TDLAS甲烷氣體檢測中驅動信號發生電路的設計

劉松斌 趙 宇 李晶娜 王 威

(1.東北石油大學電氣信息工程學院；2.大慶油田電力職業技術培訓中心)

TDLAS甲烷氣體檢測中驅動信號發生電路的設計

劉松斌1趙 宇1李晶娜2王 威2

(1.東北石油大學電氣信息工程學院；2.大慶油田電力職業技術培訓中心)

為了滿足TDLAS甲烷氣體檢測要求，以STM32為核心，結合DAC8830、AD9833和OPA188芯片，設計一個驅動信號發生電路。實驗數據表明：低頻鋸齒波信號和正弦波信號噪聲小，有效濾除低頻噪聲干擾；將低頻鋸齒波信號與10kHz正弦波疊加，使信號調制到較高頻率，通過二倍頻正弦波對檢測信號進行分析，滿足激光器對氣體檢測驅動信號的要求。

甲烷檢測 TDLAS 驅動信號發生電路 STM32

可調諧半導體激光器吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)是一種利用可調諧半導體激光二極管的窄線寬和輸出波長的溫度、電流調諧特性對分子吸收譜線進行測量、分析，得到分子性質或濃度的光譜分析方法[1,2]。隨著科學技術的不斷發展，對氣體檢測精度的要求不斷提高，TDLAS氣體檢測技術因具有速度快、靈敏度高、選擇性好和非接觸式的優點而被廣泛應用于科研、軍事及醫學等領域中[3]。

筆者以STM32為核心，利用DAC8830、AD9833和OPA188芯片設計了一個驅動信號發生電路，通過驅動信號使激光器發出的波長更加穩定，并且圍繞氣體中心波長進行掃描，使氣體吸收充分，提高TDLAS甲烷檢測精度，同時，通過在電路疊加高頻正弦波來減少系統干擾、提高系統運行可靠性。

1 總體結構

驅動信號發生電路的總體結構框圖如圖1所示。激光器驅動信號由直流偏置信號、低頻鋸齒波信號、一倍頻和二倍頻正弦波信號4部分組成。其中直流偏置穩定在氣體主吸收峰位置；低頻鋸齒波和一倍頻正弦波通過OPA188產生的加法電路相疊加并加載到激光器電流輸入端實現對激光器的驅動，使激光器發出的激光在被測氣體吸收峰附近掃描，將檢測信號調制到高頻域；二倍頻正弦波用于對檢測氣體進行分析解調。

圖1 驅動信號發生電路的總體結構框圖

2 電路設計

驅動信號發生電路以STM32為主控制器，集成了SPI、DA、AD及IO等端口，以滿足實驗設計和后續擴展的要求。

2.1 低頻鋸齒波發生電路

2.1.1 硬件部分

低頻鋸齒波發生電路(圖2)主要由主控制器STM32、數字模擬轉換芯片DAC8830、OPA188構成的電壓跟隨器組成。DAC8830是一個16位、低功耗、單端電壓輸出的數模轉換器，采用3～5V電源供電，具有噪聲低、干擾小及快速穩定等特點[4～6]。STM32的GPIO通用輸入輸出端口PA12、SPI1-SCK、SPI1-MOSI分別與DAC8830的片選/CS、時鐘SCLK和數據SDI相連。

圖2 低頻鋸齒波發生電路

2.1.2 軟件流程

DAC8830與STM32通過SPI方式進行通信，為了產生均勻而穩定的鋸齒波，軟件采用定時器中斷的控制方式，具體流程如圖3所示，其中a為自定義變量。

圖3 DAC8830軟件流程

2.2 正弦波發生電路

本設計中10kHz(一倍頻)和20kHz(二倍頻)正弦波發生電路的核心是AD9833芯片，它是一款能夠產生正弦波、三角波和方波的DDS芯片。該芯片從相位概念出發直接合成所需波形，具有成本低、功耗低、分辨率高及轉換時間短等優點，因此被廣泛應用于各種測量、激勵和時域響應領域。AD9833芯片無需外接元件，輸出頻率、相位等可以通過軟件編程調節，具有28位頻率寄存器，當主頻時鐘為1MHz時，精度可達0.004Hz。AD9833的核心是28位相位累加器(由加法器和相位寄存器組成)，每來一個時鐘，相位寄存器步長增加，相位寄存器的輸出與相位控制字相加后輸入到正弦查詢表地址中[7,8]，再通過3個串行接口(SPI通信方式)將數據寫入AD9833。工作電壓范圍為2.3～5.5V。

圖4 正弦波發生電路

輸出的正弦波頻率fOUT為：

fOUT=M(fMCLK/228)

其中，M為頻率控制字，數值由外部編程給定，0≤M≤228；fMCLK為不同頻率控制字下的輸出頻率。

AD9833包含兩個頻率寄存器和兩個相位寄存器，其模擬輸出為fMCLK/228×F，其中F為所選頻率寄存器的頻率控制字；信號的移項為2π/4096×P，其中P為所選相位寄存器的相位控制字。

2.3 加法電路

利用兩個OPA188構成加法電路，具體如圖5示。將AD9833產生的10kHz正弦波信號疊加到DAC8830產生的低頻鋸齒波信號上，即可得到激光器的驅動掃描信號。

圖5 加法電路

3 實驗數據

通過示波器對電路產生的波形進行顯示，低頻鋸齒波與正弦波曲線如圖6所示，兩者的疊加波形如圖7所示。可以看出，筆者設計的驅動信號發生電路輸出波形干擾較小，信號穩定，充分滿足激光器的驅動需求。

圖6 低頻鋸齒波與正弦波

圖7 低頻鋸齒波與一倍頻正弦波的疊加波形

4 結束語

筆者以STM32為主控制器，結合DAC8830、AD9833和OPA188設計并實現了一個用于TDLAS甲烷氣體檢測的驅動信號發生電路。該驅動電路根據HITRAN數據庫中給出的譜線參數，通過改變注入電流控制VCSEL激光器輸出波長在氣體吸收峰附近掃描，并在波長變化范圍內獲得包含氣體濃度信息的諧波幅值信號。通過二倍頻正弦波信號的調制作用，有效降低了激光器的噪聲干擾，增強了氣體檢測靈敏度，驅動信號的穩定性使電路可靠性更高，滿足激光器對驅動波形的要求。

[1] 徐珍.煤礦安全檢測系統中甲烷氣體檢測儀的研制[D].武漢:武漢科技大學,2011.

[2] 張春曉.基于可調諧半導體激光吸收光譜技術的O2和CO氣體測量[D].杭州:浙江大學,2010.

[3] 趙霄.石油化工裝置氣體檢測系統配置方案的設計探討[J].石油化工自動化,2016,52(5):7～11.

[4] 許琰.可調諧窄線寬光纖激光器研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

[5] 葛春風,趙東暉,楊秀峰,等.可調諧環形腔光纖光柵激光器[J].光學學報,1999,19(6):762～765.

[6] 郭月俊.采用ARM技術的TDLAS型甲烷氣體檢測系統的研制[D].長春:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,2014.

[7] 于長睿.可調諧半導體激光器波長鎖定驅動技術研究[D].長春:長春理工大學,2014.

[8] 于莎莎,吳國瑞.半導體激光二極管的電流調制與驅動[J].電測與儀表,2015,52(22):124～128.

DesignofDrivingSignalCircuitforTDLASMethaneGasDetection

LIU Song-bin1, ZHAO Yu1, LI Jing-na2, WANG Wei2

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity; 2.ElectricPowerVocationalandTechnicalTrainingCenter,DaqingOilfield)

In order to satisfy TDLAS gas detection, having STM32 cored and DAC8830, AD9833 and OPA188 chips combined to design a driving signal circuit was implemented. Experimental data indicate that, the low signal noise of both LF sawtooth signal and sine wave signal can filter LF noise interference effectively; having LF sawtooth signal superimposed with 10kHz sine wave signal to make the signal modulated to a higher

TH811

A

1000-3932(2017)01-0021-04

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劉松斌(1970-)，副教授，從事電力電子與電力傳動方面的工作。

聯 系 人：趙宇(1992-)，碩士研究生，從事電力電子與電力傳動方面的工作，1045090829@qq.com。

2016-04-29，

2016-08-11)