一種水質毒性檢測儀前置放大電路設計

葉姜瑜 重慶大學城市建設與環境工程學院,重慶400045 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室 (重慶大學),重慶400045

李書鉞 (重慶大學城市建設與環境工程學院,重慶400045)

陳 宇 (西南大學生命科學學院,重慶400715)

王 琳 (重慶大學城市建設與環境工程學院,重慶400045)

采用發光細菌作為毒性測試指標的水質毒性檢測儀,已經成為一種操作簡便、結果可靠和耗費低的毒性檢測儀器[1～3]。水質毒性檢測儀將發光細菌所發出的光轉化成電信號并將電信號予以放大輸出,從而得到檢測結果。但是,由于發光細菌發光微弱,經轉化后得到的微弱電信號可能是微安級甚至是納安級的電流,其最小值和最大值之間相差1000倍,其動態范圍較大。為了對水質毒性檢測儀輸出的微弱電流信號進行處理和顯示,必須首先將信號放大到所要求的強度,而前置放大電路是該類型水質毒性檢測儀放大檢測電路的核心[4]。為此,筆者設計了一種適用于水質毒性檢測儀的前置放大電路,對其進行了模擬仿真,并采用發光細菌毒性監測方法驗證其實用性。

1 設計思想

利用光電倍增管作為光電探測器,經分壓電路設計,將微弱的光信號轉化成電流信號輸出時,其干擾源較為廣泛,如基底電流、噪聲干擾、工頻干擾、極化電壓等都會產生一定的干擾。由于干擾源的影響,水質毒性檢測儀前置放大電路的放大倍數不宜過大,以免電信號被干擾信號淹沒。后端電路要實現將光電倍增管的電流信號 (nA或μ A)轉換為電壓信號,并放大到0～5V,實現截止頻率為30kHz的低通濾波。

2 光電探測器

根據發光細菌發光波長的范圍,從靈敏度、幅度分辨率等方面綜合考慮,選用濱松光子公司側窗式R105光電倍增管作為光電探測器。該光電倍增管采用特殊設計的抗滯后結構,具有極好的輸出穩定性。設計中對光電倍增管進行屏蔽,以防止干擾源對其干擾。根據設計要求,采用負高壓電1000V供電,因為此時陰極暗電流輸出較少、響應時間快。光電倍增管分壓器回路設計中須選用溫度特性良好的電阻,其精度要求在±5%,為達到耐壓效果,要用有足夠大額定功率的電阻,阻值一般約為100kΩ～1MΩ,設計中選擇分壓電阻為300kΩ。在分壓器基板上焊接分壓器回路時,基板要使用玻璃環氧制成的耐高壓、漏電電流小的制品。信號輸出線要盡可能短,最好采用同軸電纜或屏蔽線[5]。通常并聯電容為0.002～0.05μ F,設計中取C1=C2=C3=0.01μ F,各個接地線獨立接地,接地點互相分開,這樣電流互不干擾,可以減少耦合噪聲。光電倍增管分壓電路設計圖如圖1所示。

圖1 光電倍增管分壓電路設計圖

3 前置放大電路設計

3.1 前置放大器電路設計

光電倍增管的輸出信號是電流信號,由于后接的信號處理系統是以電壓信號為對象,所以應將電流信號轉換成電壓信號。利用高輸入阻抗運算放大器構成前置放大器進行電流-電壓轉換的基本回路如圖2所示。電路輸出電壓為:

由于運算放大器的放大倍數非常高,通常保持逆向輸入端子的電位與非逆向輸入端子的電位(接地電位)相同的條件下工作,因而運算放大器輸出電壓和R2兩端發生的電壓相同,實現電流-電壓轉換。光電倍增管陽極輸出電流控制在1μ A以內可減緩其老化,因而反饋電阻的選擇標準是使陽極的最大輸出電流小于1μ A[6]。從整體考慮,本級輸出最大電壓為0.3V,反饋電阻為300kΩ。該設計選擇TI公司生產的差動運算放大器OPA124,其噪聲水平較低,最大偏置電流為1pA,最大偏置電壓為250mV,常用于精密儀器設計。

此外,因為光電倍增管是加載高電壓的電子管,為了保護運算放大器,設計有保護電阻R1。

3.2 中間同相比例放大器電路設計

通過中間同相比例放大,將前置放大器輸出的正的電壓信號放大約10倍。選擇R3為10kΩ、R1為91kΩ、平衡電阻R4為9.1kΩ。放大倍數為10.1,輸出電壓為3.03V。中間同相比例放大器設計電路圖如圖3所示。

圖2 前置放大器電路設計圖

圖3 中間同相比例放大器電路設計圖

3.3 濾波電路的設計

為了加強濾波器濾除噪聲的能力,筆者采用巴特沃斯低通濾波器。由于水質傳感器的信號多為低頻信號,因此可以將低通濾波器的截止頻率設計的低一些。根據要達到的響應帶寬的要求,選擇Cf=30kHz、放大倍數為1.586來設計濾波器。巴特沃斯低通濾波器的歸一化系數B=1.42,C=1.1,各元件的設計參數為C=0.33nF,R=16kΩ,R2=82kΩ,R1=51kΩ。輸出電壓為4.91V。低通濾波器電路設計圖如圖4所示。

圖4 低通濾波器電路設計圖

3.4 光電倍增管后端電路總體設計圖

將上述三級電路相連,形成光電倍增管后端電路總體設計圖,如圖5所示。后端電路要實現將光電倍增管的電流信號 (nA或μ A)轉換為電壓信號,并放大到0～5V,實現截止頻率為30kHz的低通濾波。

圖5 光電倍增管后端電路總體設計圖

4 電路仿真

4.1 直流仿真

為了測定設計電路的穩定點,在NI MULTISIM 10環境下對電路進行直流仿真,用-1μ A的電流源代表光電倍增管,第一級輸出接通道一,其標準電壓為1V;第二級輸出接通道二,其標準電壓為1V;第三級接通道三,其標準電壓為2V。仿真結果如圖6所示,1號線為第一級輸出,其電壓為0.3V,2號線為第二級輸出,其電壓為3.03V,3號線為第三級輸出,其電壓為4.91V,確定設計電路穩定點分別為0.3、3.03、4.91V。

4.2 交流仿真

為了驗證其濾波效果,對其進行交流仿真。當輸入電流為 1μ A,頻率分別為 10、20、30、40、50和100kHz時,經交流仿真,輸出電壓分別為 4.95、4.57、3.42、2.2、1.46和0.327V,實現了截止頻率為30kHz的低通濾波功能。交流仿真結果如圖7～12所示。

圖6 直流仿真結果圖

圖7 10kHz交流仿真結果

圖8 20kHz交流仿真結果

圖9 30kHz交流仿真結果

圖10 40kHz交流仿真結果

圖11 50kHz交流仿真結果

圖12 100kHz交流仿真結果

5 試驗與討論

為了證明所設計電路的實用性,以明亮發光桿菌為測試菌種,以光電倍增管R105為光電探測器,采用所設計的前置放大電路,就PbCl2對明亮發光桿菌的毒性效應進行研究。發光細菌采用明亮發光桿菌T3變種,由中國科學院南京土壤研究所提供。筆者自制暗盒,菌種的培養基及培養方法見參考文獻 [7]。數據采用origin 7.5處理軟件處理,以相對發光度表示發光單位:

試驗取用培養24h發光細菌菌液。用于測試的發光菌液與樣本體積按1∶1混合,測試方法見參考文獻 [8],測試3個平行試樣 (包括蒸餾水對照),取其平均值。將試樣放入自制暗盒中進行測試,繪制相對發光度與時間關系曲線,如圖13所示。

由于發光細菌發光微弱,經轉化后得到的是微弱電信號,可能是微安級甚至是納安級的電流,所以必須首先將信號適度放大,并且要有效防止電信號被干擾信號淹沒。根據試驗設計要求,將電壓信號放大到0～5V,實現截止頻率為30kHz的低通濾波。從圖 13可以看出,PbCl2對明亮發光桿菌的抑制作用隨濃度的增加而加強。在PbCl2與明亮發光桿菌作用前20min,明亮發光桿菌發光不穩定,呈下降趨勢,在20min后趨于平穩。從相對發光度的變化來看,該前置放大器放大倍數適中,有效防止電信號被干擾信號淹沒。經放大的電壓信號變化能夠較好地反映PbCl2對明亮發光桿菌的抑制作用。通過上述試驗表明,該前置放大電路的設計能夠滿足水質毒性檢測儀的設計要求,且精度較為準確。

圖13 PbCl2對明亮發光桿菌的毒性效應曲線圖

6 結 語

設計的前置放大電路有效降低了干擾源對測量電路的影響,有較好的濾波作用。通過PbCl2對明亮發光桿菌的毒性效應驗證試驗得到較為理想的結果,說明該前置放大電路能夠滿足水質毒性檢測儀的設計要求,可以很好地應用于水質毒性監測儀的研制中。

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[8]GB/T 15441-1995.水質急性毒性的測定:發光細菌法 [S].