CN106556580A - 一种叶绿素荧光检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种应用于快速检测水中的叶绿素含量的叶绿素荧光检测电路，该电路对激发光进行了调制，消除了热噪声、散粒噪声等外界光线对荧光的干扰，提高了系统的精度；对小信号放大处理，大大提高了信号的信噪比，能够满足对微弱荧光信号的检测。其中在电路部分所有电子元件选用贴片封装，不仅降低了成本，而且减少了元器件引脚带来的干扰；前置放大反馈电阻在满足通频带宽和信号范围的情况下取较大的值提高系统的信噪比，同时对运放反向端加入限流电阻对运放保护，保证系统的稳定性。整个电路设计具有增益容易调整、输入阻抗高、输出阻抗低，参数容易选取等特点，对荧光微弱信号低噪声、高精度稳定检测具有实际的借鉴意义。

Description

一种叶绿素荧光检测电路

技术领域

本发明涉及一种叶绿素荧光检测电路，适用于需要快速检测水中的叶绿素含量来预测水质污染的场合中。

背景技术

水中叶绿素浓度可作为水体富营养的跟踪指示器，快速检测水中的叶绿素含量可以预警水质污染。已有的水体叶绿素浓度测量方法有很多种，比较常用的有高性能液相色谱法、分光光度法、遥感法。这些方法都属于实验室方法，存在工作量大、干扰因素多、数据资料少、灵敏度低等问题。相比之下，荧光测定的方法是利用一定波长的LED光照射叶绿素溶液后，激发出峰值波长在一定范围的荧光信号，所得荧光强度与叶绿素浓度有关。在较低的浓度情况下，通过大量的试验可以找出荧光强度与叶绿素浓度之间的对应关系，从而很方便地检测出叶绿素浓度。但是叶绿素溶液受激发后所产生的荧光，一般具有荧光强度微弱或荧光寿命短以及荧光效率不高的缺陷，现有的荧光检测方法由于荧光强度较弱、且寿命较短的原因，检测效率较低、易受外界的干扰、信噪比较低，因此在荧光检测系统的开发中，为了有效提取荧光信号，设计合理的低噪声、高信噪比的微弱荧光检测电路对提高系统的性能具有重要作用。

发明内容

为了克服现有的荧光检测方法检测效率较低、易受外界干扰、信噪比较低的缺点，提高叶绿素荧光检测电路的抗噪性能、设计合理的低噪声、高信噪比的微弱荧光检测电路，根据叶绿素溶液受激发产生荧光的特性，本发明设计了一种应用于快速检测叶绿素的微弱荧光检测电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

在叶绿素荧光检测电路中设计了重要的四个部分：光路通道、前置放大电路，带通滤波器和后级放大电路模块。首先对激发光进行了调制，消除了热噪声、散粒噪声等外界光线对荧光的干扰，提高了系统的精度；其次对小信号放大处理，大大提高了信号的信噪比，能够满足对微弱荧光信号的检测。

其中前置放大电路选用了以FET作为输入级的低偏置10^-15 A、高输入阻抗、高增益的精密运放OPAl28做前置放大。可以使得电路结构简单、输出阻抗高、输出电压误差减小，同时设计了压控电压源二阶带通滤波电路，具有增益容易调整、输入阻抗高、输出阻抗低，参数容易选取等特点。后级放大电路中选择低输入失调电压的运放，采用的反向比例放大电路可以降低输入信号的共模干扰。

本发明的有益效果是：本发明在电路部分所有电子元件选用贴片封装，不仅降低了成本，而且减少了元器件引脚带来的干扰；激发光进行调制减少了可见光和光电管低频噪声的干扰；前置放大反馈电阻在满足通频带宽和信号范围的情况下取较大的值提高系统的信噪比，同时对运放反向端加入限流电阻对运放保护，保证系统的稳定性。本发明对荧光微弱信号低噪声、高精度稳定检测具有实际的借鉴意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是检测系统框图。

图2是光路通道原理图。

图3是前置放大电路。

图4是压控电压源二阶带通滤波器。

图5是后级放大电路。

图3中，U2为发光二极管，U4为高精密运算放大器OPA128。

图4中，U5为低输入失调电压运算放大器OPA177。

图5中，运算放大器为OPA177。

具体实施方式

图1中，叶绿素荧光测试系统主要包括电路和光路两部分。由MCU(微控制器)产生一个1 kHz的方波调制信号，控制恒流驱动模块，当激发光波长为430 nm时，照射叶绿素溶液后激发出峰值波长为680 nm的荧光信号，经光电二极管检测后转化为电信号，电信号经前级放大、滤波、后级放大、有效值检波后得出直流电压信号，AD采样后再经MCU加以分析处理，处理过的数据可以存储、通过RS232通信传给上位机(PC机)，也可以通过LCD实时显示。

图2中，光路通道部分中，LED激发光透过以430 nm为中心的滤光片后，经透镜聚光后透过器皿。器皿中的叶绿素溶液被激发照射后发出荧光，荧光穿过以680 nm为中心的滤光片，再经第二个透镜汇聚，被光电传感器检测。要保证发射光强的稳定性，才能保证检测电路测得的荧光光谱的可靠性。激发光源驱动选用专用LED驱动芯片MAXl916，该集成块电路具有驱动电流更加稳定，效率更高，调试更方便等优点。激发光光源选择波长为430一435 nm的蓝光LED。该LED正向激发光电流可以达到100mA，单色性好，发光光强稳定，能量消耗低，使用寿命长。

图3中，用了以FET作为输入级的低偏置10^-15 A 、高输入阻抗、高增益的精密运放OPAl28做前置放大，将微弱信号放大的同时实现电流/电压转换。根据系统放大倍数的要求，选择反馈电阻需要设置的比较大。又因为前置放大电路的噪声与反馈电阻的平方根成正比，信号幅度与反馈电阻成正比关系，所以系统的信噪比由反馈电阻决定，为提高系统的信噪比，所以反馈电阻尽可能大，此时该级输出信号mV数量级。另外当增大反馈电阻时，会引起电路振荡，由于OP放大器有数pF的输入寄生电容Cin使相位滞后，反馈电阻与Cin构成新的频率转折点，产生转折点与相位滞后容易引起振荡，所以要加人温度补偿的陶瓷电容C1进行超前电路补偿，反馈电阻和电容C1，构成新的频率转折点，使电路稳定，C1选用具有温度补偿的陶瓷电容。

在运放输人端附近有5 V电源线，由于存在电位差，对信号电路有漏电流，这就会带来串扰，所以在PCB布线的时候做大面积铺地(Guard)处理，这样漏电流可以通过Guard流向模拟地，消除串扰。由于OP放大器的输入端露在外面，如果有误电压输入，产生的电涌会使放大器损坏，加入Rp作为限流保护。高精密运放U4的4脚接+5V电源，7脚接-5V电源，3脚接发光二极管U2的阴极，2脚接电阻Rp，Rp另一端接发光二极管U2的阳极，电阻Rf与电容C1并联在输出引脚和二极管阳极端。

图4中，采用压控电压源型滤波电路作为二阶带通滤波电路，其中带宽B可通过R0/R进行调整而不影响中心角频率，通过调整R3，可获得所要求的中心角频率。为了使滤波后与滤波前相位没有偏差，选用容差为5％的精密电容。运放U4的7脚接+5V电源，4脚接-5V电源，电阻R0串联在运放的异相输入端2脚与输出端6脚之间，R1、C1组成滤波电路，电阻R接运放的异相输入端，电阻R2串联在输出端与电容C2间。

图5中，经过前置放大和滤波过后的信号还是mV数量级，这时采样会带来误差，需要进一步放大。因为输入信号微弱，所以要选择低输入失调电压的运放，这里选择OPAl77，它的最大补偿电压为25uV，放大电路为了降低输入信号的共模干扰，选用反向比例放大电路。电容C和电阻R并联在运算放大器的异相输入端2脚和输出端6脚之间，运算放大器7脚接+5V电源，4脚接-5V电源，同相输入端3脚接地，输入Vin首先通过电阻R1，E1另一端接运算放大器的异相输入端2脚。

Claims (5)

1.一种叶绿素荧光检测电路，包括重要的四个部分：光路通道、前置放大电路，带通滤波器和后级放大电路模块；其特征是首先对激发光进行了调制，消除了热噪声、散粒噪声等外界光线对荧光的干扰，提高了系统的精度；其次对小信号放大处理，大大提高了信号的信噪比，能够满足对微弱荧光信号的检测；其中前置放大电路选用了以FET作为输入级的低偏置10^-15 A、高输入阻抗、高增益的精密运放OPAl28做前置放大，可以使得电路结构简单、输出阻抗高、输出电压误差减小，同时设计了压控电压源二阶带通滤波电路，具有增益容易调整、输入阻抗高、输出阻抗低，参数容易选取等特点，后级放大电路中选择低输入失调电压的运放，采用的反向比例放大电路可以降低输入信号的共模干扰。

2.根据权利要求1所述的一种叶绿素荧光检测电路，其特征是所述光道通路部分中，LED激发光透过以430 nm为中心的滤光片后，经透镜聚光后透过器皿，器皿中的叶绿素溶液被激发照射后发出荧光，荧光穿过以680 nm为中心的滤光片，再经第二个透镜汇聚，被光电传感器检测，要保证发射光强的稳定性，才能保证检测电路测得的荧光光谱的可靠性，激发光源驱动选用专用LED驱动芯片MAXl916，该集成块电路具有驱动电流更加稳定，效率更高，调试更方便等优点，激发光光源选择波长为430一435 nm的蓝光LED，该LED正向激发光电流可以达到100mA，单色性好，发光光强稳定，能量消耗低，使用寿命长。

3.根据权利要求1所述的一种叶绿素荧光检测电路，其特征是所述前置放大电路用了以FET作为输入级的低偏置10^-15 A、高输入阻抗、高增益的精密运放OPAl28做前置放大，将微弱信号放大的同时实现电流/电压转换，为提高系统的信噪比，所以反馈电阻尽可能大，然后加人温度补偿的陶瓷电容C1进行超前电路补偿，反馈电阻和电容C1，构成新的频率转折点，使电路稳定，在PCB布线的时候做大面积铺地(Guard)处理，这样漏电流可以通过Guard流向模拟地，消除串扰，并在运放两端加入Rp作为限流保护；高精密运放U4的4脚接+5V电源，7脚接-5V电源，3脚接发光二极管U2的阴极，2脚接电阻Rp，Rp另一端接发光二极管U2的阳极，电阻Rf与电容C1并联在输出引脚和二极管阳极端。

4.根据权利要求1所述的一种叶绿素荧光检测电路，其特征是所述二阶带通滤波电路采用压控电压源型滤波电路，其中带宽B可通过R0/R进行调整而不影响中心角频率，通过调整R3，可获得所要求的中心角频率，为了使滤波后与滤波前相位没有偏差，选用容差为5％的精密电容，运放U4的7脚接+5V电源，4脚接-5V电源，电阻R0串联在运放的异相输入端2脚与输出端6脚之间，R1、C1组成滤波电路，电阻R接运放的异相输入端，电阻R2串联在输出端与电容C2间。

5.根据权利要求1所述的一种叶绿素荧光检测电路，其特征是所述后级放大电路中，经过前置放大和滤波过后的信号还是mV数量级，这时采样会带来误差，需要进一步放大，因为输入信号微弱，所以要选择低输入失调电压的运放，这里选择OPAl77，它的最大补偿电压为25uV，放大电路为了降低输入信号的共模干扰，选用反向比例放大电路；电容C和电阻R并联在运算放大器的异相输入端2脚和输出端6脚之间，运算放大器7脚接+5V电源，4脚接-5V电源，同相输入端3脚接地，输入Vin首先通过电阻R1，E1另一端接运算放大器的异相输入端2脚。