一种改进型双光束分光光度计的设计优秀毕业论文 参考文献.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 一种改进型双光束分光光度计的设计 姓名 赵恒 申请学位级别 硕士 专业 控制理论与控制工程 指导教师 王燕舞 2011 02 23 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘要摘要 分光光度计是产生和利用单色光照射样品 通过对反射和透射光能量的测量进而 对样品进行定量定性分析的仪器 本文在分析和总结传统分光光度计的基本结构和 工作原理的基础上 提出了一种采用扫描式光栅结构的分光系统 辅助以滤光片滤 出杂散光 以及匀速切光器调制光线和切换光路的设计方案 本文研究的分光光度计的响应波长范围为 280 2500nm 包括了紫外 可见 近 红外 根据传感器在不同波段的光谱响应特性 分别采用光电倍增管 硅光电池和 光敏二极管作为光电转换传感器 lm358 和 icl7650 组成多级发大电路将微弱的光 电信号进行放大 经高带宽 24 位 adc 进行模数转换供系统进行采集 系统主要由测控和监控两个子系统组成 其中测控子系统以 stm32 为主控 mcu 使用 ta8435 控制步进电机运转进而控制活动部件的位置 并通过与切光器 同轴的一个类似光电编码盘的部件同步采样时间 而监控子系统则是在以 arm 芯片 s3c2440 组成的硬件平台和 linux qt 组成的软件平台为基础的平台上开发的一套 具有良好用户交互体验的监控软件 通过串口实现了与测控子系统进行实时数据交 换和实时指令下达 通过实际测量 本文设计的分光光度计与同类产品相比测量精 确度有较大的提高 关键词 关键词 分光光度计 光电转换 stm32 arm linux qt 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract spectrophotometer is a instrument which produces and utilizes monochromatic light to irradiate the sample and completes the qualitative analysis and quantitative analysis of the sample by measuring the power of the reflected light and trassmitted light in this thesis a new design scheme is proposed based on the analysis and summary of the basic structure and working principle of the tradional spectrophotometer in the new design shecme the grating with a scaning scheme is used in the photometric system and the filter is used to filter out the stray light besides these a ac motor is used to confect the light and switch the optical path the response range of spectrophotometer discussed in this thesis in the wavelength is 280 2500nm including the uv vis ir light the pmt silicon photovoltaic cells and photodiode is respectively used as the photoelectric converter in different wavelength based on the different sensor s characteristic of spectral response the weak photoelectric signal is amplified by the muti stage amplifying circle constructed by the lm358 and icl7650 and then the analog signal is converted to digital signal by the high bandwidth 24 bitsadc which is accessed by the system the system consists of control subsystem and monitoring subsystem stm32 is the master mcu of the control subsystem the control subsystem uses ta8435 to control the step motors in order to make the movable parts in a certain position and employ a part like a photoelectric encoder to synchronize sampling time otherwise the monitoring subsystem is a system based on the hardware platform consisted of s3c2440 and the software consisted of linux and qt and the subsystem has a characteristic of good man machine communication experience besides the control instuction and data are real time exchanged through the uart between the monitering subsystem and control subsystem finally through actual measurement the precision of the spectrophotometer designed in this thesis is enhanced compared with the similar products keywords spectrophotometer photoelectric conversion stm32 arm linux qt 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在 文中以明确方式标明 本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年月日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学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 保 密 在 年解密后适用本授权书 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年月日日期 年月日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1绪论绪论 1 1 课题背景及意义课题背景及意义 传统的光谱分析检测仪器的光路系统一般都采用单光束的方案 即使采用双光束 也没有可调放大电路进行差分补偿 而且分光部件单一不能尽可能小的减少杂散光 的影响 12 位或 16 位 a d 转换器件也限制了检测精度 这些都使得这些检测仪器 所能检测的波长范围较窄 精度也不高 本文正是从有效解决这些影响仪器检测性 能的问题出发 重新设计了新的光路系统和电路系统 采用狭缝 光栅 滤光片协 同分光以尽可能减少杂散光 带自动差分补偿的双光束设计最大限度的发挥了双光 束差分去噪的优点 在软件设计上基于 linux 加 qt embedded 开发的嵌入式监控软 件 相比传统的基于 pc 的监控软件操作更简单直观 光谱分析仪器作为一种非常重要的检测分析仪器 应用十分广泛 但是由于其结 构复杂 部件众多 长期以来更多的依赖于进口 近年来虽然国内仪器开发厂商加 大了研发的力度 但是相比进口仪器国产仪器的性能还有差距 本文通过改进分光 光度计光路和电路结构提高了仪器的性能 这对提高国产分析仪器的分析水平进而 为国民生产带来更大的经济效益有着积极的作用 1 2 光学分析法及其分类光学分析法及其分类 光学分析法是指根据物质发射出的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用的结果 来进行物质分析的方法 根据样品与辐射能的不同作用方式 光学分析法可以分为非光谱法和光谱法 1 非光谱法 在物质与辐射能相互作用时 根据辐射的某些性质 如折射 散 射 干涉 衍射 偏振等不涉及能级跃迁的性质 的变化进行分析的方法 2 光谱法 在物质与辐射能相互作用时 根据物质内部发生的能级跃迁而产生 的发射 吸收或散射的波长和强度进行分析的方法 根据光谱表现形式的不同 光学分析法可分为原子光谱和分子光谱 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1 原子光谱 由原子内层或外层能级的变化产生 表现为线状光谱 2 分子光谱 由分子中电子能级 振动和转动能级的变化产生 表现为带状光 谱 根据电磁辐射和物质相互作用的结果 光学分析法可分为发射 吸收和联合散射 三类 1 发射光谱法 物质通过电激发 热激发或者光激发的方式获得能量 变为激发态原子或分子 当这些原子或分子从激发态过渡到低能态或基态时将释放出能量e 而这些释放出 的能量将以光谱的形式发射出去 它们之间的关系为ehv 其中h为普朗克常数 v为发射光波的频率 根据发射光谱所在的光谱区和激发方法可以将发射光谱法分为以下七种类型 1 射线光谱法 2 x 射线荧光分析法 3 原子发射光谱分析法 4 原子荧光分析法 5 分子荧光分析法 6 分子磷光分析法 7 化学发光分析法 2 吸收光谱法 当物质所吸收的电磁辐射能与物质内部进行能级跃迁所需的能量满足关系 ehv e 为跃迁所需能量 h为普朗克常数 v为吸收光波频率 时 将产生吸 收光谱 吸收光谱法可分为 1 m ssbauer 莫斯鲍尔 谱法 2 紫外 可见分光光度法 3 原子吸收光谱法 4 红外光谱法 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 5 顺磁共振波谱法 6 核磁共振波谱法 3 散射光谱法 当光照射到物质上时 会发生非弹性散射 分析这些散射光的方法就是散射光谱 法 在散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分 瑞利散射 外 还有比激发光 波长长和短的成分 这种现象被称为拉曼效应 散射光谱分析法常指利用拉曼散射 进行分析的方法 1 图 1 1 光谱仪结构示意图 图 1 1 所示 根据每种方法涉及的电磁辐射和物质相互作用的结果光谱分析仪器 可大致分为发射光谱仪 吸收光谱仪以及荧光和散射光谱仪 其各自的结构见 1 3 分光光度计的发展与现状分光光度计的发展与现状 分光光度法在分析领域中的应用已经有十几年的历史 至今依然广泛应用在工 业 农业 国防 医疗卫生 环境保护 航空航天等领域 是一种非常常见且重要 的分析方法 随着分光器件及分光技术 检测器件和检测技术 嵌入式技术的广泛 应用 在提高分光光度计的性能的同时并向着更加智能 更加便携 检测速度更快 的方向发展 2 3 分光光度计主要由光源 分光器件 检测器件等组成 其中光源大都采用复合光 源用于产生复合光再由分光器件进行单色分光 但是随着近年来发光二极管 led 光源技术的发展 以单立波长 led 为光源的分光光度计因为其具有体积小 价格低 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 廉等优点成为研究开发的热点 4 而在分光器件方面 使用空间色散的方法进行分光 的器件从棱镜 机刻光栅再到全息光栅历经了多种变化 而目前全息闪耀光栅因为 其显著的分光性能已经迅速取代了一般的刻划光栅 除此之外 声光调制滤光 5 7 和傅立叶变换光谱 8 的分光方法也在不断探索中 检测器件历经了早期的光电池 光 电管及后来灵敏度更高的光电倍增管 光敏电阻等阶段 最近又出现了使用阵列传 感器作为检测器件 9 10 这十分有利于实现仪器的便携化 随着大规模集成技术和 mems 技术的不断发展 将分光器件和探测器集成在一块芯片上已经成为未来分光 光度计的发展趋势 11 13 在仪器机构方面 随着嵌入式技术的广泛应用 从早期的人工控制 模拟仪表指 示 绘图仪绘图 已经发展到如今的全自动控制 全数字化数据处理 目前 随着阵列检测器的发展 以及与凹面光栅相结合的应用 已经使仪器的测 量速度有了很大的提升 并且具有更加稳定可靠的性能 例如安捷伦公司的 hp8452 8453 而国内也对此展开了相应的研究 并取得了卓有成效的成果 14 16 1 4 全文安排全文安排 为了全面介绍本文在设计分光光度计方面所做的工作 全文安排如下 1 在第二章通过总结 比较和分析单光束 双光束等结构的分光光度计的特点 提出系统采用双光束方案 根据各种光源 各种分光器件和光电转换器件的性能特 点 分别设计了光源系统 分光系统和光电转换系统 最后结合光路系统和电路系 统的设计要求给出了系统的总体设计方案 其中的电路系统总体设计分为测控和监 控两个子系统 分别作为第三 四章的重点介绍内容 2 第三章根据测控子系统的总体设计要求 分别从光电信号多级放大电路的设 计 a d 转换电路 步进电机驱动电路的设计和测控子系统的软硬件设计这几个方 面展开 其中测控子系统的软件结合光路系统的特点 设计了一个可实时控制各个 步进电机并进行采样的实时测控软件 3 在第四章主要介绍了监控子系统的软硬件设计 其中重点介绍了监控子系统 的软件设计 包括移植为监控软件提供运行环境的 linux 操作系统和相应的用户图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 形库qt embedded到以s3c2440为核心的硬件平台 以及监控软件的具体设计方案 4 最后一章通过总结本文的研究内容及分光光度计的发展趋势 为以后的研究 指明了方向 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 2分光光度计的基本结构和总体设计分光光度计的基本结构和总体设计 所谓分光光度计就是指利用单色仪或特殊光源产生的特定波长的单色光通过标 样和试样 比较两者的光强来分析试样的特性的光谱仪器 常见的分光光度计主要 有光源 狭缝 滤光片 单色器 检测器等部件 根据光路结构的不同又可以分为 单光束 准双光束 双光束和双波长四类 2 1 光路基本结构光路基本结构 分光光度计的分类可根据不同的标准进行分类 可按照光束 光电转换器的数量 分为单光束 双光束等种类 也可以按照单色器件的种类分为滤光片型 发光二极 管型 色散型 傅里叶变换型等等 下面通过介绍采用不同光束方案的分光光度计 的特点 提出了本文设计的分光度计的光路基本结构方案 1 单光束分光光度计 顾名思义 单光束分光光度计只有一束单色光 一个样品池 一个光电转换器 通 常采用硅光电池 光敏三极管或光电管 如图 2 1 所示 其结构简单 价格便宜 但因其杂散光 光源波动 电子学的噪声等都不能消除 故单光束分光光度计的光 度准确较差 图 2 1单光束分光光度计 2 准双光束分光光度计 所谓准双光束分光光度计 就是指有两束光 但只有一个样品池的分光光度计 其中 只有一束光通过样品池 不通过样品池的那束光 主要起抵消光源波动对分 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 析精度影响的作用 准双光束分光光度计有以下两种类型 一种是两束都是单色光 另外一种则分别 是一束单色光 一束复合光 1 两束单色光 其结构如图 2 2 所示 其中的光电转换器一般采用硅光电池或光电管 该型仪器 具有结构简单 精度相对较好的特点 图 2 2两束单色光准双光束分光光度计 2 一束复合光 一束单色光 这种结构已经很少使用 其结构如图 2 3 所示 其中不通过样品池的参考光束为 复合光 它不经过分光器 直接进入光电转换器 所以参考光束的能量较大 比样 品光束的能量强得多 经过光电转换以后 电信号也比较强 这样有利于信号的检 测 但是由于两束光的强度相差过大 所以很难达到抵消光源波动对精度的影响 甚至可能加大这种影响 单色光 样品池光电转换器放大器 v0 光电转换器 复合光 图 2 3一束单色光 一束复合光准双光束分光光度计 3 双光束分光光度计 双光束分光光度计就是指有两束单色光的分光光度计 它也有两种类型 一种是 双光电转换器 另外一种是单光电转换器 目前国内外这种结构的仪器大部分都只 使用单个光电转换器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 1 双光电转换器 使用两只光电转换器的分光光度计结构如图 2 4 所示 因为其的差分结构能使光 源波动 杂散光 电噪声的影响而部分抵消 所以在进行定点测量时 精度较高 但是其结构比较复杂 而且价格也较贵 同时两个光电转换器的光谱响应特性不可 能完全一样 所以在进行动态光谱扫描时测量误差较大 这些缺点都限制了其的应 用 单色光 样品池光电转换器放大器 v0 反射镜 图 2 4双光电转换器的双光束分光光度计 2 单光电转换器 其结构如图 2 5 所示 由于采用单个光电转换器 并且有两束单色光 虽然因为 把一束光分为两束降低每束光的能量进而导致其的信噪比不如单束光大 但因为能 够抵消光源波动 杂散光 电子学噪声等的影响 所以该类型的光度计的准确度好 缺点是结构较复杂 价格也较贵 单色光 样品池 光电转换器 放大器 v0 反射镜 图 2 5单光电转换器的双光束分光光度计 4 双波长分光光度计 所谓双波长分光光度计是指采用两个单色器 并使用这两个单色器同时从光源发 出的光中分离出两个不同波长的单色光 再交替入射到同一试样中 最后由光电转 换器交替检测这两个波长的光谱响应特性的分光光度计 17 5 分光光度计光束方案选择 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 关于分光光度计中是采用单光束方案好 还是采用双光束方案好 目前还存在分 歧 一种观点认为采用双光束的仪器好 因为差分可以抵消光学和电学的噪声 进 而提高了仪器的精度 而另外一种观点认为单光束仪器好 因为随着软件技术的发 展 许多单光束分光光度计的缺点都可以使用软件技术来弥补 这样单光束仪器的 信噪比大 灵敏度高 结构简单的特点就更能凸显出来 尽管如此 本文所设计的 分光光度计仍然采用双光束的方案 因为软件去噪虽然已经在很多领域得到广泛应 用和验证 但是相比硬件去噪软件去噪的性能还有待进一步的提高 同时本文在原 有的双光束方案上做了适当的改进 提高了通过样品池和参比池的光辐射能量 这 也有利于提高检测信号的信噪比 2 2 光源光源 在使用分光光度计进行光谱分析时 必须保证光源具有足够的输出功率和稳定 性 只有这样才能使检测信号具有较高的信噪比进而保证仪器的检测精度 在通常 情况下根据不同的光源必须选用合适的稳压电源来保证光源的输出功率和稳定性 根据光谱的波长分布一般可以把光源分为连续光源和线光源等 本文重点介绍一 下连续光源 而线光源主要用于荧光 原子吸收和 raman 光谱分析法 在这里就不 做详细介绍 所谓连续光源 就是指在波长范围内主要发射强度平稳的具有连续光谱的光源 按照波长的区间不同可以分为紫外光源 可见光源 红外光源 1 紫外光源 紫外光源主要有氢灯和或氘灯 光谱波长范围为 160 375 nm 2 可见光源 可见光源最常用的是卤钨灯 光谱分布在 320 2500nm 氙灯也可用作可见光源 光谱波长范围为 250 700nm 3 红外光源 常用的红外光源是一种用电加热到温度在 1500 2000k 之间的惰性固体 常用的 红外光源有能斯特灯 硅碳棒 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 4 光源方案选择 由于不同的光源发射出的光线的波长范围是固定的 为了产生仪器测量波长范围 内的光线 同时在这些波长范围内的光线还必须有较高的辐射能以提高检测信号的 信噪比 最终采用双光源方案 分别使用氘灯作为紫外段的光源 卤钨灯作为可见 和近红外段的光源 2 3 分光系统分光系统 分光系统是分光光度计中的最重要的部分之一 其主要的作用是将由不同波长组 成的复合光分开为单色光 主要的分光器件的类型有滤光片 光栅 干涉仪 声光 调谐滤光器等 18 1 滤光片 理想的滤光片是干涉滤光片 它属于固体滤光片 是根据光线通过薄膜时发生干 涉现象而制成的 一般可分为截止滤光片和带通滤光片 分光光度计中一般采用带 通滤光片 它只允许较窄波长范围的光通过 常见的是法布里 泊罗 fabri perrot 型滤光片 19 2 狭缝 单色器的分辨能力表示能分开最小波长间隔的能力 而波长间隔与狭缝宽度有如 下关系 sdw 其中 s为有效带宽 d为线色散率倒数 w为狭缝宽度 当色散率固定时 s将随w而变化 因此在定性分析时一般用较窄的狭缝 这样 可以提高分辨率 使邻近的谱线清晰分开 而在定量分析时则采用较宽的狭缝 以 得到较大的谱线强度 3 棱镜 当复合光通过棱镜时由于棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率而 产生了色散作用 常用的棱镜有 cornu 棱镜和 littrow 棱镜是 其各自的光学色散原 理如图 2 6 所示 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 图 2 6cornu 棱镜 左 和 littrow 棱镜 右 4 光栅 光栅是分光光度计的分光系统中最常见也是最重要的部件 一般可分为反射光栅 和透射光栅两类 而应用最广泛的是反射式衍射光栅 通常称为反射光栅 根据光 栅基面的形状 反射光栅可分为平面反射光栅和凹面反射光栅 根据光栅刻槽的微 观形状能否使衍射光能量定向地集中在某个方向 又有闪耀光栅和非闪耀光栅之分 而根据光栅使用机械刻划方法还是用全息干涉法制成 还可以分为刻划光栅和全息 光栅 使用光栅作为分光部件的仪器的主要特点有 可进行全谱扫描 分辨率较高 便 于维修等优点 但是由于光栅是由机械传动的 所以机械磨损会影响波长的长期重 现性 同时抗震性也较差 扫描速度比较慢 5 傅里叶变换分光系统 傅立叶变换光谱技术是利用干涉图和光谱图之间的对应关系 通过测量干涉图及 对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究光谱的技术 20 世纪 80 年代 通 过调整光源 分束器和检测器 傅里叶变换分光系统被应用到光谱分析仪器 20 21 傅里叶变换类型的光谱仪器具有更高的波长精度 分辨率和信噪比 但是对使用和 放置环境有严格的要求 因而限制了其普遍使用 6 声光可调滤光器 声光可调滤光器 aotf 是根据声光衍射原理 采用具有较高的声光品质因素 和较低的声衰减的双折射单晶体制成的分光器件 采用 aotf 的光谱仪器最显著的 特点是分光系统中无可移动的部件 扫描速度快 但是 aotf 的分辨率不如光栅扫 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 描和傅里叶变换分光系统 价格也较昂贵 因此比较适合用于在线过程分析 7 分光系统方案选择 尽管分光器件已经过几十年的发展 也出现了很多基于新技术的分光器件 但是 由于光栅分光光谱的精确性和重复性很好 以及使用光栅分光的仪器的结构相对成 熟和简单 光栅仍然在光谱分析仪器中广泛应用 本文设计的分光光度计也仍然采 用光栅作为分光器件 2 4 光电转换系统光电转换系统 光电转换系统又称光电接收系统 是分光光度计的关键部件 根据转换机理不同 可分为外光电效应和内光电效应 1 外光电效应光电转换器 有些金属在吸收射入的辐射能以后 内部电子的动能会增加 如果电子能克服表 面势垒而逸出成光电子 这种现象就称为外光电效应 外光电效应的光电转换器主 要有光电管和光电倍增管 1 光电管 图 2 7光电管接线图 光电管工作时 必须要在阳极 a 和阴极 k 之间加一个直流工作电压 其接线如 图 2 7 所示 当有光线照射时 被激发的光电子在工作电压的作用下从阴极移动到阳 极 就会在电流表 m 中指示有光电流产生 2 光电倍增管 光电倍增管实际上是外光电效应和多级二次发射体相结合而制成的光电器件 如 图 2 8 所示 光电倍增管的工作原理是利用外光电效应在阴极 k 激发出光电子 再 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 经过 d1 d2 d3 d4多级二次发射体放大 最终到达阳极 a 而得到很强的光电流 光电倍增管不仅具有很高的积分灵敏度 而且还有很好的线性度 图 2 8光电倍增管原理示意图 2 内光电效应光电转换器 与外光电效应不同 内光电效应顾名思义 是利用光辐射能让某些半导体材料内 部发生某种变化进而改变其的电气特性或产生受激电子 最终转换为电流或电压信 号的器件 常见的内光电效应的光电转换器有光敏电阻 光电池 光电二极管 而 根据使用的材料不同 各个器件又可分为多种 像光敏电阻常用的材料有硫化铅 硒化镉 硫化镉等 光电池也可以分为硒光电池和硅光电池 由于各种材料的特性 不一样 因此由各种材料制成的光电转换器的光电转换性能也大不一样 在选型的 时候必须根据不同器件的性能参数和系统要求进行适当的选择 3 光电转换系统方案选择 根据不同光电转换器件光谱响应曲线的特点 对于不同的波段采用不同的光电转 换器件 其中采用光电倍增管检测紫外段 硅光电池检测可见段 硫化铅型光敏电 阻检测近红外段 2 5 系统总体设计系统总体设计 2 5 1 光路系统总体设计光路系统总体设计 从前面的章节中我们可以了解到 分光光度计的工作原理是由光源产生复合光再 由分光系统将特定波长的单色光从复合光中分离出来并照射样品 最终由光电转换 器将样品反射或透射出的光信号转换为电信号进行分析处理 从中我们可以看出系 统的各个部件并不是孤立工作的 他们至始至终都由光源发出的光联系在一起 因 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 此系统除了对每个部件的选型要加以重点考量外 还需要对光路总体设计重点考量 如图 2 9 所示为系统的光路总体设计示意图 其中除了切光片使用交流匀速电机 驱动以前 其他的机械转动部件都是用步进电机驱动 分别有切换光源类别的光源 切换电机 改变狭缝大小的狭缝电机 转动光栅的光栅电机 以及更换滤光片的滤 光片电机和切换光电转换器的传感器转换电机 常见的光栅型分光光度计中并没有 使用滤光器 但为了保证系统的检测精度 尽可能减小杂散光的影响 本文设计的 光路系统中针对不同的波段增加了不同的窄带滤波片用于滤出杂散光 除此之外 切光片的设计既可以满足调制单色光的要求 也通过将切光片设计成图 2 9 中所示的 结构将单色光交替的入射到参比池和样品池 实现了双光束结构 切光片调制单色 光除了使检测器产生的信号是交流信号 便于放大电路放大滤波外 还可以改善检 测器的时间响应特性 但是调制频率也就是交流匀速电机的转速的选择必须考虑到 调制频率对响应时间和灵敏度的影响 调制频率越高 响应时间越快 但由于单位 周期内接收到的辐射能减少 仪器的灵敏度会有所降低 实践证明 切光频率在 2 12 5hz 范围 系统除了能保证较高的灵敏度外 其响应速度也较快 图 2 9光路系统总体设计示意图 2 5 2 电路系统总体设计电路系统总体设计 根据系统的整体要求 结构特点以及检测的实时性要求 系统采用测控和监控分 开设计为两个独立的子系统的电路总体设计方案 测控子系统部分主要完成底层电 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 机控制和检测光电信号 而监控子系统 通过控制测控模块进而完成整个测试流程 以及保存和分析数据的功能 系统的电路整体框图如图 2 10 所示 以 stm32f103 为核心的测控子系统主要完 成实时检测和控制步进电机 其中检测部分包括了多级放大电路 分为初级 次级 和末级放大电路以及可编程放大电路 和 a d 转换电路 而步进电机则是通过步进 电机驱动电路将stm32f103发出的方向和运行步数信号转变为步进电机驱动信号来 驱动步进电机运行到目标位置 而以 s3c2440 为核心的嵌入式监控子系统 通过 uart 控制测控子系统进而完成光谱测试及实时数据显示 其中使用 tft lcd 全彩 屏为用户提供了直观的数据显示 使用触摸屏为用户提供了一种快速而简单的仪器 操作方式 图 2 10电路系统总体设计示意图 2 6 本章小结本章小结 本章首先比较分析分光光度计的基本结构出发 给出了系统采用双光束的结构设 计方案 随后又分别介绍了光源 分光系统和光电转换系统 并通过比较其中各种 类型器件的特性 给出了氘灯和卤钨灯组成双光源的光源系统设计方案 光栅为分 光器件的分光系统设计方案以及由光电倍增管 硅光电池 光敏电阻分别检测紫外 可见 红外段信号的光电转换系统 最后从系统的总体设计出发 给出了系统光路 总体设计方案和电路总体设计方案 由于光路系统的设计最终还是要着眼于是否能设计出相应的电路系统来对信号 进行检测 以及与光路系统配套的电路系统两者的组合是否能提高系统的整体性能 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 因此本文的重点将放在电路系统的设计上 由于电路系统的总体设计采用了测控子 系统和监控子系统分离设计的方案 本文将在后续章节分别介绍测控子系统和监控 子系统的详细设计方案 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 3测控子系统的硬件和软件设计测控子系统的硬件和软件设计 测控子系统是分光光度计电路系统中最重要的模块 其主要包括光电信号放大电 路 a d 转换电路 步进电机控制电路 基于 mcu 为核心的测控电路以及测控软件 这些都直接决定了仪器的检测精度 下面将分别详细介绍每个部分的设计方案 3 1 多级放大电路多级放大电路 由于检测信号是由光电转换器产生的光电信号 属于微弱电信号 因此放大电路 在很大程度上决定了检测精度 合理的放大电路设计在放大光电信号的同时也能增 大信噪比 最终保证了 a d 转换的精度 针对不同波段的光电信号的不同特性 设 计了不同了放大电路 但是基本设计方案都大致一样 分为初级放大 次级放大 末级放大和可编程放大电路 这里就以可见段的放大电路设计为例 详细介绍放大 电路的设计方案 3 1 1 初级放大电路初级放大电路 初级放大电路的输入信号是从光电转换器输出的微弱光电信号 其必须具有较高 的增益 除此之外还必须具有高共模抑制比 失调小和漂移低的特点 基于以上要 求 初级放大电路使用icl7650进行放大 icl7650是利用动态较零技术和cmos工 艺制作的斩波稳零式高精度运放 它具有输入偏置电流小 失调小 增益高 共模 抑制能力强 响应快 漂移低 性能稳定等优点 由于icl7650使用了动态较零技术 因此其消除了cmos器件固有的失调和漂移 icl7650 的工作原理如图 3 1 所示 图中 a1 是主放大器 cmos 运算放大器 a2 是调零放大器 cmos 高增益运算放大器 通过控制电子开关使电路交替工作 在两个状态 当开关 a b 导通 c d 关断的时候电路处于误差检测和寄存阶段 当开关 c d 导通 a b 关断的时候电路处于动态校零和放大阶段 由于 icl7650 中的 a2 运算放大器的增益很大 因此 即使主运放 a1 的失调电 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 压达到达到 mv 级别 但是整个电路的失调电压仍然很小 由于电容 c1 和 c2 将各 自所寄存的上一阶段结果分别送入运放 a2 a1 的调零端 这使得图 3 1 所示电路几 乎不存在失调和漂移 22 23 图3 1icl7650工作原理图 如图3 2所示 初级放大电路的差分输入端接在光电传感器的输出端 光电信号 经icl7650放大后输出 由于初级放大电路的增益很高 为防止产生高频振荡 在反 馈回路中并接一个小容量的电容c 由于其容量很小 所以对放大电路的增益影响很 小 图3 2初级放大电路原理图 3 1 2 次级放大电路次级放大电路 次级放大电路选用 lm358 设计了一个低通滤波器 lm358 内部包括有两个独立 的 高增益 内部频率补偿的双运算放大器 适合于电源电压范围很宽的单电源使 用 也适用于双电源工作模式 在推荐的工作条件下 电源电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流增益模组 音频放大器 工业控制 dc 增益部 件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 24 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 图 3 3次级放大电路原理图 如图 3 3 所示 次级放大电路通过 c1与初级放大电路耦合 利用 lm358 中的两 个放大器组成了两级放大 由于集成运算放大电路采用反相输入方式时 电路结构 是 电压并联负反馈放大器 反相端为虚地 所以共模输入可视为 0 对组成多级 放大器有利 对运放共模抑制比要求较低 而同相输入方式是 电压串联负反馈放 大器 共模输入等于输入信号 组成多级放大器时 对运放的共模抑制比要求较高 所以第一级使用正相输入 在保证高增益的同时也可以保证高输入阻抗 进而保证 初级放大器的输出大部分输入到次级放大电路 而第二级采用反相输入有利于抑制 共模输入 3 1 3 末级放大电路末级放大电路 图 3 4末级放大电路部分原理图 末级放大电路的设计与次级放大电路大致相同 但是为了保证输出失调电压为 0 在末级放大电路中增加了调零电阻 如图 3 4 所示 在没有输入时可以通过调整滑动 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 电阻 rs让输出电压为 0 进而保证整个放大电路工作时的输出失调电压为 0 3 1 4 可编程放大电路及其驱动程序可编程放大电路及其驱动程序 1 可编程放大电路设计 光电信号经过多级放大以后 信号的强度以及信噪比都有很大的提升 但是由于 系统采用的是双光束的方案 主要是利用双光束的参比差分作用消除系统的光学和 电子学的噪声影响 进而提高系统精度 因此为了保证参比信号和样品信号中的噪 声能够通过差分抵消 在多级放大以后 信号还必须通过可编程放大电路 将信号 放大 缩小 到固定的电压范围之内 如图 3 5 所示 可编程放大电路采用数字电位 计和运算放大器的设计方案 通过调整数字电位计的电阻值可以改变运算放大器的 增益 lm358 1 2 r2 vo vi r1 rs 图 3 5可编程放大电路原理图 数字电位计选用 adi 公司的 ad5292 ad5292 是单通道 1024 抽头数字电位计 端到端电阻的容差小于 1 并具有 20 次的可编程存储空间 ad5292 可执行与机械 式电位计相同的电子调节电阻功能 相比而言具有更强的分辨率 固态可靠性及良 好的低温系数性能 因此其能够在高压下工作 并支持 10 5 15v 的双电源和 21v 30v 的单电源供电 其控制电阻的滑动点的位置可通过 spi 数字接口进行控 制 如图 3 6 所示 ad5292 与 mcu 的连接采用 5 线连接 由于只使用了一个 ad5292 且为了便于测试 stm 与 ad5292 间的通信 因此 spi 采用 4 线连接 这样当前写入 的数据将在下一次写入数据时将从 spi 的输出端输出到 mcu 除了 4 线 spi 以外 另外的一根连续用于指示 ad5292 的工作状态 因为只有在 ad5292 空闲的时候通 信数据才具有有效性 所以 mcu 的在开始通信之前必须查询 ad5292 的工作状态 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 由于系统没有使用 ad5292 内部存储器保存启动后阻值寄存器的初始值 因此 mem cap 脚没有连接电容 reset 1 vss 2 3 a 4 w rdy sdo sync sclk 14 13 12 11 b 5 din 10 vdd 6 gnd 9 mem cap 7 vlogic 8 10uf 0 1uf 12v vlogic 10uf 0 1uf 12v 10uf 0 1uf pa0 3 3v lm358 in lm358 out pa1 pa2 pa3 pa4 ad5292 图 3 6ad5292 电路连接图 2 ad5292 驱动程序设计 图 3 7ad5292 输入数据帧格式 如图 3 7 所示 ad5292 的输入数据帧的长度是 16 位 其分为两个部分 低 10 位是数据位 用于保存写入寄存器或片内存储器的数据 10 13 位也就是 c0 c3 为控 制位 用于控制 ad5292 的 spi 接口写入数据或读出数据 控制位 c0 c3 的取值可 以是 0 8 由于只需要控制 ad5292 的电阻值按照设定的值改变 因此需要用到的控 制位取值为 1 2 5 6 分别为 d0 d9 写入电阻寄存器 在下一个写入帧时将电阻 寄存器的值从 sdo 输出 d0 d3 写入控制寄存器 在下一个写入帧时将控制寄存器 的值从 sdo 输出 控制寄存器的默认设置是将电阻值固定在内存的设定值上 而系 统需要电阻值可以随时通过 spi 接口改变 因此在初始化 ad5292 的时候必须更改 控制寄存器的值 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 1void init ad5292 void 2 3ncscon 4sckcon 5dincon 6dincon 7rdycon 8ncs high 9sck low 10din low 11write ad5292 2 6 12 以上为 ad5292 的初始化程序 其中主要包括两部分 一部分为接口初始化 即 初始化与 ad5292 连接的 io 及给定初始工作电平 另外一部分为通过改变控制寄存 器的值来初始化 ad5292 的工作模式 让 ad5292 工作在使用 spi 接口控制其电阻改 变的模式 初始化程序中用到了 write ad5292 这个函数 其主要完成的工作是将数据帧通 过 spi 接口写入到 ad5292 其实现如以下代码所示 1u16 write ad5292 u16 dat u16 ctr 2 3char i 16 4dat 5ctr 6dat ctr 10 7while rdy 8ncs low 9while i 10din dat 11dat 1 13sck high 14dly semi cyc 15sck low 16dat sdo 17dly semi cyc 18 19ncs high 20return dat 21 以上为读写 ad5292 驱动的实现代码 从中我们可以看到 spi 驱动的实现是采用 io 模拟的方式实现的 虽然很多 mcu 内部集成了硬件 spi 出于可移植性和兼容性 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 23 考虑 驱动程序最终还是采用 io 模拟的方式来实现 spi 通信 因为并不是所有的芯 片内部都集成有硬件 spi 即使有其设置也不尽一样 所以使用硬件 spi 通信会增加 驱动移植到其他硬件平台的工作量 同时由于 spi 的传输格式有如图 3 8 所示的四种 格式 不同的硬件可能采用不同的格式 如果无法将通信双方硬件 spi 的传输格式 配置为一样的 那么就将无法使用硬件 spi 进行通信 而使用 io 模拟 spi 通信将不 存在这样的问题 除了以上显著的优点以外 使用 io 模拟 spi 通信也存在以下缺点 通信时必须独占 cpu 如果进行大量数据传输时有可能造成 cpu 假死的现象 其次 虽然 spi 总线对于单个同步时钟周期的长度没有上限 也不要求每个同步时钟周期 都必须相同 但是由于某些器件例如带 spi 接口的 a d 转换器件 由于它们的数据 寄存器是被 spi 接口和 a d 转换部分复用的 因此在 a d 转换的时候并不能进行 spi 读写操作 这就存在一个通信窗口时间 对于与这些器件使用 io 模拟 spi 通信的时 候为了保证通信在窗口时间内完成 最好关闭所有中断 这样才能从根本上保证写 入或读出数据的正确性 基于以上的优点 同时由于调整 ad5292 的阻值的时候并 没有其他并行的实时任务需要执行 因此最终的 spi 驱动选用 io 模拟的方式来实现 图 3 8spi 传输格式 3 2 a d 转换电路及其驱动程序转换电路及其驱动程序 1 a d 转换电路设计 测控子系统的输入光电信号虽然经过了多级放大后信号的强度有很大的提高 但 是考虑到系统必须检测到细微的光电信号的变化 以及基于提高系统的检测精度 a d 转换器件最终选用 ti 公司的高带宽 24 位工业 adc ads1271 其突破性的将良 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 24 好的 dc 精度与出众的 ac 性能结合到一起 并拥有 51khz 的带宽 低至 1 8uv 的失调漂移 25 三种可选工作模式 高采样速率模式 105ksps 高分辨率模式 109db 的信噪比 以及低功耗模式 35mw ads1271 电路连接如图 3 9 所示 差分光电信 号经过多级放大以后从 ainp 端输入 ads1271 由于切光片的调制频率属于低频调制 因此相应的 a d 转换速率也不需要太高 同时为了提高采样精度 ads1271 的工作模 式选用高分辨率模式 即第 5 脚 mode 悬空 通过将第