y s t e m 如果可以确定工作电极的电极电位在测试过程中是不发生变化或者变化可以忽略 不计时，我们就不必使用参比电极，这就是所谓的双电极测试系统。如图2 2 所示，双 电极系统只有两个电极，工作电极和参比电极【1 9 】。 图2 2 双电极体系 f i g 2 2 s c h e m a t i co fb i o - e l e c t r o d e ss y s t e m 所有的电化学测量池至少需要两个电极，因为其中一个电极仅仅用来测量，而另一 个则必须提供一个恒定的电位( 参比电极) 。在恒电位测量中，比如测量p h 值，在测 量池中不通过电流，这样只需要两个电极就足够了，但是需要注意，大部分p h 电极或 者离子选择电极在恒电位测量中使用了合并电极，即将两个电极附在同一载体上；但是， 在一个循环伏安实验中，一个外部的电位加载到测量中，从而测量电流的响应。这就需 要进行精准的电位控制，实现不同电流变化时，加到工作电极与参比电极上的电位不发 生变化，这在两电极测量系统中是不可能实现的，这是由于电池的溶液电阻造成的电压 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 降造成的，所以需要对电极的极化来实现整个电流测试的成功运行。可见，利用一个恒 电位和一个三电极系统会达到更好的电压控制。 2 2 电压反馈型运放稳定性分析 2 2 1 稳定性判定方法 一般的反馈系统的结构图如图2 3 所示。 图2 3 反馈系统示意图 f i g 2 3 f e e db a c ks y s t e mb l o c kd i a g r a m 其中，a 为开环传递函数，d 为反馈系数，经过计算，此系统的反馈方程为： r o u t ：l ( 2 1 ) = 一 i lj v i n 1 + a p 当方程2 1 的分母非常大时，这一简化为 v o u t ：一1 ( 2 2 ) 一一_ - 一 ， v i n d 这个方程即理想的反馈方程，因为是在假设条件a 1 3 1 下得到的，但放大器有理 想的性能时，这个方程有广泛的用途，在假设条件下，系统增益是由反馈因数决定的， 稳定的无源电路器件用来决定反馈因数，所以理想的闭环增益是可以预测的，而且是稳 定的。a 1 3 非常重要，称为环路增益，下面考虑图2 4 。 v ( r e t u r n ) ：a b 一= n v ( t e s t ) 图2 4 反馈系统示意图 f i g 2 4 f e e db a c ks y s t e mb l o c kd i a g r a m 便携式四环素快速测定仪的设计与实现 当电压输入端接地，环路打开，电路的增益就是环路增益a b ，当a i b = - i 时，电路 输出将会达到无限，当然，由于能量有电源限制，因此输出将会被限制在一定范围内。 当输出达到电源极限的时候，电路中的有源器件会变成非线性，非线性将会减小放 大器增益，直到环路增益不等于1 么1 8 0 0 ，电路中存在两种情况：第一种是在电源边界 范围内是稳定的，电路在电源极限范围内达到稳定，电路将保持锁定的状态直到去除电 源；第二种情况，电路将会在电源边界范围内进行跳变，称之为震荡。a p 是决定电路 或系统的稳定性的唯一的因素。对环路增益进行计算的时候，输入接地或者不接对电路 的稳定性没有影响。 电路的误差表示为 e ： ! ! 里 ( 2 3 ) l + a 对于同相放大器，如图2 5 所示，其中a 为运算放大器开环传递函数，可得到 v o u t = a ( v i 。一v b ) ( 2 4 ) v b - 糌 5 ， 由公式2 4 和公式2 5 可得 v o u t ：a v i n 一a z 6 v o u t( 2 6 ) z f + z g 一：歹 ， 工 图2 5 同相放人电路 f i g 2 5n o n i n v e r t i n go p e r a t i o n a la m p l i f i e r 由公式2 5 可推出v o u t 与v i n 的关系式 a 1 + nhl 一 r l 大连理工大学硕士学位论文 v o t i t 一= a v i n 1 + 些鱼 z g + z f ( 2 7 ) 将公式2 7 与公式2 1 比较可得到 a f t ：些鱼 ( 2 8 ) z g + z f 公式2 8 为同相运放的环路增益方程，这个环路增益方程决定了电路的稳定性。同 样也可得到反相放大电路的环路增益方程。对于电路的稳定性补偿，可以分成三个步骤 进行。首先，我们要决定利用什么样的补偿方法；然后，得出补偿方程；最后，分析闭 环转移函数，看补偿是什么改变它的，补偿对闭环传递函数的影响常用来决定我们要用 什么样的补偿技术【2 0 】。 2 2 2 常用补偿方式 ( 1 ) 主极点补偿 如图2 6 所示，在电路加入了负载电容，这种补偿方式叫做主要极点补偿，因为由 运放输出阻抗和负载电容形成的极点靠近零频率轴，这个极点就成了主极点。 ： 图2 6 主极点补偿放大电路 f i g 2 6o p e r a t i o n a la m p l i f i e r 、衍n lm a i l - p o l ec o m p e n s a t i o n 由电路求得开环增益方程得 71 a p = a 三卫一l ( 2 9 ) z g + z fz o c l s + l a 为运放的丌坏传递函数，具有双极点t l 、眈。 在补偿之自i ，无补偿运放的波特图如图2 7 实线所示，可以注意到，两极点挨的非 常近，因此可以计算在0 d b 之前大约有1 8 0 度的相位漂移，导致运放不能币常工作，并 便携式四环索快速测定仪的设计与实现 可能处于不稳定状态。加入主极点补偿( 虚线) 可以增加电路的稳定性。如果主极点( 图 2 7 中w d ) 被适当放置后，它会去除t 1 引入的相位漂移，在引入主极点后，电路将拥 有稳定的4 5 度相位裕度。 l o g ( f ) w d 图2 7 主极点补偿放大电路波特图 f i g 2 7o p e r a t i o n a la m p l i f i e rp l o tw i t hm a i l - p o l ec o m p e n s a t i o n 2 0 l o g 图2 8 增益补偿波特图 f i g 2 8 g a i nc o m p e n s a t i o np l o t ( 2 ) 增益补偿 增益补偿如图2 8 所示，实线为补偿前坏路增益波特图，虚线为补偿后的环路增益 增益波特图。当降低闭环的增益( 即降低k 的值) ，由于极点位置并未发生不改变，并 且增益更快的降到0 d b ，所以电路更加稳定。 增益补偿对同相和反相运放电路都起作用，因为环路增益方程包含闭坏增益参数。 当闭环增益增加时，准确性和带宽减小。只要器件能够承受住高增益，增益补偿是非常 好的补偿方式。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 超前补偿 n o 图2 9 超前补偿放大电路 f i g 2 9o p e r a t i o n a la m p l i f i e rw i t hl e a dc o m p e n s a t i o n 超前补偿电路见图2 9 。由电路图可得到开环增益传递函数为 a 口：a 圣鱼 圣e 竺! 璺! ( 2 1 0 ) z g + z fz g z f c f s - - i - 1 从而得到波特图，如图2 1 0 所示。 穗8 穗磅8 t 叼g l f 糌e1 r f 鞋r g c 图2 1 0 超前补偿波特图 f i g 2 10 l e a dc o m p e n s a t i o np l o t 超前补偿电路引入了一个极点和一个零点，零点发生在极点之前，因为z f z f i i r g 当零点被合适的放置时，它可以消去钇极点和相位漂移，从而实现电路的稳定【2 1 1 。 ( 4 ) 滞后补偿 滞后补偿的原理是，加入补偿电路的运放，它的幅频特性在大于0 d b 的频率范围内 只有一个拐点，并以2 0 d b 十倍频的斜率下降，即相当于一个r c 回路的频率响应，从 而在0 d b 处可能的最大相移为9 0 0 。这样，即使在0 d b 处有第二个拐点，相移的最大值 仅为1 3 5 0 ，如此，电路达到稳定状态【2 2 | 。 便携式四环素快速测定仪的设计与实现 2 3 低噪声电路设计 2 3 1 避免干扰的基本原则 电路受到的干扰有三种，即噪声源的干扰、噪声的耦合和辐射、电路本身所产生的 干扰。为保证电路具有较低的噪声，避免受电路本身及外界的干扰，需要从三个方面进 行考虑。 ( 1 ) 从根源着手，抑制噪声源，这是最有效的方式； ( 2 ) 从电路结构着手，加强电路的抗干扰能力，将电路对噪声的敏感度调节到最 低： ( 3 ) 从传输路径着手，避免受干扰的设备和噪声源之间的噪声耦合，切断各类干 扰的传输途径，或者提供传输途径对干扰的衰减性能【2 3 1 。 2 3 2 避免干扰的方法 避免干扰的方法有很多，对噪声源可以进行滤波、去耦、屏蔽等手段；对噪声传递 途径可采用隔离、阻抗匹配、对称或者平行配线等方式；对电路可以采用提高共模抑制 比、采用高精密电源、良好接地、对信号进行滤波等方式【2 4 】。 下面主要介绍滤波方式与接地方式。 ( 1 ) 滤波 滤波是抑制干扰传导的一种重要的方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比 要接收的信号的频谱宽得多，因此，当接受器接收有用信号时，也会接收到那些不希望 有的干扰。这时，可以使用滤波的方法，只让所需要的频率成分通过，而将干扰频率成 分抑制。 滤波器根据其频率特性又可分为低通、高通、带阻、带通等滤波器。低通滤波器只 让低频成分通过，而高于截止频率的成分则受抑制、衰减，不能通过；高通滤波器只通 过高频成分，而低于截止频率的成分则受抑制、衰减；带阻滤波器只抑制某一频率范围 内的频率成分，不让其通过，而低于下截止和高于上截止频率的频率成分则可通过。带 通滤波器只让某一频带范围内的频率成分通过，而低于下截止频率和高于上截止频率的 成分均受抑制。 ( 2 ) 接地 在电子设备中，“地”通常被定义为一个等位点，用来作为两个或更多系统的参考 电平。信号地的较好定义是一个低阻抗的路径，信号电流经此路径返回其源【2 5 1 。 接地分为两种，一种是单点接地，一种是多点接地。 大连理工大学硕士学位论文 单点接地，又可以分为串联单点接地，并联单点接地。串联单点接地如图2 1 1 所示。串联单点接地的优点是电路实现比较简单，缺点是公共耦合较多。 訾 图2 1 1 串联单点接地 f i g 2 11 s e r i e ss i n g l ep o i i ng r o u n d i n g 由图2 1 1 可得，a 点的电位是：v a = ( i l + 1 2 + 1 3 ) r l ；b 点的电位是：v b = ( i l + 1 2 + 1 3 ) r l + ( 1 2 + 1 3 ) r 2 ；c 点的电位是：v c = ( i l + 1 2 + 1 3 ) r l + ( 1 2 + 1 3 ) r 2 + 1 3 。r 3 。从 a b c 各点的电路公式可以发现，a b c 的电位是与电流的大小相关的，特别是c 点的电 位，稳定性非常差。 并联单点接地如图2 1 2 所示。由图可得，v a = i l r l ；v b = 1 2 r 2 ；v c = 1 3 r 3 。虽然a b c 的电位也是与电流大小相关的，但是三个电位受到的影响程度基本一致。并联单点接地 克服了电流对电位影响较大的问题，但是也存在一个缺点，即需要的导线较长，从而在 p c b 设计中增加了设计的难度。 i l r 1 警 图2 1 2 并联单点接地 f i g 2 12 p a r a l l e ls i n g l ep o i n tg r o u n d i n g 多点接地。多点接地如图2 1 3 所示。在高频电路设计中，将所有需要接地的点 都直接连到距它最近的接地平面上，以便使接地线长度为最短，从而最大化的降低接地 电阻的阻抗。 便携式四环素快速测定仪的设计与实现 图2 1 3 多点接地 f i g 2 13m u t i p l ep o i n tg r o u n d i n g 在测定仪设计中，其中用到滤波技术的包括： ( 1 ) i n 转换电路，进行了巴特沃斯低通滤波设计； ( 2 )电源设计中，加入了r c 低通滤波，降低噪声的干扰； ( 3 ) p c b 设计中，各芯片电源输入端都加入0 1 9 f 和1 0 i t f 的耦合电容，减少电 源波动带来的影响。 接地技术主要应用在p c b 设计中，其中模拟地采用了单点串联接地的方式，局部 芯片使用单点并联接地方式，数字地使用了多点接地的方式，最大限度的减少了接地电 阻的阻抗。 2 4 软件滤波介绍 软件滤波，实质上就是数字滤波，通过程序对得到的数据进行处理，从而消除噪声 信号。与数字滤波相对应的便是模拟滤波，模拟滤波是在硬件上进行实现的，比如电路 中使用设计的低通、高通、带通、带阻滤波电路，滤除无用信号，保留有用的信号。数 字滤波的出现克服了模拟滤波的很多不足，具有以下优点： ( 1 ) 软件滤波是用程序实现的，不需要增加其它硬件设备，所以可靠性高，稳定 性好； ( 2 ) 软件滤波对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波的缺陷； ( 3 ) 软件滤波根据信号的不同，采用不同的滤波方法或参数，具有灵活、方便、 功能强的特点【2 6 】。 下面介绍几种常用的滤波方法。 ( 1 ) 算术平均滤波法 大连理工大学硕士学位论文 算术平均滤波法采用n 个采样值进行算术平均运算，一般使用于具有随机干扰的信 号进行滤波，这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近作上下波动。 而对测量速度较慢，或者要求数据较快的实时控制中不适用。 对于取值n ，当n 值较大时，信号的平滑度较高，但降低了采集信号的灵敏度；当 n 值较小时，信号平滑度较低，滤波效果不明显。所以在实际运用中，必须适当选取n ， 以便即减少计算时间，又能达到好的滤波效果。 ( 2 ) 中值滤波法 中值滤波是通过连续采样n 次( n 取奇数) ，然后将n 个采样值从小到大排列， 取中间值为本次的采样值。 中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动，或者采样器不稳定而造成的误差所引起的 脉冲干扰比较有效，适用于液位、温度等变化较慢的被测参数进行滤波，而对于速度、 流量等快速变化的参数不适用。 ( 3 ) 限幅滤波法 限幅滤波法将两次相邻的采样值x i ，x i l 相减，求出其增量的绝对值i a x i ，然后与 两次采样允许的最大差值y ( 0 ) 比较，如果i a x i a y ，则取本次的采样值x i 1 。 限幅滤波器能够有效的克服由偶然因素带来的脉冲干扰，但是无法抑制周期性的感 扰，它的平滑度差。 ( 4 ) 中位值平均滤波法 中位值平均滤波法，是将中值滤波法和算术平均滤波法综合，通过采集n 个数据， 去掉一个最大值和一个最小值，然后计算剩下n 2 个数据的算术平均值。 中位值平均滤波融合了中位值滤波与算术平均滤波的优点，可以消除在采样中的脉 冲干扰，但是与算术平均滤波一样，测量速度较慢。 ( 5 ) 卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波又称最佳线性滤波，它能够从一系列不完全包含噪声的测量中，估计动 态系统的状态。 作为最佳线性滤波，卡尔曼滤波有以下优点： 适用于平稳和非平稳过程； 适用于有输入就有输出的实时处理过程； 不涉及相关函数、功率谱，不需要技术随机序列的二阶统计特性。 便携式四环素快速测定仪的设计与实现 3 便携式四环素快速测定仪硬件设计 3 1 硬件总体设计 3 1 1 测定仪的设计原则和设计指标 ( 1 ) 测定仪的设计原则： 高精度 由于分子印迹膜电极产生的信号在心级，所以需要对测定仪进行精密的采样电路 设计，并使用高精度的a d 转换器，实现了采样的高精度。 低功耗 仪表由于实际检测的需要，必须具有较高的电池续航能力，使仪器在低功耗方面具 有很好的性能。 检测时间短 四环素测定仪的检测时间首先由四环素传感器本身的性能决定的，在传感器性能不 变的情况下，如果需要更快速的检测，则在电路设计上必须提高电路阻尼比，即电路的 稳定性，加快电流信号达到稳定的时间。 操作方便 一个优秀的测定仪必须在操作流程上具有人性化的设计，仪表操作者可以非常方便 的进行实际测试工作。 稳定可靠 四环素快速测定仪需要在各种不同的环境进行测试，必须保证仪器的稳定与可靠 性。 ( 2 ) 测定仪的指标 四环素反应电流检测范围：l p a 1 0 0 p a 工作稳定：1 0 0 c 6 0o c 精确度：o 1 p a 单次测量时间：2 r a i n 测量误差：墨5 待机时间：6h 大连理工大学硕士学位论文 3 1 2 测定仪整体结构 测定仪以单片机为核心，包括电源电路、恒电位控制电路、i v 转换电路、a d 采 样电路、电池检测电路、l c d 模块和矩阵键盘。测定仪整体结构如图3 1 所示。 i国 ； 图3 1 测定仪整体结构 f i g 3 1 o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ea p p a r a t u s 其中，电源系统给整个系统供电，由于低功耗的设置，各个模块采用了单电源供电 模式。单片机作为系统的核心，实现对a d 采样电路、恒电位电路、电池检测电路、l c d 及键盘的控制。 当恒电位控制电路接收到单片机的采集指令，将工作电压加到三电极系统辅助电极 与工作电极上，由于辅助电极不经过电流，工作电极产生的电流全部流过对电极，经过 i 转换后，传输到a d 模块中，实现模拟电位到数字电位的转换，并进一步传输到单 片机上进行数字处理。 根据恒电位测量的原理，需要先建立电流一被测物浓度值标准曲线，然后采集的电 流根据拟合的标准曲线，计算出实际的浓度值。在单片机中，通过测量的电流值与以前 建立的曲线进行计算，便得到实际四坏素的浓度值，并将其显示到l c d 上。 由于便携式仪表的实际需要，必须实时显示当自订电池的电量，单片机通过控制电池 电量监测模块，并将电池电量值显示在l c d 上。 便携式四环素快速测定仪的设计与实现 3 1 3 重要芯片选型 ( 1 ) 单片机选型 对于仪表的开发，单片机的选择至关重要。如果选择了合适的单片机，不仅使开发 的仪表在性能上优越，还能减少开发周期，避免了由于单片机的选择不当带来的一些不 必要的麻烦。 单片的选型应该从以下几个方面进行考虑： 单片机i o 端口数目是否满足需要 单片机i o 端口的数目不能太多，太多造成资源的浪费，并且多端口单片机具有较 高的性价比；也不能太少，太少则完不成相关的功能，当然i o 端口也可以通过辅助电 路，进行拓展，或者进行i o 端口复用。 所需功能模块是否齐全 单片机通常具有以下部件：定时器计数器，i o 接口，中央控制单元，串行通信接 口，中断应答系统，内部存储器，数据总线及地址总线等。有些高级单片机片内带有 a d 转换模块，s p i 接口，e e p r o m 等。分析测定仪的系统本身应该具备哪些功能，从 而选择合适的单片机。 单片机的极限性能 这里需要考虑单片机的最大功耗、最大及最小供电电压、最高使用温度、最低使用 温度、和单片机r o m 最大存储量等。 单片机的可开发性 选用的单片机要有可靠的可以开发手段，如程序开发工具是否提供方便，仿真调试 是否容易实现，编程语言是否熟悉等。 单片机的实用性 单片机的实用性是指此类单片机是不是可以直接购买到，并且在单片机的生产厂家 进行选择，保证单片机能够长期、可靠的运行。 本论文综合以上各种因素，通过比较a t 8 9 系列、m c s 5 1 系列、m x s 9 6 系列、p i c 系列、a v r 系列的各种单片机，并针对系统本身所需的功能，需要具备e e p r o m 进行 标定曲线存储，具备s p i 传输模块进行a d 采样，低功耗等等，从而选择了a t 8 9 系列 的a t 8 9 s 8 2 5 3 作为主处理器。 a t 8 9 s 8 2 5 3 是一个低电压，高性能c m o s8 位单片机，可在4 v 6 v 电压下工作， 器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8 位中央处理器 大连理工大学硕士学位论文 和f l a s h 存储单元，功能强大的a t 8 9 s 8 2 5 3 单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。 a t 8 9 s 8 2 5 3 的主要特点是： 兼容m c s 5 1 指令系统 2 个双向i o 口 3 个1 6 位可编程定时计数器中断 s p i 串行口 2 个外部中断源 低功耗空闲和掉电功能 1 2 k 可反复擦写( 1 0 0 0 次) f l a s hr o m 2 k 可反复擦写( 1 0 0 0 0 0 次) e e p r o m 2 5 6 8 b i t 内部r a m 全静态操作0 2 4 m h z ( 2 ) l c m 选型 l c m ( l c dm o d u l e ) 即l c d 显示模组，是