TDLAS甲烷气体检测中驱动信号发生电路的设计

刘松斌 赵 宇 李晶娜 王 威

(1.东北石油大学电气信息工程学院；2.大庆油田电力职业技术培训中心)

TDLAS甲烷气体检测中驱动信号发生电路的设计

刘松斌1赵 宇1李晶娜2王 威2

(1.东北石油大学电气信息工程学院；2.大庆油田电力职业技术培训中心)

为了满足TDLAS甲烷气体检测要求，以STM32为核心，结合DAC8830、AD9833和OPA188芯片，设计一个驱动信号发生电路。实验数据表明：低频锯齿波信号和正弦波信号噪声小，有效滤除低频噪声干扰；将低频锯齿波信号与10kHz正弦波叠加，使信号调制到较高频率，通过二倍频正弦波对检测信号进行分析，满足激光器对气体检测驱动信号的要求。

甲烷检测 TDLAS 驱动信号发生电路 STM32

可调谐半导体激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)是一种利用可调谐半导体激光二极管的窄线宽和输出波长的温度、电流调谐特性对分子吸收谱线进行测量、分析，得到分子性质或浓度的光谱分析方法[1,2]。随着科学技术的不断发展，对气体检测精度的要求不断提高，TDLAS气体检测技术因具有速度快、灵敏度高、选择性好和非接触式的优点而被广泛应用于科研、军事及医学等领域中[3]。

笔者以STM32为核心，利用DAC8830、AD9833和OPA188芯片设计了一个驱动信号发生电路，通过驱动信号使激光器发出的波长更加稳定，并且围绕气体中心波长进行扫描，使气体吸收充分，提高TDLAS甲烷检测精度，同时，通过在电路叠加高频正弦波来减少系统干扰、提高系统运行可靠性。

1 总体结构

驱动信号发生电路的总体结构框图如图1所示。激光器驱动信号由直流偏置信号、低频锯齿波信号、一倍频和二倍频正弦波信号4部分组成。其中直流偏置稳定在气体主吸收峰位置；低频锯齿波和一倍频正弦波通过OPA188产生的加法电路相叠加并加载到激光器电流输入端实现对激光器的驱动，使激光器发出的激光在被测气体吸收峰附近扫描，将检测信号调制到高频域；二倍频正弦波用于对检测气体进行分析解调。

图1 驱动信号发生电路的总体结构框图

2 电路设计

驱动信号发生电路以STM32为主控制器，集成了SPI、DA、AD及IO等端口，以满足实验设计和后续扩展的要求。

2.1 低频锯齿波发生电路

2.1.1 硬件部分

低频锯齿波发生电路(图2)主要由主控制器STM32、数字模拟转换芯片DAC8830、OPA188构成的电压跟随器组成。DAC8830是一个16位、低功耗、单端电压输出的数模转换器，采用3～5V电源供电，具有噪声低、干扰小及快速稳定等特点[4～6]。STM32的GPIO通用输入输出端口PA12、SPI1-SCK、SPI1-MOSI分别与DAC8830的片选/CS、时钟SCLK和数据SDI相连。

图2 低频锯齿波发生电路

2.1.2 软件流程

DAC8830与STM32通过SPI方式进行通信，为了产生均匀而稳定的锯齿波，软件采用定时器中断的控制方式，具体流程如图3所示，其中a为自定义变量。

图3 DAC8830软件流程

2.2 正弦波发生电路

本设计中10kHz(一倍频)和20kHz(二倍频)正弦波发生电路的核心是AD9833芯片，它是一款能够产生正弦波、三角波和方波的DDS芯片。该芯片从相位概念出发直接合成所需波形，具有成本低、功耗低、分辨率高及转换时间短等优点，因此被广泛应用于各种测量、激励和时域响应领域。AD9833芯片无需外接元件，输出频率、相位等可以通过软件编程调节，具有28位频率寄存器，当主频时钟为1MHz时，精度可达0.004Hz。AD9833的核心是28位相位累加器(由加法器和相位寄存器组成)，每来一个时钟，相位寄存器步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加后输入到正弦查询表地址中[7,8]，再通过3个串行接口(SPI通信方式)将数据写入AD9833。工作电压范围为2.3～5.5V。

图4 正弦波发生电路

输出的正弦波频率fOUT为：

fOUT=M(fMCLK/228)

其中，M为频率控制字，数值由外部编程给定，0≤M≤228；fMCLK为不同频率控制字下的输出频率。

AD9833包含两个频率寄存器和两个相位寄存器，其模拟输出为fMCLK/228×F，其中F为所选频率寄存器的频率控制字；信号的移项为2π/4096×P，其中P为所选相位寄存器的相位控制字。

2.3 加法电路

利用两个OPA188构成加法电路，具体如图5示。将AD9833产生的10kHz正弦波信号叠加到DAC8830产生的低频锯齿波信号上，即可得到激光器的驱动扫描信号。

图5 加法电路

3 实验数据

通过示波器对电路产生的波形进行显示，低频锯齿波与正弦波曲线如图6所示，两者的叠加波形如图7所示。可以看出，笔者设计的驱动信号发生电路输出波形干扰较小，信号稳定，充分满足激光器的驱动需求。

图6 低频锯齿波与正弦波

图7 低频锯齿波与一倍频正弦波的叠加波形

4 结束语

笔者以STM32为主控制器，结合DAC8830、AD9833和OPA188设计并实现了一个用于TDLAS甲烷气体检测的驱动信号发生电路。该驱动电路根据HITRAN数据库中给出的谱线参数，通过改变注入电流控制VCSEL激光器输出波长在气体吸收峰附近扫描，并在波长变化范围内获得包含气体浓度信息的谐波幅值信号。通过二倍频正弦波信号的调制作用，有效降低了激光器的噪声干扰，增强了气体检测灵敏度，驱动信号的稳定性使电路可靠性更高，满足激光器对驱动波形的要求。

[1] 徐珍.煤矿安全检测系统中甲烷气体检测仪的研制[D].武汉:武汉科技大学,2011.

[2] 张春晓.基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的O2和CO气体测量[D].杭州:浙江大学,2010.

[3] 赵霄.石油化工装置气体检测系统配置方案的设计探讨[J].石油化工自动化,2016,52(5):7～11.

[4] 许琰.可调谐窄线宽光纤激光器研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[5] 葛春风,赵东晖,杨秀峰,等.可调谐环形腔光纤光栅激光器[J].光学学报,1999,19(6):762～765.

[6] 郭月俊.采用ARM技术的TDLAS型甲烷气体检测系统的研制[D].长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2014.

[7] 于长睿.可调谐半导体激光器波长锁定驱动技术研究[D].长春:长春理工大学,2014.

[8] 于莎莎,吴国瑞.半导体激光二极管的电流调制与驱动[J].电测与仪表,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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刘松斌(1970-)，副教授，从事电力电子与电力传动方面的工作。

联 系 人：赵宇(1992-)，硕士研究生，从事电力电子与电力传动方面的工作，1045090829@qq.com。

2016-04-29，

2016-08-11)