原子分光光度計元素燈數據采集系統

封岸松, 蘇曉雪, 李世興

(1.沈陽化工大學，信息工程學院, 遼寧,沈陽 110142；2.北方自動控制技術研究所，防控火控系統研發部, 山西,太原 030006)

0 引言

原子分光光度計又稱原子吸收光譜儀，是一種用于測定無機元素含量的分析儀器[1]。隨著化工、生物等領域的迅速發展，一些金屬元素越來越多地出現在我們的生活中[2]，尤其是一些重金屬元素，對我們的身體有很大的危害，所以元素分析顯得愈發重要。原子分光光度計主要由光源、原子化器、單色儀和上位機組成，其中單色儀負責數據的采集、處理、傳輸。

傳統儀器每個模塊分別有各自的控制芯片，各個模塊之間通過CAN 總線傳輸數據，但是通信經常不穩定。為了解決由通信造成的系統運行不穩定的問題，本次設計使用的控制芯片為LPC5411，它擁有M0+M4雙核MCU，M0與M4之間可以通過設置MAILBOX(郵箱)API函數互相通信，可以解決通信不穩定的問題。

傳統儀器的前置由放大電路與濾波電路兩部分組成，需要的元器件過多，元器件越多,對整個電路造成的干擾就會越大。本次設計提出了一種新的前置放大電路，在傳統前置放大電路的反饋回路上串聯一個積分電路，整體構成了一個低通濾波器，既保留了前置放大電路的放大倍數，也發揮了濾波電路的作用，把高頻干擾信號過濾掉。

影響結果的還有元素燈余光的干擾，在元素燈剛剛關閉時會有余光，若檢測到了余光會對實驗結果產生影響，所以在系統中添加了調零電路。在元素燈關閉后立刻打開調零電路，將余光的干擾調解到0，再進行后續步驟。

1 總體方案

本次設計的組成部分如圖1所示，共分為四個部分：光電倍增管檢測部分、放大電路及濾波部分、A/D轉換部分、調零電路部分。該系統以LPC5411為控制核心，開始工作后，先使用光電倍增管檢測光信號，將光信號轉換為電信號，隨后將輕微的電信號傳給前置放大電路處理，電信號經過放大、濾波后，信號中的主要噪聲已被過濾完畢，隨后再傳給二級放大電路進一步放大到1 V以便后續A/D轉換。在檢測結束后，打開調零電路部分，將電信號迅速恢復到0 V，防止對下一次檢測產生干擾。

圖1 總體流程圖

2 跨阻電路設計分析

(a)

(b)圖2 跨阻電路模型

使用基爾霍夫電流定律和運算放大器的分析方法圖2(b)中的簡化電路，可以得到下式：

(1)

V0=A·(-V-)

(2)

由式(1)可得跨阻電路的傳遞函數為

(3)

令?c=2πfbA0,?z=1/Rf(Ci+Cf)，?f=1/Rf·Cf，fb·A0為運算放大器增益0 db處頻率。由傳函可知跨阻電路可以看成一個二階系統，通過與典型的二階傳遞函數做對比可以求出二階系統的各項參數。

無阻尼振蕩頻率：

(4)

阻尼系數：

(5)

階躍響應的超調量：

(6)

可以根據二階系統的各項參數確定系統的性能。參數ζ決定了系統的響應形態。為了保證系統穩定輸出，沒有明顯的超調量，響應速度盡可能地快，應使ζ在0.707-1之間。最后選擇3.3 MΩ的反饋電阻，15PF的反饋電容。

3 器件選型

3.1 光電倍增管

光電倍增管選型主要關注的參數有：①光陰極的光譜響應范圍;②陰極光照靈敏度;③暗電流;④典型增益[4]。一般來說，光照靈敏度盡可能要選擇高的，暗電流盡可能選擇小的，滿足上述情況下選擇增益較大的。綜上所述，本次設計選擇日本濱松的R928，它的參數如表1所示。

表1 R928參數

3.2 放大器

前置放大器的核心器件是運放，選擇運放時優先考慮因素是噪聲電壓和噪聲電流[5]。其次為增益帶寬積(GBM)，GBM=Af·f，普遍情況下增益帶寬積越大越好，但在增益帶寬積較大的情況下,運放器的其他功能普遍偏弱，所以在滿足帶寬的情況下重點比較其他參數即可。最后考慮的參數為壓擺率(SR),SR=2πfVp-p，足夠的壓擺率可以保證信號的不失真，綜上所述，選擇的器件為OP07，它的參數如表2所示。

表2 OP07參數

4 噪聲分析

4.1 光電倍增管噪聲分析

光電倍增管產生的噪聲主要有：①散粒噪聲;②暗電流引起的噪聲;③其他雜散噪聲。散粒噪聲與暗電流噪聲在傳輸過程中都會被放大[6]。

當只考慮散粒噪聲和暗電流噪聲時，噪聲電流的經驗公式為

(7)

其中,Inp為總的噪聲電流，Id為暗電流，Ic為光陰極電流，q為電子電荷，Bn為噪聲帶寬，δ為二次電子發射比。

根據式(7)可以得到光電倍增管的陽極電流和噪聲的比，即信噪比為

(8)

根據式(8)可知，當系統中散粒噪聲和暗電流噪聲遠大于雜散噪聲時，Id、Ic、Bn的增大反而會使SNRPMT減小。由此可見，若想提高信噪比，并不能靠增大Id、Ic、Bn的方法,當雜散噪聲占主導時，由于這些雜散噪聲的大小是固定的，并不會隨著內部增益變化而變化，故可以通過提高內部增益的方法來提高信噪比。

4.2 放大電路噪聲分析

放大電路中前置放大電路產生的噪聲對系統的影響遠大于后置放大電路，所以在考慮噪聲對系統的影響時，只需分析第一級放大電路的噪聲即可[7]。

光電倍增管的輸出信號可以看成電流源，A/D轉換電路需要的是電壓信號，所以采用跨阻電路作為前置放大電路。跨阻電路的噪聲模型如圖3所示。

圖3 跨阻電路的噪聲模型

前置放大電路產生的噪聲主要有:①反饋電阻Rf產生的熱噪聲；②運算放大器的輸入電壓噪聲Enoi；③運算放大器的輸入電流噪聲密度enoi引起的噪聲。電流噪聲密度一般忽略不計。同時，光電倍增管的輸出電流中夾帶的噪聲電流也會被放大電路放大。

前置放大電路的信噪比為

(9)

式中，Ia為光電倍增管輸出電流，EnR為熱噪聲，Ene為噪聲電壓，Enp為噪聲電流流過反饋電阻產生的噪聲。由式(9)可知，若反饋電阻R增大，則Enp也會變大，反饋電阻又決定著前置放大電路的放大倍數，所以在選擇反饋電阻的大小時首先要考慮引入的噪聲問題，放大倍數由后置放大電路分擔。前置放大電路和后置放大電路的增益配比需要由實際測試決定。

5 硬件設計及仿真

5.1 前置放大電路及濾波電路

前置放大電路采用跨阻接法，圖4為前置放大電路的硬件連接圖。采用交流電流源模擬光電倍增管的輸出電流，在反向輸入端串聯一個0 Ω電阻，能抑制環路電流，使噪聲得到抑制。為了減小運放的偏置電流產生失調電壓，需在正向輸入端添加一個與反饋電阻相近大小的電阻。由于輸入電容和負載電容的存在，會導致相位滯后，放大器會產生自激振蕩，為了消除自激振蕩，需給反饋電阻并聯一個電容。

圖4 前置放大電路仿真圖

5.2 后置放大電路

后置放大電路選擇的器件為PGA281，它由單片機直接控制增益，具有低偏置電壓，近零偏移，且幾乎沒有1/f噪聲等優點。后置放大電路如圖5所示。

圖5 后置放大電路電路圖

由圖5可知，PGAREF采用2.5 V參考電壓，VSN和VSP采用±12 V供電，在差分輸出端添加二極管對芯片進行保護。CTR0-CTR4由單片機控制，可以通過對引腳賦高低電平值以控制增益的大小。

5.3 A/D轉換電路

A/D轉換使用芯片ADS1271，它接受差分模擬電壓，輸入為Vin=NLOUT+-NLOUT-，在兩條輸入線中添加二極管以保護芯片。模式MODE為0的是高速模式，FORMAT為0采用SPI串行接口。ADS1271硬件連接如圖6所示。

圖6 ADS1271硬件連接圖

5.4 調零電路

調零電路串聯在前置放大電路的反饋回路上，如圖7所示，由Y4引腳和DO490引腳控制。調零時序打開后Y4和DO490引腳導通，S1開關關閉，電阻R2接入電路中。前置放大電路與調零電路部分的傳遞函數為

圖7 調零電路硬件連接圖

(10)

使用Simulink軟件對傳函進行仿真，假設輸入為1，由圖8仿真結果可知，該數學模型可以將輸入信號調解到0后穩定輸出。在元素燈剛剛關閉時，能將光電倍增管檢測到的余光信號調解到0 V，可以大大地減少誤差，提高數據的準確性。

(a) Simulink仿真圖

(b) Simulink仿真結果圖8 調零電路仿真結果

6 PCB布線

從兩個方面抑制噪聲：光路和電路。在光路方面要做好遮光處理，避免雜光干擾。在電路方面，將光電倍增管和前置放大電路要用金屬外殼屏蔽，連接處要緊實，避免電纜震動。在繪制PCB板時，將光電倍增管焊在板子上可以有效地較少噪聲的產生。使用線性電源也可以減少噪聲。布線時走線盡量短，輸入端與輸出端避免相鄰平行，將數字器件與模擬器件分開放置在各自的區域。

7 設計結果

使用示波器對電路波形進行檢測，得到實驗結果如下。圖9為前置放大電路的輸出波形，圖中縱向一格代表20 mV。由圖9可知，前置放大電路的輸出大概為20 mV，周期為10 ms。此時輸出的電壓中含有較多的噪聲，還需要后續電路進行濾波及放大。

圖9 前置放大電路輸出波形

圖10為后置放大電路的輸出波形，與圖9相比，波形中的噪聲明顯減少，輸出電壓被放大到大概1 V，可以達到后續電路的使用要求。

圖10 后置放大電路輸出波形

由上述實驗結果可知，本文設計的電路可以滿足元素燈數據采集的功能，在硬件電路中一切波形均可以達到預期效果。

8 總結

本文設計了一種元素燈的燈光采集系統，通過使用光電倍增管對光信號進行采集，將光信號轉變為電信號，隨后由前置放大電路對電信號進行濾波和放大，再由后置放大電路進一步放大后交給A/D采集芯片采集數據。經過實驗驗證，可以達到預期的效果。