基于NDIR的甲烷傳感器微弱信號調理設計

張趙良，潘 斐，朱菊香

（1.無錫學院 軌道交通學院，無錫 214105；2.南京信息工程大學 自動化學院，南京 210044）

石油化學工業在持續快速發展，對作業場所里產生的有毒有害氣體也有了多種檢測手段以保護人員的健康及設備的安全。比如，針對碳氫類可燃氣體，可利用催化燃燒和紅外傳感器進行檢測，針對大部分毒性氣體，可通過電化學及半導體傳感器進行檢測。隨著科學技術的進一步發展，PID、激光氣敏傳感器也被開發出來。

NDIR（非分散性紅外線技術）是一種基于氣體吸收理論的方法。紅外光源發出的紅外輻射經過一定濃度待測的氣體吸收之后，與氣體濃度成正比的光譜強度會發生變化，因此求出光譜光強的變化量就可以反演出待測氣體的濃度。目前NDIR 紅外氣體傳感器已成功用于二氧化碳、甲烷等氣體的精確檢測，這種傳感器的體積也已經能做到十分小型化。朗伯-比爾定律為紅外氣體濃度精確檢測提供了有力的理論依據，根據實際需求選擇合適波長的光源和傳感器，通過信號調理電路即可采集傳感器的輸出信息，加以計算得出待測氣體的濃度[1]。因此，信號調理對于檢測的重要性不言而喻。

鑒于此，本文以紅外甲烷氣體傳感器為研究對象，在保證中間調理電路功能良好的前提下，選擇性價比高、參數符合電路設計要求的運放，并根據數學公式推算電路中的電容電阻值。最后，依據電路仿真，驗證本文所設計的調理電路效果，分析設計的優勢性。

1 檢測系統總體設計

本設計選用ST 公司的STM32F407 作為主控芯片，選擇OP77 作為信號調理部分各模塊的運算放大器。由主控芯片控制紅外光源的發光頻率，傳感器輸出信號一般為微安甚至納安級別小電流，通過跨阻放大器放大至毫伏級別電壓，再由可調增益模塊配合偏置電壓將輸出信號控制在0～3.3 V 之間，滿足AD 采集的條件[2]。在放大信號的同時由于有效信號的頻率較低（本設計選取10 Hz），需要對高頻噪音信號進行濾波處理，提高信噪比。傳感器檢測整體硬件設計流程如圖1所示。

圖1 硬件系統設計流程Fig.1 Hardware system design flow chart

其中，信號調理部分主要由以下幾個模塊組成：供電模塊、偏置電壓模塊、跨阻放大器（transimpedance amplifier，TIA）模塊和可調增益電路模塊。需要一組標定裝置實現對傳感器的供氣，信號調理電路對獲取的傳感器的輸出進行一系列的數字處理，由單片機采集數據，而后進行顯示和做進一步的處理分析[3]。

2 傳感器信號調理設計

對非分光紅外甲烷傳感器微弱信號調理的傳統方法有2 種，第一種方法是按照放大—整流—濾波的方式進行處理[4]，將正負交流電壓轉換為等效的正的直流電壓信號后由ADC 進行采集，這種設計使得電路結構相對復雜，干擾因素較多，設計成本相對較高；另一種是由跨阻放大器配合專用可調增益放大器（variable gain amplifier，VGA）芯片進行信號調理，根據芯片對應的信號放大計算公式，由微控制器模塊給芯片輸出DA 模擬電壓來控制放大倍數[5]，但是此種方式對于低頻信號來說設計成本較高，由于專用VGA 芯片自身通常具有很大的帶寬，因此主要應用于高頻信號和寬帶寬信號的處理，對于低頻信號來說性能過剩并且帶來的高頻干擾太多，濾波處理等工作比較麻煩。采用精密運放OP77進行TIA 和可調增益電路的設計不僅可以達到設計要求，降低設計成本和電路的復雜度，也可以有效避免高頻信號干擾，濾波更為簡便，電路信噪比更高[6]。

2.1 TIA 和可調增益電路的基本原理

TIA 具有電阻的量綱，所以一般稱之為跨阻放大器，TIA 的增益A=Y（電壓）/X（電流），Y 為輸出的電壓，X 為輸入的電流，增益A 由反饋電阻決定，表征一個信號由電流變成電壓并進行一定程度的放大[7]。可調增益電路用來調節信號增益，由專用VGA芯片或者運放搭配電容電阻等進行搭建。

2.2 TIA 和可調增益電路的設計

本設計采用精密運放OP77 進行TIA 和可調增益電路的設計。OP77 在整個10 V 輸出范圍內的增益維持在107或更高，這一出色的增益線性度可消除以前的單芯片運算放大器中常見但無法校正的系統非線性度。與以前的設計相比，OP77 具有較小的VOS（輸入失調電壓）、Ib（輸入偏置電流）和Ios（輸入失調電流），穩定時間和功耗方面都有顯著改善。這些出色特性的完美組合使得OP77 成為精密誤差預算系統的理想之選。OP77 放大正弦波交流信號時必須采用雙電源供電，否則交流負半周將被削波，從而導致波形畸變。因此將該運放的同相輸入端偏置于2.5 V 電壓處，這樣即可放大所采集的交流電壓信號。OP77 運放的GBW、SR 等指標雖然比不上更高精度運放和專用VGA 芯片，但是適合處理頻率很低的交流信號[8]。相比于電阻串聯分壓方式，采用電壓跟隨器的設計使輸出的2.5 V 更為穩定，波動較小，2.5 V 偏置電壓產生電路如圖2所示。

圖2 5 V 分壓電路Fig.2 5 V voltage divider circuit

跨阻運算放大器是將電流信號轉換成為電壓信號，電流到電壓增益基于反饋電阻，TIA 的設計目標如表1所示。

表1 TIA 設計目標Tab.1 TIA design goal

非分光紅外甲烷傳感器的輸出是納安至微安級別的電流信號，此處采用±5 μA 的電流信號進行仿真，因此跨阻增益通常選用100 kΩ，將信號放大至毫伏級別，由于負電壓需要單獨產生，因此為了電路設計簡便，運放采用的是+12 V 單電源供電，輸出沒有負電壓，采用單電源供電只能采集正半軸，需要在運放的正極加入偏置電壓，確保放大信號的完整性，TIA 的輸入與輸出關系如式（1）所示：

式中：Iin為輸入端的交變電流信號；R4為增益電阻，表征放大倍數；Vout1為經跨阻放大器放大后的電壓信號。

根據式（1），傳感器微弱的電流信號轉換成電壓信號并進行R4倍的放大。運放正極接入2.5 V 電壓，信號以2.5 V 為虛地，具體電路如圖3所示。

圖3 跨阻放大電路Fig.3 Transimpedance amplifier circuit

帶寬與電阻電容之間的關系如式（2）所示：

式中：C1為反饋電容；fp為電路帶寬。

電路帶寬需要大于有效頻率10 Hz，代入式（2）得到C1≤159 nF，結合實際需求和仿真情況此處取10 nF 比較合適。

隔直電容取值的經驗公式如式（3）所示：

式中：C3為隔直電容大小；f 為通過的最低頻率。

隔直電容的選擇以減小信號損耗為原則，理論上容值越大越好（與容抗成反比），實際應用中因電容的加工工藝以及材質的影響，大電容體積太大，帶寬較難兼顧。所以通常以小于所使用電路中的輸入輸出阻抗10 倍以上選用相應容值，在滿足設計要求的情況下盡可能使用小電容，此處取1 μF電容。

可變增益電路的設計采用改進的反向放大電路，首先通過固定電阻R6和R7確保固定倍數的增益，再通過數字電位器R5來控制最終的增益大小，使輸出電壓控制在最佳范圍內，可變增益部分的OP77運放也在正極添加了2.5 V 電壓偏置，具體電路如圖4所示。

圖4 可調增益電路Fig.4 Adjustable gain circuit

因為前項電路已經偏置2.5 V，因此前級信號再進行放大時需要經過電容進行隔直，防止后續信號過大，隔直后確保再次經過放大的最終信號保持在單片機采集電壓的范圍內，增益如式（4）所示：

式中：R5，R6，R7為控制電路增益的電阻；Vout1為跨阻放大器的輸出；Vout為可變增益放大器的輸出。

可變增益部分的一階慣性環節傳遞函數如式（5）所示：

式中：T0為轉折頻率的倒數。

系統檢測流程如圖5所示。

圖5 氣體檢測流程圖Fig.5 Gas detection flow chart

中間電路主要是信號的放大和濾波，設計完成后需要根據檢測到的數據不斷反饋調整電路的元器件和參數，在設計選取元器件滿足計算公式的同時仿真結果也要滿足電路設計目標。

3 測試與仿真

調理電路的幅頻特性曲線如圖6所示，信號在有效頻率信號10 Hz 前后形成衰減，實現帶通，符合設計要求，其對高頻信號的抑制較為明顯，高頻信號衰減幅度極大，電路的信噪比較高。

圖6 電路幅頻特性曲線Fig.6 Amplitude-frequency characteristic curve of circuit

調理電路的相頻特性曲線如圖7所示，所有頻

圖7 電路相頻特性曲線Fig.7 Phase frequency characteristic curve of circuit

率信號均未穿過-180°，電路系統處于穩定狀態。

電路最終輸出如圖8所示，可變增益部分數字電位器R5，和電阻R6，R7分別取值10 kΩ，10 kΩ，20 kΩ，通過瞬態分析可以看到經TIA 電路固定增益105倍以后±5 μA 交流電流信號轉換成±0.5 V 交流電壓信號，由于2.5 V 直流偏置的存在，TIA 輸出電壓信號最終處于2 V～3 V 之間，經隔直電容隔直后信號回到±0.5 V；通過數字電位器控制可調增益電路，將信號進行了保持，沒有增大或者縮小，由于2.5 V 直流偏置的存在，信號最終還是處于2 V～3 V之間，電路瞬態分析信號符合電路放大倍數，并且合理保持在單片機的電壓采集范圍內。

圖8 電路輸出瞬態分析圖Fig.8 Circuit output transient analysis diagram

4 結語

本設計介紹了一種非分光紅外甲烷傳感器檢測信號的調理方法，該方法以通用運放OP77 搭建跨阻放大器和可變增益放大器，不僅可以將傳感器微弱的電流信號轉換成單片機可以采集的電壓信號，滿足設計要求，而且相較于放大整流濾波的設計形式和使用其他高性能運放或者可變增益芯片設計的形式，此設計更容易分析處理傳感器的低頻微弱信號，在簡化電路設計的同時很好地降低了設計成本。通過MULTISIM 軟件進行模擬仿真，驗證了設計的有效性和可行性，對設計此類信號處理電路有很好的借鑒意義和重要作用。