CN103293566A

CN103293566A - 大气臭氧探空仪信号检测电路

Info

Publication number: CN103293566A
Application number: CN2013102283157A
Authority: CN
Inventors: 刘明远; 宣越健; 徐群; 庞黎; 张金强; 万晓伟; 朱庆春
Original assignee: Jiangsu Province Radio Scientific Research Institute Co ltd; Institute of Atmospheric Physics of CAS
Current assignee: Aerospace new weather Technology Co., Ltd; Institute of Atmospheric Physics of CAS
Priority date: 2013-06-08
Filing date: 2013-06-08
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-06-08
Also published as: CN103293566B

Abstract

本发明涉及一种大气臭氧探空仪信号检测电路，其包括用于与大气臭氧传感器输出端连接的微电流信号检测电路，所述微电流信号检测电路包括斩波自稳零放大器，所述斩波自稳零放大器的反相端与大气臭氧传感器的输出端连接，斩波自稳零放大器的同相端接地，且斩波自稳零放大器的反相端通过第二电阻与所述斩波自稳零放大器的输出端连接，第二电阻的两端并联有第十四电容；斩波自稳零放大器的输出端与低通滤波器相连，斩波自稳零放大器通过低通滤波器将大气臭氧传感器输出的微电流信号转换为电压信号输出。本发明结构简单紧凑，提高响应速度及检测精度，降低测量误差，适应范围广，安全可靠。

Description

大气臭氧探空仪信号检测电路

技术领域

本发明涉及一种检测电路，尤其是一种大气臭氧探空仪信号检测电路，具体地说是能对大气臭氧探空仪的输出信号进行精确检测的检测电路，属于大气臭氧探空仪信号检测的技术领域。

背景技术

大气臭氧传感器的检测，受到大气探测条件的影响，传感器输出信号为小于10μA的微弱电流，同时由于大气中臭氧浓度分布的不均匀，臭氧浓度变化速度快，要求传感器和检测电路有很高的响应速度。常规的大气臭氧探空仪信号检测电路是将被测微电流信号通过固定阻值电阻，在电阻上产生电压降，然后使用运算放大器将信号放大到一定程度，然后使用A/D模数转换电路变换为数字信号，最后采用UART协议将数据传送至气象探空仪发送到地面接收设备。由于这种方式是在臭氧传感器的电流回路上串联一个较大阻值电阻，使得传感器输出电流和相应速度都受到很大影响造成测量的误差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种大气臭氧探空仪信号检测电路，其结构简单紧凑，提高响应速度及检测精度，降低测量误差，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述大气臭氧探空仪信号检测电路，包括用于与大气臭氧传感器输出端连接的微电流信号检测电路，所述微电流信号检测电路包括斩波自稳零放大器，所述斩波自稳零放大器的反相端与大气臭氧传感器的输出端连接，斩波自稳零放大器的同相端接地，且斩波自稳零放大器的反相端通过第二电阻与所述斩波自稳零放大器的输出端连接，第二电阻的两端并联有第十四电容；斩波自稳零放大器的输出端与低通滤波器相连，斩波自稳零放大器通过低通滤波器将大气臭氧传感器输出的微电流信号转换为电压信号输出。

所述斩波自稳零放大器通过低通滤波器与模数转换电路，模数转换电路的输出端与处理电路连接，处理电路的输出端与气象探空仪连接，处理电路通过模数转换电路接收微电流信号检测电路输出的电压信号，并将所述电压信号传输到气象探空仪内，以通过气象探空仪将电压信号发送至地面接收设备。

所述模数转换电路还与传感器温度检测电路连接，处理电路、模数转换电路及传感器温度检测电路与电压基准电路连接。

所述传感器温度检测电路包括热敏电阻，所述热敏电阻的一端与第七电阻的一端及第三运算放大器的同相端连接，热敏电阻的另一端接地，第三运算放大器的反相端与第三运算放大器的输出端连接，且第三运算放大器的输出端还与第八电阻的一端连接，第八电阻的另一端通过第十七电容接地；且第八电阻的另一端与模数转换电路的输入端连接。

所述第二电阻的阻值为500K欧姆。所述处理电路还与电源电压检测电路及气泵电机工作电流检测电路连接。

所述电源电压检测电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的同相端与第四电阻的一端及第十电阻的一端连接，第十电阻的另一端接地，第四电阻的另一端与工作电源连接，第二运算放大器的反相端与第二运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的输出端与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端通过第十八电容接地，且第九电阻的另一端与处理电路的输入端连接。

所述气泵电机工作电流检测电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相端与第十六电容的一端及第三电阻的一端连接，第十六电容的另一端接地，第三电阻的另一端与第六电阻的一端及气泵电机连接，第六电阻的另一端接地；第一运算放大器的反相端与第十九电容的一端、第十一电阻的一端及第十二电阻的一端连接，第十二电阻的另一端接地，第十九电容的另一端及第十一电阻的另一端均与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端还与第五电阻的一端连接，第五电阻的另一端通过第十五电容接地，且第五电阻的另一端与处理电路的输入端连接。

所述处理电路包括单片机，处理电路通过UART与气象探空仪连接。所述模数转换电路采用12位A/D转换芯片LTC1298。

本发明的优点：通过微电流信号检测电路与大气臭氧传感器连接，微电流信号检测电路内包括斩波自稳零放大器，通过斩波自稳零放大器将大气臭氧传感器的微电流信号转换为电压信号，所述电压信号通过模数转换电路转换为数字信号，并传输至处理电路内，处理电路通过气象探空仪将检测的信号发送至地面接收设备，从而能实现对大气臭氧传感器输出的0～10μA微电流信号检测的分辨率为2.5nA，误差小于满量程的0.2%，能够满足大气臭氧探空仪信号检测的需要，结构简单紧凑，提高响应速度及检测精度，降低测量误差，适应范围广，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明微电流信号检测电路的电路原理图。

图3为本发明传感器温度检测电路的电路原理图。

图4为本发明气泵电机工作电流检测电路的电路原理图。

图5为本发明电源电压检测电路的电路原理图。

附图标记说明：1-处理电路、2-模数转换电路、3-电压基准电路、4-传感器温度检测电路、5-微电流信号检测电路、6-气象探空仪、7-电源电压检测电路及8-气泵电机工作电流检测电路。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示：为了能够实现对大气臭氧传感器信号的精确检测，提高检测的响应，本发明包括用于与大气臭氧传感器输出端连接的微电流信号检测电路5，所述微电流信号检测电路5包括斩波自稳零放大器U6，所述斩波自稳零放大器U6的反相端与大气臭氧传感器的输出端连接，斩波自稳零放大器U6的同相端接地，且斩波自稳零放大器U6的反相端通过第二电阻R2与所述斩波自稳零放大器U6的输出端连接，第二电阻R2的两端并联有第十四电容C14；斩波自稳零放大器U6的输出端与低通滤波器相连，斩波自稳零放大器U6通过低通滤波器将大气臭氧传感器输出的微电流信号转换为电压信号输出。

具体地，所述斩波自稳零放大器U6通过低通滤波器与模数转换电路2，模数转换电路2的输出端与处理电路1连接，处理电路1的输出端与气象探空仪6连接，处理电路1通过模数转换电路2接收微电流信号检测电路5输出的电压信号，并将所述电压信号传输到气象探空仪6内，以通过气象探空仪6将电压信号发送至地面接收设备。所述低通滤波器包括第一电阻R1，第一电阻R1的一端与斩波自稳零放大器U6的输出端连接，第一电阻R1的另一端通过第十三电容C13接地，第一电阻R1的另一端与模数转换电路2的输入端连接。

本发明实施例中，斩波自稳零放大器U6采用LTC1050的芯片，斩波自稳零放大器U6的负极电源端接地，斩波自稳零放大器U6的正极电源端与9V电压及第十一电容C11的一端连接，第十一电容C11的另一端接地。通过斩波自稳零放大器U6形成跨导电流/电压转换电路，利用斩波自稳零的特点，使得电路的零点输出稳定，无零点漂移带来的误差，输入偏置电流小于60pA。同时，采用斩波自稳零放大器U6具有较高的响应速度。

第二电阻R2为电路反馈电阻，第二电阻R2选用阻值为500k的高精度低温漂电阻，温漂小于25ppm/℃，故在0～40℃的电路工作温度范围内由此带来的输出信号最大漂移为0.1%。第十四电容C14用于输入信号的峰值保持，使跨导电流/电压转换电路具有峰值保持的特征，其峰值保持时间常数为0.5s，用于减小由于低采样速率造成的电流峰值检测误差。0～10μA的电流输入信号对应的跨导电流/电压转换电路输出为0～5V。同时跨导电流/电压转换电路具有较低的输入阻抗，其输入阻抗小于1kΩ。

跨导电流/电压转换电路输出信号经第一电阻R1和第十三电容C13构成的低通滤波器，所述低通滤波器的带宽为159Hz，用于滤除高频干扰信号。

所述模数转换电路2还与传感器温度检测电路4连接，处理电路1、模数转换电路2及传感器温度检测电路4与电压基准电路3连接。所述处理电路1还与电源电压检测电路7及气泵电机工作电流检测电路8连接。

模数转换电路2采用12位A/D模数转换芯片LTC1298，以将信号转换为数字信号，该芯片选用，实现两通道的12位的模数转换，非线性误差小于1个字。

电压基准电路3选用AD586提供5V基准电压VREF，用于给模数转换电路2提供电源基准和工作电压，AD586输出电压误差小于0.05%，温漂小于5ppm/℃，故在0～40℃的电路工作温度范围内由此带来的电路检测误差小于0.1%。

处理电路1采用8位单片机ATmega8A，使用SPI协议控制模数转换电路2，以在一个采样周期内进行模拟/数字信号的转换，同时将转换的数据以TTL电平的UART协议输出至气象探空仪6，最后发送至地面接收设备。

如图3所示：所述传感器温度检测电路4包括热敏电阻NTC，所述热敏电阻NTC的一端与第七电阻R7的一端及第三运算放大器U7C的同相端连接，热敏电阻NTC的另一端接地，第七电阻R7的另一端与电压基准电路AD586提供的5V基准电压VREF相连，第三运算放大器U7C的反相端与第三运算放大器U7C的输出端连接，且第三运算放大器U7C的输出端还与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端通过第十七电容C17接地；且第八电阻R8的另一端与模数转换电路2的输入端连接。图3中VREF是电压基准电路AD586提供的5V基准电压。

传感器温度检测电路4采用位于气泵附近的负温度系数热敏电阻NTC与第七电阻R7对基准电压分压，热敏电阻NTC的电压信号经运放第三运算放大器U7C跟随输出后通过第八电阻R8和第十七电容C17构成的低通滤波电路后，通过模数转换电路2变换成数字信号后，通过处理电路1传输到气象探空仪6内，通过气象探空仪6发送至地面接收设备。本发明实施例中，第三运算放大器U7C采用LM324AM的芯片。

如图5所示：所述电源电压检测电路7包括第二运算放大器U7B，所述第二运算放大器U7B的同相端与第四电阻R4的一端及第十电阻R10的一端连接，第十电阻R10的另一端接地，第四电阻R4的另一端与工作电源连接，第二运算放大器U7B的反相端与第二运算放大器U7B的输出端连接，第二运算放大器U7B的输出端与第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端通过第十八电容C18接地，且第九电阻R9的另一端与处理电路1的输入端连接。

所述电源电压信号power范围为10～18V，经过第四电阻R4、第十电阻R10和第二运算放大器U7B组成的电平转换电路转换为2.5～4.5V，滤波后由处理电路1内单片机集成的8位A/D模数转换电路变换成数字信号后，通过气象探空仪6发送至地面接收设备，以用于检测大气臭氧探空仪的工作状态。本发明实施例中，第二运算放大器U7B采用LM324AM的芯片。

如图4所示：所述气泵电机工作电流检测电路8包括第一运算放大器U7A，所述第一运算放大器U7A的同相端与第十六电容C16的一端及第三电阻R3的一端连接，第十六电容C16的另一端接地，第三电阻R3的另一端与第六电阻R6的一端及气泵电机PUMP连接，第六电阻R6的另一端接地；第一运算放大器U7A的反相端与第十九电容C19的一端、第十一电阻R11的一端及第十二电阻R12的一端连接，第十二电阻R12的另一端接地，第十九电容C19的另一端及第十一电阻R11的另一端均与第一运算放大器U7A的输出端连接，第一运算放大器U7A的输出端还与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端通过第十五电容C15接地，且第五电阻R5的另一端与处理电路1的输入端连接。

气泵电机工作电流检测过程中，气泵电机PUMP串联第六电阻R6进行分压，第六电阻R6的电压经过滤波去除电机工作时电流的交流成分，保留其直流平均值，经第一运算放大器放大器U7A放大到0～5V的范围内，再次滤波后由处理电路1内单片机集成的8位A/D模数转换电路变换成数字信号后，通过传输至气象探空仪6内，并由气象探空仪6发送至地面接收设备，以用于检测大气臭氧探空仪的工作状态。本发明实施例中，气象探空仪6为现有大气臭氧探空设备内的探测设备。本发明实施例中，第一运算放大器U7A采用LM324AM的芯片。

本发明通过微电流信号检测电路5与大气臭氧传感器连接，微电流信号检测电路1内包括斩波自稳零放大器U6，通过斩波自稳零放大器U6将大气臭氧传感器的微电流信号转换为电压信号，所述电压信号通过模数转换电路2转换为数字信号，并传输至处理电路1内，处理电路1通过气象探空仪6将检测的信号发送至地面接收设备，从而能实现对大气臭氧传感器输出的0～10μA微电流信号检测的分辨率为2.5nA，误差小于满量程的0.2%，能够满足大气臭氧探空仪信号检测的需要，结构简单紧凑，提高响应速度及检测精度，降低测量误差，适应范围广，安全可靠。

Claims

1.一种大气臭氧探空仪信号检测电路，其特征是：包括用于与大气臭氧传感器输出端连接的微电流信号检测电路（5），所述微电流信号检测电路（5）包括斩波自稳零放大器（U6），所述斩波自稳零放大器（U6）的反相端与大气臭氧传感器的输出端连接，斩波自稳零放大器（U6）的同相端接地，且斩波自稳零放大器（U6）的反相端通过第二电阻（R2）与所述斩波自稳零放大器（U6）的输出端连接，第二电阻（R2）的两端并联有第十四电容（C14）；斩波自稳零放大器（U6）的输出端与低通滤波器相连，斩波自稳零放大器（U6）通过低通滤波器将大气臭氧传感器输出的微电流信号转换为电压信号输出。

2.根据权利要求1所述的大气臭氧探空仪信号检测电路，其特征是：所述斩波自稳零放大器（U6）通过低通滤波器与模数转换电路（2），模数转换电路（2）的输出端与处理电路（1）连接，处理电路（1）的输出端与气象探空仪（6）连接，处理电路（1）通过模数转换电路（2）接收微电流信号检测电路（5）输出的电压信号，并将所述电压信号传输到气象探空仪（6）内，以通过气象探空仪（6）将电压信号发送至地面接收设备。

3.根据权利要求2所述的大气臭氧探空仪信号检测电路，其特征是：所述模数转换电路（2）还与传感器温度检测电路（4）连接，处理电路（1）、模数转换电路（2）及传感器温度检测电路（4）与电压基准电路（3）连接。

4.根据权利要求3所述的大气臭氧探空仪信号检测电路，其特征是：所述传感器温度检测电路（4）包括热敏电阻（NTC），所述热敏电阻（NTC）的一端与第七电阻（R7）的一端及第三运算放大器（U7C）的同相端连接，热敏电阻（NTC）的另一端接地，第三运算放大器（U7C）的反相端与第三运算放大器（U7C）的输出端连接，且第三运算放大器（U7C）的输出端还与第八电阻（R8）的一端连接，第八电阻（R8）的另一端通过第十七电容（C17）接地；且第八电阻（R8）的另一端与模数转换电路（2）的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的大气臭氧探空仪信号检测电路，其特征是：所述第二电阻（R2）的阻值为500K欧姆。

6.根据权利要求2所述的大气臭氧探空仪信号检测电路，其特征是：所述处理电路（1）还与电源电压检测电路（7）及气泵电机工作电流检测电路（8）连接。

7.根据权利要求6所述的大气臭氧探空仪信号检测电路，其特征是：所述电源电压检测电路（7）包括第二运算放大器（U7B），所述第二运算放大器（U7B）的同相端与第四电阻（R4）的一端及第十电阻（R10）的一端连接，第十电阻（R10）的另一端接地，第四电阻（R4）的另一端与工作电源连接，第二运算放大器（U7B）的反相端与第二运算放大器（U7B）的输出端连接，第二运算放大器（U7B）的输出端与第九电阻（R9）的一端连接，第九电阻（R9）的另一端通过第十八电容（C18）接地，且第九电阻（R9）的另一端与处理电路（1）的输入端连接。

8.根据权利要求6所述的大气臭氧探空仪信号检测电路，其特征是：所述气泵电机工作电流检测电路（8）包括第一运算放大器（U7A），所述第一运算放大器（U7A）的同相端与第十六电容（C16）的一端及第三电阻（R3）的一端连接，第十六电容（C16）的另一端接地，第三电阻（R3）的另一端与第六电阻（R6）的一端及气泵电机（PUMP）连接，第六电阻（R6）的另一端接地；第一运算放大器（U7A）的反相端与第十九电容（C19）的一端、第十一电阻（R11）的一端及第十二电阻（R12）的一端连接，第十二电阻（R12）的另一端接地，第十九电容（C19）的另一端及第十一电阻（R11）的另一端均与第一运算放大器（U7A）的输出端连接，第一运算放大器（U7A）的输出端还与第五电阻（R5）的一端连接，第五电阻（R5）的另一端通过第十五电容（C15）接地，且第五电阻（R5）的另一端与处理电路（1）的输入端连接。

9.根据权利要求2所述的大气臭氧探空仪信号检测电路，其特征是：所述处理电路（1）包括单片机，处理电路（1）通过UART与气象探空仪（6）连接。

10.根据权利要求2所述的大气臭氧探空仪信号检测电路，其特征是：所述模数转换电路（2）采用12位A/D转换芯片LTC1298。