CN106053930B - 一种抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量装置及方法。针对具有同步特征的微弱电流脉冲信号的强度测量，以典型的电荷灵敏前置放大器作为积分电路，包括高精度同步门控数据采集电路，降低并扣除随机噪声数据处理算法。本发明在积分电路中不设置开关电路，避免了注入电荷的影响，可用于法拉第探测器等微弱电流信号的同步测量；本发明在测量中不必等待积分电压输出稳定，而是可在放大器动态范围内的任意初值开始测量，具备实时性；本发明提供了同步测量方式与传统非同步测量方式的校正方法，并且可通过设置数据采集延迟时间参数和算法实现同步和非同步测量方式的自由切换。

Description

一种抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量装置及测量 方法

技术领域

本发明涉及质谱学领域中的离子探测器弱电流脉冲测量，具体涉及一种抗随机噪声的弱信号同步积分测量装置及测量方法。

背景技术

目前质谱仪器中常用法拉第杯离子探测器作为基本的离子探测手段，主要原因在于法拉第杯离子探测器对离子无歧视、线性度好、测试同位素比值精度高。为法拉第离子探测器配备的前置放大器、数据采集电路一般采用高增益低噪声前置放大器和高精度模数转换器，非同步数据采集。当面临周期性脉冲离子流的测量时，传统的非同步测量方法只能给出信号电流和噪声电流的总体平均值，不能区别非信号时段的噪声，而如果采用门控积分器，又面临门开关的注入电荷对积分电压的影响。

发明内容

为了解决现有非同步测量方法只能给出信号电流和噪声电流的总体平均值，不能区别非信号时段的噪声，而如果采用门控积分器，又面临门开关的注入电荷对积分电压的影响的技术问题，本发明提供一种抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量方法。

本发明的技术解决方案如下:

本发明所提供的抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量装置，包括积分电路、数据采集电路、数据累加器、可编程延迟脉冲发生器及计算机，所述积分电路用于对被测信号进行积分，其特殊之处在于：

所述积分电路不含门控开关；

所述的数据采集电路，其数据采集时刻受外部脉冲的控制，用于将模拟电压值转换为数字值；

所述数据累加器用于存储、累加所采集的数据，并按照设定程序发送给计算机；

所述可编程脉冲发生器根据计算机设定参数产生同步延迟脉冲，或产生非同步脉冲，用于控制模数转换器的数据采集；

所述计算机用于控制数据采集过程，对采集的数据进行实时处理，以获得期望的测试数据。

以上为本发明的同步积分测量装置的结构，其中的不含控制开关的积分电路，可采用以下结构形式：

第一种形式：积分器包括第一放大器A1、第二放大器A2、积分电容C_f、泄放电阻R_f、电阻R₁及电阻R₂,

所述第一放大器A1的正向输入端接地，第一放大器A1的反向输入端输入待测电流信号，所述积分电容C_f连接在第一放大器的反向输入端与输出端之间，所述泄放电阻R_f与积分电容C_f并联；

所述第二放大器A2的反向输入端通过电阻R₁与第一放大器A1的输出端连接，所述第二放大器A2的正向输入端接地，所述电阻R₂连接在第二放大器A2的反向输入端与输出端之间，所述第二放大器A2的输出端与数据采集电路的输入端连接。

第二种形式：积分器包括第一放大器A1、第二放大器A2、第三放大器A3、积分电容C_f、泄放电阻R_f、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃及电阻R₄,

所述第一放大器A1的正向输入端接地，第一放大器A1的反向输入端输入待测电流信号，第二放大器A2的正向输入端与第一放大器A1的输出端连接，第二放大器A2的反向输入端通过电阻R₃接地，所述电阻R₄设置在第二放大器A2的反向输入端与第二放大器A2的输出端之间，所述积分电容C_f设置在第一放大器A1的反向输入端与第二放大器A2的输出端之间，所述泄放电阻R_f与积分电容C_f并联；

所述第三放大器A3的反向输入端通过电阻R₁与第二放大器A2的输出端连接，所述第三放大器A3的正向输入端接地，所述电阻R₂连接在第三放大器A3的反向输入端与输出端之间，所述第三放大器A3的输出端与数据采集电路的输入端连接。

第三种形式：积分器包括第一放大器A1、第二放大器A2、第三放大器A3、积分电容C_f、泄放电阻R_f、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃及电阻R₄,

所述第一放大器A1的正向输入端输入待测电流信号，第一放大器A1的反向输入端接地，第二放大器A2的正向输入端接地，第二放大器A2的反向输入端通过电阻R₁与第一放大器A1的输出端连接，所述电阻R₂设置在第二放大器A2的反向输入端与第二放大器A2的输出端之间，所述积分电容C_f设置在第一放大器A1的正向输入端与第二放大器A2的输出端之间，所述泄放电阻R_f与积分电容C_f并联；

所述第三放大器A3的反向输入端通过电阻R₃与第二放大器A2的输出端连接，所述第三放大器A3的正向输入端接地，所述电阻R₄连接在第三放大器A3的反向输入端与输出端之间，所述第三放大器A3的输出端与数据采集电路的输入端连接。

上述三种积分电路均为常用的积分电路，其中第一种电路比较简单，但是对第一运算放大器的要求较高；第二、三种电路中的积分部分采用两个放大器，便于实现系统所需的高输入阻抗和带宽性能。

再进一步的，本发明的可编程脉冲延迟发生器的脉冲延迟时间可设置为为随机数或连续扫描，从而可以将采集方式变为非同步采集或同步时间扫描采集，从而实现同步测量方法与非同步测量方法的无缝切换。

本发明抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量方法，适用于外同步信号与被测脉冲信号具有稳定的延迟关系的系统，其特殊之处在于：

测试过程包括以下步骤：

1)积分

用积分电路对微弱电流脉冲信号进行积分，得到电压信号；

2)电压采集

外同步信号经可设置的延迟时间产生控制脉冲，控制ADC的数据采样时刻，对于任一周期，采集测量周期起始时刻的电压V_ak、信号结束后延迟tp时刻的电压V_bk，、周期末时刻的电压V_Tk；

3)计算

通过公式5-7计算得到任一周期的噪声电流i_nk、信号电流i_sk及累积电荷Qsk；

Q_sk＝i_sk·t_w (7)

其中：λ＝1/R_fC_f，C_f为积分电容，R_f表示泄放电阻；

T表示信号重复周期；

t_b＝t_s+t_w+t_p，t_s表示自同步起始到待测电流信号出现的时间延迟，t_w待测信号持续时间，t_p待测电流信号结束后的一小段延迟时间；

V_bk表示t_b时刻的电压；

V_Tk表示周期末的电压V_Tk

V_ak为t＝0时初始电压。

对于多周期测量，在步骤2之后进行步骤4与步骤5，

4)累加

对多个周期的起始时刻电压V_ak及t_b时刻输出电压V_bk分别进行累加得到累加电压保存并上报V_a1、V_ak、及

5)计算

通过公式8-10计算得到多个周期的平均噪声电流、平均信号电流及平均累积电荷；

为提高测量精度，本发明的测量方法还包括对公式6和公式9计算的电流进行校正的步骤，具体为：

当积分电路进入稳态后，通过采用非同步采样对周期性电压信号进行遍历性采样，得到输入电流的总的均值；

设同步测量得到的电流均值与实际信号电流的期望值存在系数g_s，则利用如下关系式求得系数值g_s；

其中，为同步测量的信号电流均值、i_nsyn为同步测量噪声电流均值、为非同步测量的综合电流均值。

该系数值可对同步测量模式中得到的测试数据进行校正。

本发明与现有技术相比，优点是：

本发明采用常规的电荷灵敏前置放大器作为积分器，积分电路中无开关，通过反馈电阻放电，避免了开关注入电荷的影响，同时在采集数据上采用门控数据采集方式，利用算法校正得到离子流强度的期望值。由于在方法上测量积分前后两点的数据，避免了随机噪声对测量的影响。同时本发明的数据采集和处理具有实时性，不必等待积分器输出电压进入稳态，从而十分适用于快速质量扫描和跳峰测量模式。

附图说明

图1-1、图1-2、图1-3分别为三种积分电路示意图；

图2同步积分测量装置结构示意图；

图3非稳态同步数据采集波形示意图；

图4稳态非同步采集波形示意图。

具体实施方式

以下结合本发明的基本原理对本发明进行详细说明。

对于周期性的来自探测器的电流信号，假设信号重复周期为T，以任选时刻为时间坐标零点，延迟t_s后出现感兴趣的电流信号，其持续时间设为t_w。在任一第k周期内的t_w时间范围，信号电流强度一般为一先增大后减小的时域波形。由于我们仅关心电流的累积电荷Q_sk，为简单起见，将电流信号i_sk视为累积电荷在t_w范围内的平均值。而在整个周期内，噪声电流i_nk保持不变，由此可用如下的函数表示电流信号：

其中k＝0,1,2,...代表第k周期数。

对于如图1的积分电路，其电压随时间变化的微分方程为：

其中，λ＝1/R_fC_f，C_f为积分电容。

在第k周期内，设t＝0时初始电压为V_ak，则输出电压可按时间分为三段表示：

其中，用V_sk表示t＝t_s时的电压，V_wk表示t＝t_s+t_w时的电压。

消去中间电压V_sk、V_wk，并用V_bk表示t_b＝t_s+t_w+t_p时的电压，其中0<t_p<T-t_s-t_w，则t_b时刻输出电压V_bk与初始电压V_ak的的关系为：

由于上式中含有噪声电流，可利用本周期末的电压V_Tk(实际等于下一周期的起始电压V_a(k+1))和V_b(t＝t_b)之间不含有信号电流的特点，求出i_nk。

利用式(3)、(4)，可得到噪声电流、信号电流以及累积电荷的表达式：

Q_sk＝i_sk·t_w (7)

式(5)、(6)、(7)说明，对于任一周期，通过测量三个时刻的电压，即周期起始时刻、信号结束后延迟t_p，以及周期结束时刻，可计算得到该周期内噪声、信号各自的平均电流强度。显然该算法每个周期仅代表该周期内的信号强度。这一特点也同时表明，当感兴趣的电流脉冲是非周期性，但相对外同步脉冲具有严格延迟关系时，仍可用上述的公式计算。

本发明提出采用同步数据采集卡，分别测量相对同步脉冲一定延迟的一组电压，通过上述公式可得到感兴趣的信号累积电荷。对于所需的积分器而言，由于输入端不含有常规积分电路配置的模拟开关，完全避免了开关注入电荷对积分结果的影响，对于提高测试系统对脉冲弱电流信号的检测能力非常重要。受数据采集卡采样时间、信号相对同步源延迟时间晃动的影响，测试中t_s、t_p设置为0并不是不现实的，而应选择相对较小的值，主要保证数据采集电路中采样器在积分器电压缓变时采样，而不是在输出电压变化率较大的信号积分期间采样。可通过测试数据，以使V_bk-V_ak差最大并适当展宽为选择t_s、t_p的依据。

多周期测量：

对于数据精度要求高的情况，需利用较长时间进行多周期测量，得到累积电荷并求平均。对于具有固定周期的信号和噪声电流，实际上只需每周期测量V_ak和V_bk两个数据。如完成k+1次数据采集，对于噪声电流和信号电流，利用式(5)、(6)的线性特征，多周期测量的均值可表示为：

信号累积电荷的均值为：

根据上式，在数据采集中，采集卡需保存并向计算机上报的数据为：V_a1、V_a(k+1)、 而其它参数如t_w、t_p、t_b等可根据脉冲发生器的设置参数和积分器的输出信号的实际参数给出。

稳态情况

很显然，无论积分器的初始电压如何，如果信号和噪声电流保持不变并持续足够长的时间，积分器的输出将呈现在一定直流电压附近上下波动并周期性重复的情况。因为各周期的噪声电流和信号电流不变，为简化，将式(1)表示为：

由式(3)、(4)，并令t_s＝0、t_p＝0，在周期性重复的情况下，本周期末的电压V_Tk等于起始电压V_ak，从而可求出输出波形电压的高、低两个极值：

由此，可写出输出电压的两段式表示式：

对电压V在(0,T)范围内积分并求平均即可得到信号和噪声电流的平均值，积分结果如下：

由此可知，在电路进入稳态时，通过测量输出电压的均值可得到输入电流信号和噪声的综合平均值。对于本发明所使用的硬件电路，在实际的数据采集时，可采用非同步采样或同步扫描延迟时间的方式实现对周期性电压信号的遍历性采样，从而得到输入电流的均值。

其中V_m为非同步采集的电压值，m应取较大值。

对于稳态输出波形，通过同步采集方式，如式(8)、(9)，同样可分别得到i_n、i_s的平均值。

由式(12)、(13)可知，在稳态情况下，采用非同步测量方法得到的含噪声电流的均值与本发明提出的同步测量方法得到的结果是完全一致的。

如前所述，本发明用t_w时间宽度的等效矩形波来近似信号电流脉冲，这一近似可能导致式(6)、(9)计算的电流值与实际电流出现微小差异，这一差异在高精度同位素分析时可能带来一定的偏差。而对于非同步测量，由于其严格的线性和平均特征，不存在测试偏差的问题。为了校正同步测量的这一偏差，可利用稳态条件下的非同步测量数据进行校正。设同步测量得到电流均值与实际信号电流的期望值存在系数g_s，则可利用如下关系式进行系数校正。

其中，i_nsyn、分别为同步测量的信号电流均值、同步测量噪声电流均值、非同步测量的综合电流均值。

在实际测量中，可通过设置数据采集卡的同步脉冲延迟时间为随机数或连续扫描，将采集方式变为非同步采集，从而实现两种测量方法的无缝切换。

以激光共振电离质谱仪的离子探测系统为例，由于共振电离是ns级激光脉冲所激发的，共振电离的离子信号到达法拉第探测后，探测器的输出电流是脉冲式的。而噪声主要由非共振电离方式产生，其随时间缓慢变化，属于需要屏蔽的部分。利用本发明的多周期同步采集方式，可同时得到信号电流和噪声电流的数据，从而对于提高系统的信噪比，使仪器的选择性指标得到进一步提高。

Claims (8)

1.一种抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量装置，包括积分电路、数据采集电路、数据累加器、可编程延迟脉冲发生器及计算机，所述积分电路用于对被测信号进行积分，其特征在于：

所述积分电路是不含门控开关的；

所述的数据采集电路，其数据采集时刻受外部脉冲的控制，用于将模拟电压值转换为数字值；

所述数据累加器用于存储、累加所采集的数据，并按照设定程序发送给计算机；

所述可编程脉冲发生器根据计算机设定参数产生同步延迟脉冲，或产生非同步脉冲，用于控制模数转换器的数据采集；

所述计算机用于控制数据采集过程，对采集的数据进行实时处理，以获得期望的测试数据。

2.根据权利要求1所述的抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量装置，其特征在于：

所述积分电路包括第一放大器A1、第二放大器A2、积分电容C_f、泄放电阻R_f、电阻R₁及电阻R₂,

所述第一放大器A1的正向输入端接地，第一放大器A1的反向输入端输入待测电流信号，所述积分电容C_f连接在第一放大器的反向输入端与输出端之间，所述泄放电阻R_f与积分电容C_f并联；

所述第二放大器A2的反向输入端通过电阻R₁与第一放大器A1的输出端连接，所述第二放大器A2的正向输入端接地，所述电阻R₂连接在第二放大器A2的反向输入端与输出端之间，所述第二放大器A2的输出端与数据采集电路的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量装置，其特征在于：

所述积分电路包括第一放大器A1、第二放大器A2、第三放大器A3、积分电容C_f、泄放电阻R_f、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃及电阻R₄,

所述第一放大器A1的正向输入端接地，第一放大器A1的反向输入端输入待测电流信号，第二放大器A2的正向输入端与第一放大器A1的输出端连接，第二放大器A2的反向输入端通过电阻R₃接地，所述电阻R₄设置在第二放大器A2的反向输入端与第二放大器A2的输出端之间，所述积分电容C_f设置在第一放大器A1的反向输入端与第二放大器A2的输出端之间，所述泄放电阻R_f与积分电容C_f并联；

所述第三放大器A3的反向输入端通过电阻R₁与第二放大器A2的输出端连接，所述第三放大器A3的正向输入端接地，所述电阻R₂连接在第三放大器A3的反向输入端与输出端之间，所述第三放大器A3的输出端与数据采集电路的输入端连接。

4.根据权利要求1所述的抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量装置，其特征在于：

所述积分电路包括第一放大器A1、第二放大器A2、第三放大器A3、积分电容C_f、泄放电阻R_f、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃及电阻R₄,

所述第一放大器A1的正向输入端输入待测电流信号，第一放大器A1的反向输入端接地，第二放大器A2的正向输入端接地，第二放大器A2的反向输入端通过电阻R₁与第一放大器A1的输出端连接，所述电阻R₂设置在第二放大器A2的反向输入端与第二放大器A2的输出端之间，所述积分电容C_f设置在第一放大器A1的正向输入端与第二放大器A2的输出端之间，所述泄放电阻R_f与积分电容C_f并联；

所述第三放大器A3的反向输入端通过电阻R₃与第二放大器A2的输出端连接，所述第三放大器A3的正向输入端接地，所述电阻R₄连接在第三放大器A3的反向输入端与输出端之间，所述第三放大器A3的输出端与数据采集电路的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量装置，其特征在于：

所述可编程脉冲延迟发生器的脉冲延迟时间为随机数或连续扫描。

6.一种抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量方法，适用于外同步信号与被测脉冲信号具有稳定的延迟关系的系统，特征在于：

测试过程包括以下步骤：

1)积分

用积分电路对微弱电流脉冲信号进行积分，得到电压信号；

2)电压采集

外同步信号经可设置的延迟时间产生控制脉冲，控制ADC的数据采样时刻，对于任一周期，采集测量周期起始时刻的电压V_ak、信号延迟tp时刻的电压V_bk、周期末时刻的电压V_Tk；

3)计算

通过公式5-7计算得到任一周期的噪声电流i_nk、信号电流i_sk及累积电荷Q_sk；

Q_sk＝i_sk·t_w (7)

其中：λ＝1/R_fC_f，C_f为积分电容，R_f表示泄放电阻；

T表示信号重复周期；

t_b＝t_s+t_w+t_p，t_s表示自同步起始到待测电流信号出现的时间延迟，t_w待测信号持续时间，t_p待测电流信号结束后的一小段延迟时间；

V_bk表示t_b时刻的电压；

V_Tk表示周期末的电压V_Tk；

V_ak为t＝0时初始电压。

7.根据权利要求6所述的抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量方法，其特征在于：

对于多周期测量，在步骤2之后进行步骤4与步骤5，

4)累加

对多个周期的起始时刻电压V_ak及t_b时刻输出电压V_bk分别进行累加得到累加电压保存并上报V_a1、V_ak、及

5)计算

通过公式8-10计算得到多个周期的平均噪声电流、平均信号电流及平均累积电荷；

8.根据权利要求6或7所述的抗随机噪声的无开关弱信号同步积分测量方法，其特征在于：

还包括对公式6和公式9计算的电流进行校正的步骤，具体为：

当积分电路进入稳态后，通过采用非同步采样对周期性电压信号进行遍历性采样，得到输入电流的总的均值；

设同步测量得到的电流均值与实际信号电流的期望值存在系数g_s，则利用如下关系式求得系数值g_s；

其中，为同步测量的信号电流均值、i_nsyn为同步测量噪声电流均值、为非同步测量的综合电流均值；

该系数值可对同步测量模式中得到的测试数据进行校正。