原子分光光度计元素灯数据采集系统

封岸松, 苏晓雪, 李世兴

(1.沈阳化工大学，信息工程学院, 辽宁,沈阳 110142；2.北方自动控制技术研究所，防控火控系统研发部, 山西,太原 030006)

0 引言

原子分光光度计又称原子吸收光谱仪，是一种用于测定无机元素含量的分析仪器[1]。随着化工、生物等领域的迅速发展，一些金属元素越来越多地出现在我们的生活中[2]，尤其是一些重金属元素，对我们的身体有很大的危害，所以元素分析显得愈发重要。原子分光光度计主要由光源、原子化器、单色仪和上位机组成，其中单色仪负责数据的采集、处理、传输。

传统仪器每个模块分别有各自的控制芯片，各个模块之间通过CAN 总线传输数据，但是通信经常不稳定。为了解决由通信造成的系统运行不稳定的问题，本次设计使用的控制芯片为LPC5411，它拥有M0+M4双核MCU，M0与M4之间可以通过设置MAILBOX(邮箱)API函数互相通信，可以解决通信不稳定的问题。

传统仪器的前置由放大电路与滤波电路两部分组成，需要的元器件过多，元器件越多,对整个电路造成的干扰就会越大。本次设计提出了一种新的前置放大电路，在传统前置放大电路的反馈回路上串联一个积分电路，整体构成了一个低通滤波器，既保留了前置放大电路的放大倍数，也发挥了滤波电路的作用，把高频干扰信号过滤掉。

影响结果的还有元素灯余光的干扰，在元素灯刚刚关闭时会有余光，若检测到了余光会对实验结果产生影响，所以在系统中添加了调零电路。在元素灯关闭后立刻打开调零电路，将余光的干扰调解到0，再进行后续步骤。

1 总体方案

本次设计的组成部分如图1所示，共分为四个部分：光电倍增管检测部分、放大电路及滤波部分、A/D转换部分、调零电路部分。该系统以LPC5411为控制核心，开始工作后，先使用光电倍增管检测光信号，将光信号转换为电信号，随后将轻微的电信号传给前置放大电路处理，电信号经过放大、滤波后，信号中的主要噪声已被过滤完毕，随后再传给二级放大电路进一步放大到1 V以便后续A/D转换。在检测结束后，打开调零电路部分，将电信号迅速恢复到0 V，防止对下一次检测产生干扰。

图1 总体流程图

2 跨阻电路设计分析

(a)

(b)图2 跨阻电路模型

使用基尔霍夫电流定律和运算放大器的分析方法图2(b)中的简化电路，可以得到下式：

(1)

V0=A·(-V-)

(2)

由式(1)可得跨阻电路的传递函数为

(3)

令ϖc=2πfbA0,ϖz=1/Rf(Ci+Cf)，ϖf=1/Rf·Cf，fb·A0为运算放大器增益0 db处频率。由传函可知跨阻电路可以看成一个二阶系统，通过与典型的二阶传递函数做对比可以求出二阶系统的各项参数。

无阻尼振荡频率：

(4)

阻尼系数：

(5)

阶跃响应的超调量：

(6)

可以根据二阶系统的各项参数确定系统的性能。参数ζ决定了系统的响应形态。为了保证系统稳定输出，没有明显的超调量，响应速度尽可能地快，应使ζ在0.707-1之间。最后选择3.3 MΩ的反馈电阻，15PF的反馈电容。

3 器件选型

3.1 光电倍增管

光电倍增管选型主要关注的参数有：①光阴极的光谱响应范围;②阴极光照灵敏度;③暗电流;④典型增益[4]。一般来说，光照灵敏度尽可能要选择高的，暗电流尽可能选择小的，满足上述情况下选择增益较大的。综上所述，本次设计选择日本滨松的R928，它的参数如表1所示。

表1 R928参数

3.2 放大器

前置放大器的核心器件是运放，选择运放时优先考虑因素是噪声电压和噪声电流[5]。其次为增益带宽积(GBM)，GBM=Af·f，普遍情况下增益带宽积越大越好，但在增益带宽积较大的情况下,运放器的其他功能普遍偏弱，所以在满足带宽的情况下重点比较其他参数即可。最后考虑的参数为压摆率(SR),SR=2πfVp-p，足够的压摆率可以保证信号的不失真，综上所述，选择的器件为OP07，它的参数如表2所示。

表2 OP07参数

4 噪声分析

4.1 光电倍增管噪声分析

光电倍增管产生的噪声主要有：①散粒噪声;②暗电流引起的噪声;③其他杂散噪声。散粒噪声与暗电流噪声在传输过程中都会被放大[6]。

当只考虑散粒噪声和暗电流噪声时，噪声电流的经验公式为

(7)

其中,Inp为总的噪声电流，Id为暗电流，Ic为光阴极电流，q为电子电荷，Bn为噪声带宽，δ为二次电子发射比。

根据式(7)可以得到光电倍增管的阳极电流和噪声的比，即信噪比为

(8)

根据式(8)可知，当系统中散粒噪声和暗电流噪声远大于杂散噪声时，Id、Ic、Bn的增大反而会使SNRPMT减小。由此可见，若想提高信噪比，并不能靠增大Id、Ic、Bn的方法,当杂散噪声占主导时，由于这些杂散噪声的大小是固定的，并不会随着内部增益变化而变化，故可以通过提高内部增益的方法来提高信噪比。

4.2 放大电路噪声分析

放大电路中前置放大电路产生的噪声对系统的影响远大于后置放大电路，所以在考虑噪声对系统的影响时，只需分析第一级放大电路的噪声即可[7]。

光电倍增管的输出信号可以看成电流源，A/D转换电路需要的是电压信号，所以采用跨阻电路作为前置放大电路。跨阻电路的噪声模型如图3所示。

图3 跨阻电路的噪声模型

前置放大电路产生的噪声主要有:①反馈电阻Rf产生的热噪声；②运算放大器的输入电压噪声Enoi；③运算放大器的输入电流噪声密度enoi引起的噪声。电流噪声密度一般忽略不计。同时，光电倍增管的输出电流中夹带的噪声电流也会被放大电路放大。

前置放大电路的信噪比为

(9)

式中，Ia为光电倍增管输出电流，EnR为热噪声，Ene为噪声电压，Enp为噪声电流流过反馈电阻产生的噪声。由式(9)可知，若反馈电阻R增大，则Enp也会变大，反馈电阻又决定着前置放大电路的放大倍数，所以在选择反馈电阻的大小时首先要考虑引入的噪声问题，放大倍数由后置放大电路分担。前置放大电路和后置放大电路的增益配比需要由实际测试决定。

5 硬件设计及仿真

5.1 前置放大电路及滤波电路

前置放大电路采用跨阻接法，图4为前置放大电路的硬件连接图。采用交流电流源模拟光电倍增管的输出电流，在反向输入端串联一个0 Ω电阻，能抑制环路电流，使噪声得到抑制。为了减小运放的偏置电流产生失调电压，需在正向输入端添加一个与反馈电阻相近大小的电阻。由于输入电容和负载电容的存在，会导致相位滞后，放大器会产生自激振荡，为了消除自激振荡，需给反馈电阻并联一个电容。

图4 前置放大电路仿真图

5.2 后置放大电路

后置放大电路选择的器件为PGA281，它由单片机直接控制增益，具有低偏置电压，近零偏移，且几乎没有1/f噪声等优点。后置放大电路如图5所示。

图5 后置放大电路电路图

由图5可知，PGAREF采用2.5 V参考电压，VSN和VSP采用±12 V供电，在差分输出端添加二极管对芯片进行保护。CTR0-CTR4由单片机控制，可以通过对引脚赋高低电平值以控制增益的大小。

5.3 A/D转换电路

A/D转换使用芯片ADS1271，它接受差分模拟电压，输入为Vin=NLOUT+-NLOUT-，在两条输入线中添加二极管以保护芯片。模式MODE为0的是高速模式，FORMAT为0采用SPI串行接口。ADS1271硬件连接如图6所示。

图6 ADS1271硬件连接图

5.4 调零电路

调零电路串联在前置放大电路的反馈回路上，如图7所示，由Y4引脚和DO490引脚控制。调零时序打开后Y4和DO490引脚导通，S1开关关闭，电阻R2接入电路中。前置放大电路与调零电路部分的传递函数为

图7 调零电路硬件连接图

(10)

使用Simulink软件对传函进行仿真，假设输入为1，由图8仿真结果可知，该数学模型可以将输入信号调解到0后稳定输出。在元素灯刚刚关闭时，能将光电倍增管检测到的余光信号调解到0 V，可以大大地减少误差，提高数据的准确性。

(a) Simulink仿真图

(b) Simulink仿真结果图8 调零电路仿真结果

6 PCB布线

从两个方面抑制噪声：光路和电路。在光路方面要做好遮光处理，避免杂光干扰。在电路方面，将光电倍增管和前置放大电路要用金属外壳屏蔽，连接处要紧实，避免电缆震动。在绘制PCB板时，将光电倍增管焊在板子上可以有效地较少噪声的产生。使用线性电源也可以减少噪声。布线时走线尽量短，输入端与输出端避免相邻平行，将数字器件与模拟器件分开放置在各自的区域。

7 设计结果

使用示波器对电路波形进行检测，得到实验结果如下。图9为前置放大电路的输出波形，图中纵向一格代表20 mV。由图9可知，前置放大电路的输出大概为20 mV，周期为10 ms。此时输出的电压中含有较多的噪声，还需要后续电路进行滤波及放大。

图9 前置放大电路输出波形

图10为后置放大电路的输出波形，与图9相比，波形中的噪声明显减少，输出电压被放大到大概1 V，可以达到后续电路的使用要求。

图10 后置放大电路输出波形

由上述实验结果可知，本文设计的电路可以满足元素灯数据采集的功能，在硬件电路中一切波形均可以达到预期效果。

8 总结

本文设计了一种元素灯的灯光采集系统，通过使用光电倍增管对光信号进行采集，将光信号转变为电信号，随后由前置放大电路对电信号进行滤波和放大，再由后置放大电路进一步放大后交给A/D采集芯片采集数据。经过实验验证，可以达到预期的效果。