CN104181138B - 一种浮游植物荧光信号检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种荧光信号检测电路，尤其是一种浮游植物的荧光信号检测电路。本发明公开了的一种宽量程、高精度的浮游植物的荧光信号检测电路，包括光电倍增管采集电路、模拟信号处理电路和数字处理电路，浮游植物的荧光信号通过模拟信号处理电路中的多路增益不同运算放大器进行处理，增大了浮游植物荧光信号的测量量程，之后每一路运算放大器均通过一个模拟数字信号转换器进行模拟数字转换，最后将模拟数字信号转换器处理后的数值送入数字处理电路进行数据处理得出精度较高的浮游植物的荧光信号。本发明的浮游植物荧光信号检测电路，能够实现对浮游植物荧光信号高精度宽量程的检测。

Description

一种浮游植物荧光信号检测电路

技术领域

本发明涉及一种荧光信号检测电路，尤其是一种浮游植物的荧光信号检测电路。

背景技术

传统的荧光信号检测电路是利用光电倍增管采集电路将荧光信号放大，再通过模拟电路的处理后送入高精度的模拟数字信号转换器(以下均简称为AD转换器)实现了采集荧光信号的高精度数字化。这种电路的数字化精度取决于高精度的AD转换器，由于单个AD转换器有效的输入模拟信号范围有限，因此限制了模拟信号处理电路的输出信号，进而影响到该电路输入的荧光信号的检测精度。例如专利CN 201569629 U中提出的一种用于维生素荧光检测的信号处理电路中就是使用单个的AD转换器。同时由于系统对高精度的要求，选择的高精度AD转换器件的转换位数通常在24bit以上，这类的AD转换器精度高，而且电路的实际能分辨的电压或电流值过低，对模拟信号的设计要求较高，模拟电路器件本身的一些干扰容易引入噪声影响到实际的采集精度。

传统的浮游植物荧光检测电路的检测方法类似于上述维生素荧光检测的信号处理电路的形式，使用传统的荧光信号检测电路来进行浮游植物荧光信号检测无法满足对浮游植物(浮游植物类型繁多，体型大小差异度很大)的荧光信号质量的较高要求，其对变化达到几个量级荧光信号响应度很低，只有落入有效检测范围的信号才能实现高精度信号检测，经常发生检测值过低或超出检测值的现象。并且由于现场浮游植物荧光的不可重现性(不同于其他采用容器静态检测方式，现场浮游植物荧光检测只能采用流动海水持续流入并实时检测的方式)，使得采用传统的荧光信号检测电路进行浮游植物荧光检测更容易产生了漏检的情况。

发明内容

针对上述现有技术，本发明解决的技术问题是提供一种浮游植物荧光信号检测电路，这种电路提高了对浮游植物荧光信号的检测精度更高并且测量的量程更宽。

为解决上述问题，本发明的浮游植物荧光信号检测电路包括：光电倍增管采集电路、模拟信号处理电路和数字处理电路。

所述的光电倍增管采集电路采集浮游植物荧光信号后传递给模拟信号处理电路；

所述的模拟信号处理电路包括：运算放大电路和模拟数字信号转换电路；所述的运算放大电路由两级运算放大电路构成，第一级运算放大电路将光电倍增管采集电路输入的电流信号转换为电压信号并放大后传递给第二级运算放大电路，所述的第二级运算放大电路是由n个并行的运算放大电路组成，且n个运算放大电路的增益分别为f1～fn，n个运算放大电路分别各自将第一级运算放大电路传递的电压信号进行不同增益的线性放大；所述的第二级运算放大电路中的n个并行运算放大电路输出均与模拟数字信号转换电路连接；所述的模拟数字信号转换电路由n个模拟数字信号转换器构成，分别将第二级运算放大电路中的n个并行运算放大电路传递的信号进行模拟数字信号转换，n个模拟数字信号转换器的n个模拟数字信号转换值为AD1～ADn，数字处理电路读取n个模拟数字信号转换值后进行数据处理；

所述的数字处理电路运用加权平均算法对n个模拟数字信号转换值进行处理，所述的数字处理电路根据n个模拟数字信号转换器转换的n个模拟数字信号转换值的数值大小确定不同的权重大小k1～kn，则该浮游植物荧光信号检测电路最终得到的结果为：

$\mathrm{AD}=\frac{k_1\×\frac{{\mathrm{AD}}_1}{f_1}+k_2\×\frac{{\mathrm{AD}}_2}{f_2}+k_3\×\frac{{\mathrm{AD}}_3}{f_3}+...+k_{n-1}\×\frac{{\mathrm{AD}}_{n-1}}{f_{n-1}}+k_n\×\frac{{\mathrm{AD}}_n}{f_n}}{k_1+k_2+k_3+...+k_{n-1}+k_n}.$

该方案通过第二级运算放大电路中并行的n个运算放大电路形成的n个信号处理通道扩大了信号的可检测范围，可以根据系统性能指标的需求决定这n个运算放大电路的个数和这n个运算放大电路的放大倍数。同时由于每个信号处理通的处理范围相对有限，对AD转换器的要求降低，降低了AD转换器的成本。现场浮游植物荧光信号具有不可预测性和不可重现性的特点，采用该技术方案可以大大增强现场浮游植物荧光信号的检测范围，并实现在检测范围内的高精度检测。

作为本发明的进一步改进，所述的浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：将m个模拟信号处理电路与数字处理电路相连，可以检测m个波段的浮游植物荧光信号。

作为本发明的进一步改进，所述的浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：每个模拟信号处理电路中运算放大电路和模拟数字信号转换电路是采用相同的电路结构及元件参数。

作为本发明的进一步改进，所述的浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：每一个模拟数字信号转换器后连接锁存电路，再由数字处理电路读取锁存电路上的数值进行数据处理。

作为本发明的进一步改进，所述的浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：所述的锁存芯片采用74HC573。

作为本发明的进一步改进，所述的浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：所述的运算放大电路采用的芯片为AD706，所述的模拟数字信号转换器采用的芯片为ADS8323。

作为本发明的进一步改进，所述的浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：所述的模拟数字信号转换电路连接至同一个基准源电路和同一个晶振电路，所述的锁存电路连接至同一个寻址电路。

附图说明

图1是本发明的电路结构图。

图2是本发明的第一种实施例的结构示意图。

图3A是本发明的第二种实施例的第一部分电路结构示意图。

图3B是本发明的第二种实施例的第二部分电路结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明的浮游植物荧光信号检测电路的电路结构示意图如图1所示，包括：光电倍增管采集电路20、模拟信号处理电路和数字处理电路30。

所述的光电倍增管采集电路20采集浮游植物荧光信号后传递给模拟信号处理电路；

所述的模拟信号处理电路包括：运算放大电路和模拟数字信号转换电路；所述的运算放大电路由两级运算放大电路构成，第一级运算放大电路将光电倍增管采集电路输入的电流信号转换为电压信号并放大，第二级运算放大电路是由n个并行的运算放大电路组成，且n个运算放大电路的增益分别为f1～fn；所述的第二级运算放大电路中的n个并行运算放大电路与模拟数字信号转换电路连接；所述的模拟数字信号转换电路由n个AD转换器构成，分别与第二级运算放大电路中的n个并行运算放大电路相连，n个AD转换器的n个AD转换值为AD1～ADn，模拟数字信号转换电路与数字处理电路30连接；所述的数字处理电路30通过一定的算法将n个AD转换值转换为合适的转换结果；所述的数字处理电路30运用加权平均算法对n个AD转换值进行处理，所述的数字处理电路30根据n个AD转换器转换的n个AD转换值的数值大小确定不同的权重大小k1～kn，则该浮游植物荧光信号检测电路最终得到的结果为：

$\mathrm{AD}=\frac{k_1\×\frac{{\mathrm{AD}}_1}{f_1}+k_2\×\frac{{\mathrm{AD}}_2}{f_2}+k_3\×\frac{{\mathrm{AD}}_3}{f_3}+...+k_{n-1}\×\frac{{\mathrm{AD}}_{n-1}}{f_{n-1}}+k_n\×\frac{{\mathrm{AD}}_n}{f_n}}{k_1+k_2+k_3+...+k_{n-1}+k_n}.$

所述的数字处理电路30中权重大小的确定，若某个AD转换值在n个AD转换值中的数值最大且没有超出最大转换值的上限，说明当前赤潮荧光信号经过这一路的运算放大电路增益的处理后最适合AD转换器的转换，那么该路赤潮荧光信号的权重最大；若某个AD转换值在n个AD转换值中的数值最小，说明当前赤潮荧光信号经过这一路的运算放大电路增益的处理后不适合AD转换器的转换；若AD转换值超出AD转换器的转换上限，则说明这一路的运算放大电路增益超出了AD转换器的转换范围，那么该路赤潮荧光信号的权重设为0。

实施例1：

基于上述放大器电路原理及工作方式，本发明优选一个更加具体的优选实施例来进一步说明本发明的实现方式如图2所示，作为一个更加具体的优选实施例，包括光电倍增管采集电路20、模拟信号处理电路、锁存电路和数字处理电路30(图2中未标示)、基准源电路40、晶振电路41、寻址电路42。

所述的光电倍增管采集电路20与模拟信号处理电路相连；

所述的模拟信号处理电路由两级运算放大电路和模拟数字信号转换电路112构成，所述的第一级运算放大电路由运算放大电路101构成，第一级运算放大电路101将光电倍增管采集电路20输入的电流信号转换为电压信号，第二级运算放大电路由运算放大电路1021、运算放大电路1022、运算放大电路1023并行组成，假如：运算放大电路1021的增益为f1＝1/20、运算放大电路1022的增益为f2＝1、运算放大电路1023的增益为f3＝20，这样第二级运算放大电路就各自分别将原本第一级运算放大电路转换的信号向上和向下各增加了20倍的检测范围，所述的运算放大电路均选用高精度、低温漂的AD706芯片；所述的模拟数字信号转换电路112由AD转换器电路1121、AD转换器电路1122、AD转换器电路1123构成，AD转换器电路1121的转换值为AD1、AD转换器电路1122的转换值为AD2、AD转换器电路1123的转换值为AD3，运算放大电路1021与AD转换器电路1121相连，运算放大电路1022与AD转换器电路1122相连，运算放大电路1023与AD转换器电路1123相连；所述的AD转换器电路均采用ADS8323芯片；AD转换器电路1121、AD转换器电路1122和AD转换器电路1123均与基准源电路40相连，保证每一个AD转换器的基准电压是一致的，将AD转换器电路1121的时钟信号引脚clock、AD转换器电路1122的时钟信号引脚clock及AD转换器电路1123的时钟信号引脚clock连接在一起后接入晶振电路41，保证3个AD转换电路采用稳定且相同的时钟源，AD转换器电路1121、AD转换器电路1122和AD转换器电路1123均由数字处理电路30控制开启。由于该实施例中的模拟信号处理电路中运算放大电路和模拟数字信号转换电路是采用相同的电路结构及元件参数，从而可以保证模拟信号传输的时延一致性。

所述的锁存电路由三组锁存电路组成，分别为锁存电路501、锁存电路502和锁存电路503，每一组锁存电路均包括两个锁存芯片；AD转换电路1121与锁存电路501相连，AD转换电路1122与锁存电路502相连，AD转换电路1123与锁存电路503相连；所述的锁存电路将模拟数字信号转换电路中的AD转换值锁存；所述的锁存电路501、锁存电路502和锁存电路503的使能端均与寻址电路42相连；然后再由数字处理电路30通过寻址电路42对三组锁存电路的寻址控制依次读取三组锁存电路的锁存值后进行数据处理。

所述的数字处理电路30(图中未画出)的控制输出端口与图2中的端口AD_CS、AD_RD、AD_CONVED、AD_SEL_0、AD_SEL_1、AD_SEL_2连接，其信号输入端口则与图2中的端口AD_BUS及16位的并行总线端口AD_[15.0]连接，数字处理电路30用于对上述读取n个AD信号转换值后进行数据处理(主要是运算处理)及对上述信号采集的过程进行控制，可采用现有技术的控制处理电路及装置实现，如微机控制电路、个人计算机(PC)、平板电脑(PAD)等等。数字处理电路30是采用加权平均算法对读取的AD转换值进行数据处理。例如：第一个模拟通道中电路的增益f1＝510/10K＝0.051；第二个模拟通道中电路的增益为f2＝1；第三个模拟通道中电路的增益为f3＝10K/510＝19.6，则数字处理电路30中所采用的加权指数设为k1：k2：k3＝9:0.8:0.2，权重的定义以三个AD转换器电路的AD转换值的大小来决定，如果AD转换值最大，说明当前赤潮荧光信号经过第二级运算放大电路中的这一路的运算放大电路增益处理后最适合AD转换器的转换，那么该路赤潮荧光信号的权重，说明赤潮荧光信号在对应模拟通道的处理最为合适，该数值最为准确，选取权重为n1＝9；AD转换结果次大的权重为n2＝0.8；转换结果最小的说明荧光信号的对这个通道的效果较差，权重最小，为n3＝0.2。

当三个AD转换值大小为：AD1>AD2>AD3，那么数字处理电路30处理后得到的结果为：

$\mathrm{AD}=\frac{k1\×\frac{\mathrm{AD}1}{f1}+k2\×\frac{\mathrm{AD}2}{f2}+k3\×\frac{\mathrm{AD}3}{f3}}{k1+k2+k3}$

当三个AD转换值大小为：AD1>AD3>AD2，那么数字处理电路30处理后得到的结果为：

$\mathrm{AD}=\frac{k1\×\frac{\mathrm{AD}1}{f1}+k3\×\frac{\mathrm{AD}2}{f2}+k2\×\frac{\mathrm{AD}3}{f3}}{k1+k2+k3}$

当三个AD转换值大小为：AD2>AD1>AD3，那么数字处理电路30处理后得到的结果为：

$\mathrm{AD}=\frac{k2\×\frac{\mathrm{AD}1}{f1}+k1\×\frac{\mathrm{AD}2}{f2}+k3\×\frac{\mathrm{AD}3}{f3}}{k1+k2+k3}$

当三个AD转换值大小为：AD2>AD3>AD1，那么数字处理电路30处理后得到的结果为：

$\mathrm{AD}=\frac{k3\×\frac{\mathrm{AD}1}{f1}+k1\×\frac{\mathrm{AD}2}{f2}+k2\×\frac{\mathrm{AD}3}{f3}}{k1+k2+k3}$

当三个AD转换值大小为：AD3>AD1>AD2，那么数字处理电路30处理后得到的结果为：

$\mathrm{AD}=\frac{k2\×\frac{\mathrm{AD}1}{f1}+k3\×\frac{\mathrm{AD}2}{f2}+k1\×\frac{\mathrm{AD}3}{f3}}{k1+k2+k3}$

当三个AD转换值大小为：AD3>AD2>AD1，那么数字处理电路30处理后得到的结果为：

$\mathrm{AD}=\frac{k3\×\frac{\mathrm{AD}1}{f1}+k2\×\frac{\mathrm{AD}2}{f2}+k1\×\frac{\mathrm{AD}3}{f3}}{k1+k2+k3}$

实施例2：

优选的，如图3A和图3B所示，作为本发明的进一步改进，实施例1中的浮游植物荧光信号检测电路多增加第二路浮游植物荧光信号检测电路，所述的第二路浮游植物荧光信号检测电路由模拟信号处理电路、光电倍增管采集电路20和锁存电路构成。所述的模拟信号处理电路由两级运算放大电路和模拟数字信号转换电路构成,第一级运算放大电路由运算放大电路101’构成，第二级运算放大电路由运算放大电路1021’、运算放大电路1022’、运算放大电路1023’并行构成；所述的模拟数字信号转换电路112’由AD转换器电路1121’、AD转换器电路1122’、AD转换器电路1123’构成。该实施例所述的第二路浮游植物荧光信号检测电路的连接方式与实施例1相同，该实施例所述的第二路浮游植物荧光信号检测电路与实施例1使用共同的数字处理电路30、基准源电路40、晶振电路41和寻址电路42；则该实施例的电路可以对浮游植物的两个波段荧光信号进行检测。

以上所列举的2个实施例中的浮游植物检测电路的电路形态除了上述实施例中的结构外还可以有其它形式的设计方法，比如所述的运算放大电路的芯片采用AD8622芯片等，所述的AD转换器采用AD1380芯片，所述的锁存器采用74HC563芯片、M54HC573芯片等数字处理电路30。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种浮游植物荧光信号检测电路包括：光电倍增管采集电路、模拟信号处理电路和数字处理电路；

所述的光电倍增管采集电路采集浮游植物荧光信号后传递给模拟信号处理电路；

所述的模拟信号处理电路包括：运算放大电路和模拟数字信号转换电路；所述的运算放大电路由两级运算放大电路构成，第一级运算放大电路将光电倍增管采集电路输入的电流信号转换为电压信号并放大后传递给第二级运算放大电路，所述的第二级运算放大电路是由n个并行的运算放大电路组成，且n个运算放大电路的增益分别为f1～fn，n个运算放大电路分别各自将第一级运算放大电路传递的电压信号进行不同增益的线性放大；所述的第二级运算放大电路中的n个并行运算放大电路输出均与模拟数字信号转换电路连接；所述的模拟数字信号转换电路由n个模拟数字信号转换器构成，分别将第二级运算放大电路中的n个并行运算放大电路传递的信号进行模拟数字信号转换，n个模拟数字信号转换器的n个模拟数字信号转换值为AD1～ADn，数字处理电路读取n个模拟数字信号转换值后进行数据处理；

所述的数字处理电路运用加权平均算法对n个模拟数字信号转换值进行处理，所述的数字处理电路根据n个模拟数字信号转换器转换的n个模拟数字信号转换值的数值大小确定不同的权重大小k1～kn，则该浮游植物荧光信号检测电路最终得到的结果为：

$AD=\frac{k_1\×\frac{{\mathrm{AD}}_1}{f_1}+k_2\×\frac{{\mathrm{AD}}_2}{f_2}+k_3\×\frac{{\mathrm{AD}}_3}{f_3}+...+k_{n-1}\×\frac{{\mathrm{AD}}_{n-1}}{f_{n-1}}+k_n\×\frac{{\mathrm{AD}}_n}{f_n}}{k_1+k_2+k_3+...+k_{n-1}+k_n}.$

2.根据权利要求1所述的一种浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：将m个光电倍增管采集电路分别和m个模拟信号处理电路相连后接入数字处理电路中，可以检测m个波段的浮游植物荧光信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：每个模拟信号处理电路中运算放大电路和模拟数字信号转换电路是采用相同的电路结构及元件参数。

4.根据权利要求1或2所述的一种浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：在每一个模拟数字信号转换器后连接锁存电路，再由数字处理电路读取锁存电路上的数值进行数据处理。

5.根据权利要求4所述的一种浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：所述的锁存电路的芯片采用74HC573。

6.根据权利要求1或2所述的一种浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：所述的运算放大电路采用的芯片为AD706，所述的模拟数字信号转换器采用的芯片为ADS8323。

7.根据权利要求4所述的一种浮游植物荧光信号检测电路，其特征在于：所述的模拟数字信号转换电路连接至同一个基准源电路和同一个晶振电路，所述的锁存电路连接至同一个寻址电路。