CN106911311A - 用于水质监测的信号放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水质监测的信号放大电路系统，包括前级放大电路，其与所述水质传感器信号输出端连接，用于放大所述水质传感器探测到的信号并输出，所述前级放大电路包括同相比例运算放大器；后级放大电路，其与所述前级放大电路连接，用于放大经所述前级放大电路放大的信号，所述后级放大电路包括反相比例运算放大器和第二电位器，所述第二电位器串联于所述反相比例运算放大器的反相输入端和所述反相比例运算放大器的输出端之间，以调节所述后级放大电路对信号的放大倍数。本发明具有使水质传感器探测的微弱信号放大可靠，抗干扰能力强，以提高水质监测终端数据准确性的有益效果。

Description

用于水质监测的信号放大电路

技术领域

本发明涉及水质监测领域。更具体地说，本发明涉及一种用于水质监测的信号放大电路系统。

背景技术

随着科技的飞速发展，我国人口的不断增加，城市数量与规模的迅速增加与扩张，城市生活污水问题日益严重。这种状况制约了农业、工业以及人们的日常生活。水质监测作为一种行业也迅速崛起。现今在进行水质监测时通常配备有水质监测终端，水质监测终端通过水质传感器对现场待测水体的水质数据进行采样，然后对水质数据进行分析处理。现有水质监测终端水质传感器探测到的信号输出时较微弱，不便于水质监测终端做出相应的判断，大大影响到水质监测的准确性。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种能对水质传感器探测到的信号进行可调范围的放大，水质传感器的微弱信号放大可靠，抗干扰能力强，提高水质监测终端数据准确性的用于水质监测的信号放大电路系统。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于水质监测的信号放大电路系统，其中，水质传感器信号输出端与水质监测终端连接，其特征在于，包括：

前级放大电路，其与所述水质传感器信号输出端连接，用于放大所述水质传感器探测到的信号并输出，所述前级放大电路包括同相比例运算放大器；

后级放大电路，其与所述前级放大电路连接，用于放大经所述前级放大电路放大的信号，所述后级放大电路包括反相比例运算放大器和第二电位器，所述第二电位器串联于所述反相比例运算放大器的反相输入端和所述反相比例运算放大器的输出端之间，以调节所述后级放大电路对信号的放大倍数。

优选的是，所述同相比例运算放大器的同相输入端依次串联第三电阻和第二电阻接地，所述第三电阻与所述第二电阻相连的一端连接于所述水质传感器信号输出端；

所述同相比例运算放大器的输出端依次串联第四电阻和第一电阻接地，所述第四电阻与所述第一电阻相连的一端连接于所述同相比例运算放大器的反相输入端。

优选的是，

所述反相比例运算放大器的同相输入端通过第八电阻接地；

所述反相比例运算放大器的输出端通过所述第二电位器和第七电阻连接于所述同相比例运算放大器的输出端，所述第二电位器与所述第七电阻相连的一端连接于所述反相比例运算放大器的反相输入端。

优选的是，还包括至少一个第九电阻，其串联于所述反相比例运算放大器的反相输入端、所述第二电位器、以及所述反相比例运算放大器的输出端的串联电路上。

优选的是，所述同相比例运算放大器和所述反相比例运算放大器均与VCC连接，所述VCC设有电源滤波电路。

优选的是，所述电源滤波电路包括第一滤波电路和第二滤波电路；

所述第一滤波电路具体为：第一电容与第三电容并联，所述第一电容与所述第三电容相连的一端连接于所述VCC的正极输出管脚，另一端接地；

所述第二滤波电路具体为：第二电容与第四电容并联，所述第二电容与所述第四电容相连的一端连接于所述VCC的负极输出管脚，另一端接地。

优选的是，所述第三电容和所述第四电容为极性电容。

优选的是，所述前级放大电路还包括第一电压调零电路，具体为：

所述同相比例运算放大器第一调零端依次通过第五电阻、第一电位器和第六电阻与所述同相比例运算放大器第二调零端连接，所述第五电阻的电阻值等于所述第六电阻的电阻值。

优选的是，所述后级放大电路包括第二电压调零电路，具体为：

所述反相比例运算放大器第三调零端依次通过第十电阻、第三电位器和第十二电阻与所述反相比例运算放大器第四调零端连接，所述第十电阻的电阻值等于所述第十二电阻的电阻值。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、水质监测领域，监测项目常规的包括有溶解氧、pH、ORP、电导率、盐度、总溶解固体、电阻、温度、深度、浊度、叶绿素a、蓝绿藻、硝酸根离子、氯离子、环境光和总溶解气体等，采用水质传感器探测上述项目信号时，输出的信号均较弱，在进行信号放大处理时，需要的放大倍数较大，易出现信号漂移和失真现象，如果采用单级放大，信号漂移会很大，使最终得到的信号不准，本发明采用将信号进行前级和后级共两级放大的方法，可以使信号的放大倍数为两级放大倍数相乘的结果，比如如果需要将信号放大100倍，那么可以将前级放大电路放大倍数和后级放大电路放大倍数均设为10倍，即可将信号放大至100倍，可以减小信号漂移，得到较准确的放大信号，一般不采用三级以上的直流放大，因为即使有调零，漂移也会太大。

第二、同相比例运算放大器是微弱信号放大的良好选择，当输入电阻越时大，信号提供的电流就越小，可以放大更微弱的信号，由于水质传感器探测的水质信号均较微弱，因此采用同相比例运算放大器进行前级放大；

第三、当水质传感器输出的信号经前级放大电路放大后，可以采用反相比例运算放大器进行后级放大，反相比例运算放大器的抗干扰能力强，只存在差模信号，而无共模信号干扰，大大提高了信号放大的准确率；

第四、由于水质传感器探测的水质信号种类繁多，固定的一种放大倍数无法满足所有水质信号的放大需求，因此在反相比例运算放大器上设有第二电位器，调节第二电位器，即可调整反相比例运算放大器的等效电阻值，从而调整反相比例运算放大器的放大倍数，再与前级放大电路结合，可以调整水质信号的放大倍数，以适应不同水质信号放大倍数的需求；

第五、为了进一步的减少共模信号或差模信号的干扰，在同相比例运算放大器和反相比例运算放大器上均设有调零电路，对信号进行调零处理，以消除共模信号和差模信号的干扰，进一步提高水质信号放大的准确性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供一种用于水质监测的信号放大电路系统，包括：

前级放大电路，其与所述水质传感器1信号输出端连接，用于放大所述水质传感器1探测到的信号并输出，所述前级放大电路包括同相比例运算放大器2；

后级放大电路，其与所述前级放大电路连接，用于放大经所述前级放大电路放大的信号，所述后级放大电路包括反相比例运算放大器3和第二电位器RP2，所述第二电位器RP2串联于所述反相比例运算放大器3的反相输入端和所述反相比例运算放大器3的输出端之间，以调节所述后级放大电路对信号的放大倍数。

在上述技术方案中，现有技术中，是采用水质传感器1进行信号采集，并直接传输至水质监测终端4进行分析判断，从而得到所测水质的具体情况，比如水质的溶解氧、pH、ORP、电导率、盐度、总溶解固体、电阻、温度、深度、浊度、叶绿素a、蓝绿藻、硝酸根离子、氯离子、环境光和总溶解气体等项目的情况，由于信号种类繁多，信号强度不一，通常从水质监测终端4得到的某些数据会不准确；

因此在水质传感器1与水质监测终端4之间设置两级放大电路，先将水质传感器1的信号输出端与前级放大电路连接，使水质传感器1探测到的水质信号，比如pH信号、比如温度信号，进行第一次放大，放大倍数均大于1，得到放大的pH信号或温度信号，再将前级放大电路的输出端连接到后级放大电路的输入端，使经前级放大电路放大后的信号，比如上述放大后的pH值信号或温度信号，可以输入至后级放大电路进行第二次放大，因为是在第一次放大的基础上的再次放大，因此放大倍数为两级放大电路各自放大倍数相乘的结果，如此可以利用两个小放大倍数的放大电路得到远大于单个放大电路的放大倍数；

后级放大电路中，第二电位器RP2串联于反相比例运算放大器3的反相输入端和反相比例运算放大器3的输出端之间，使得第二电位器RP2的阻值成为整个反相比例运算放大器3的等效阻值的计算公式的元素之一，对等效阻值有较大贡献，因此调节第二电位器RP2，即可调整反相比例运算放大器3的等效电阻值，从而调整反相比例运算放大器3的放大倍数，也就可以调整整个后级放大电路的放大倍数，由于后级放大电路放大的信号，比如pH信号或温度信号均是经前级放大电路放大后的信号，因此只需要微调，即可得使整个放大电路对信号的放大倍数进行较大范围的调整，可以适应多种水质信号对放大倍数的需求。

在另一种技术方案中，所述同相比例运算放大器2的同相输入端依次串联第三电阻R3和第二电阻R2接地，所述第三电阻R3与所述第二电阻R2相连的一端连接于所述水质传感器1信号输出端；

所述同相比例运算放大器2的输出端依次串联第四电阻R4和第一电阻R1接地，所述第四电阻R4与所述第一电阻R1相连的一端连接于所述同相比例运算放大器2的反相输入端。

在上述技术方案中，运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元，在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块，它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器，大部分的运算放大器是以单芯片的形式存在，芯片内部的电路通常都是直接耦合的，它能够自动调节静态工作点，但是，如果某个输入引脚被直接接到了电源或者地，它的自动调节功能就不正常了，因为芯片内部的晶体管无法抬高地线的电压，也无法拉低电源的电压，这就导致芯片不能满足虚短或虚断的条件，如果没有实现虚短或虚断，那么运算放大器对信号的放大倍数无法确定，因此采用在同相比例运算放大器2的两个输入端分别通过一确定电阻值的电阻接地，可以精准的确定对信号的放大倍数的设计，尤其是对于水质传感器1控测的水质信号，由于较变化无常，强度不一，需要经过发明人多次测算，重复认证，精心设计方可确定。

在另一种技术方案中，所述反相比例运算放大器3的同相输入端通过第八电阻R8接地；

所述反相比例运算放大器3的输出端通过所述第二电位器RP2和第七电阻R7连接于所述同相比例运算放大器2的输出端，所述第二电位器RP2与所述第七电阻R7相连的一端连接于所述反相比例运算放大器3的反相输入端。反相比例运算放大器3的输入端通过第八电阻R8接地，与上一技术方案原理类似，在此不再赘述，反相比例运算放大器3的输出端通过第二电位器RP2和第七电阻R7连接于所述同相比例运算放大器2的输出端，使信号从反相比例运算放大器3的反相输入端输入，得到放大，放大倍数是由第二电位器RP2与第七电阻R7的电阻值比值决定，当调节第二电位器RP2时，即可调整反相比例运算放大器3对信号的放大倍数。

在另一种技术方案中，还包括至少一个第九电阻R9，其串联于所述反相比例运算放大器3的反相输入端、所述第二电位器RP2、以及所述反相比例运算放大器3的输出端的串联电路上。第二电位器RP2串联于所述反相比例运算放大器3的反相输入端和所述反相比例运算放大器3的输出端之间，构成了反相比例运算放大器3的反馈电路，在第二电位器RP2上串联一第九电阻R9，可以防止第二电位器RP2调节至电阻为零时，反馈电路上的电阻值不为零，如果反馈电路上的电阻值太小，不能满足高输入阻抗的需求，由于水质传感器1控测的信号，多种多样，为了适应水质信号的不同需求，需要串联一固定电阻，使反相比例运算放大器3的调整是在一固定电阻值的基础上实现的，保证了信号输出的稳定性，在此处也可以串联多个电阻，阻值相等或不等均可，阻值不等时，例如图1示出的串联的第九电阻R9与第十一电阻R11。

在另一种技术方案中，所述同相比例运算放大器2和所述反相比例运算放大器3均与VCC连接，所述VCC设有电源滤波电路。在电子电路中，VCC是电路的供电电压，VCC通常是整流后的直流电压，电路的输出电压不是纯粹的直流，为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件比如电容、比如电感组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压，以避免VCC中交流信号对水质信号的影响。

在另一种技术方案中，所述电源滤波电路包括第一滤波电路和第二滤波电路；

所述第一滤波电路具体为：第一电容C1与第三电容C3并联，所述第一电容C1与所述第三电容C3相连的一端连接于所述VCC的正极输出管脚+VCC，另一端接地；

所述第二滤波电路具体为：第二电容C2与第四电容C4并联，所述第二电容C2与所述第四电容C4相连的一端连接于所述VCC的负极输出管脚-VCC，另一端接地。本发明采用电容组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压，并联的电容器在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中，而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来，经过滤波电路的负载放电，网域上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。

在另一种技术方案中，所述第三电容C3和所述第四电容C4为极性电容。极性电容容量大，且耐高压，可以节约空间，如果采用无极性电容的话，那么放大电路的电源部分需要占用很大的空间，比如，如果在电视机里电源部分用金属氧化膜电容器做滤波的话，而且要达到滤波要求的电容器容量和耐高压，机壳内恐怕也就只能装个电源了，金属氧化膜电容器即为无极性电容。

在另一种技术方案中，所述前级放大电路还包括第一电压调零电路，具体为：

所述同相比例运算放大器2第一调零端依次通过第五电阻R5、第一电位器RP1和第六电阻R6与所述同相比例运算放大器2第二调零端连接，所述第五电阻R5的电阻值等于所述第六电阻R6的电阻值。由于运算放大器不可能是真正的理想运算放大器，因此信号输入为零时，其输出不可能也为零，因此需要进行电压调零，在运算放大器上另外接入电压调零电路，使得当运算放大器的输入为零时，输出也为零，当有信号输入运算放大器时，输出是从零开始变化，以减小差模信号或共模信号的干扰，提高信号经放大后的准确性；调零电路最好对称设置，使第一电位器RP1设于电路中央，并尽量靠近运算放大器调零端，这样可使引线尽量缩短，第五电阻R5和第六电阻R6电阻值相等，使得调整第一电位器RP1时，是在其两边均有电阻的基础上调整的，减小波动，水质信号本身微弱，如此可以最大范围的减少其它外界因素干扰，进一步保证水质信号经放大后的准确性。

在另一种技术方案中，所述后级放大电路包括第二电压调零电路，具体为：

所述反相比例运算放大器3第三调零端依次通过第十电阻R10、第三电位器RP3和第十二电阻R12与所述反相比例运算放大器3第四调零端连接，所述第十电阻R10的电阻值等于所述第十二电阻R12的电阻值。在反相比例运算放大器3中接入电压调零电路，与上一技术方案原理类似，在此不再赘述。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种用于水质监测的信号放大电路系统，其中，水质传感器信号输出端与水质监测终端连接，其特征在于，包括：

前级放大电路，其与所述水质传感器信号输出端连接，用于放大所述水质传感器探测到的信号并输出，所述前级放大电路包括同相比例运算放大器；

后级放大电路，其与所述前级放大电路连接，用于放大经所述前级放大电路放大的信号，所述后级放大电路包括反相比例运算放大器和第二电位器，所述第二电位器串联于所述反相比例运算放大器的反相输入端和所述反相比例运算放大器的输出端之间，以调节所述后级放大电路对信号的放大倍数。

2.如权利要求1所述的用于水质监测的信号放大电路系统，其特征在于，

所述同相比例运算放大器的同相输入端依次串联第三电阻和第二电阻接地，所述第三电阻与所述第二电阻相连的一端连接于所述水质传感器信号输出端；

所述同相比例运算放大器的输出端依次串联第四电阻和第一电阻接地，所述第四电阻与所述第一电阻相连的一端连接于所述同相比例运算放大器的反相输入端。

3.如权利要求1所述的用于水质监测的信号放大电路系统，其特征在于，

所述反相比例运算放大器的同相输入端通过第八电阻接地；

所述反相比例运算放大器的输出端通过所述第二电位器和第七电阻连接于所述同相比例运算放大器的输出端，所述第二电位器与所述第七电阻相连的一端连接于所述反相比例运算放大器的反相输入端。

4.如权利要求3所述的用于水质监测的信号放大电路系统，其特征在于，还包括至少一个第九电阻，其串联于所述反相比例运算放大器的反相输入端、所述第二电位器、以及所述反相比例运算放大器的输出端的串联电路上。

5.如权利要求1所述的用于水质监测的信号放大电路系统，其特征在于，所述同相比例运算放大器和所述反相比例运算放大器均与VCC连接，所述VCC设有电源滤波电路。

6.如权利要求5所述的用于水质监测的信号放大电路系统，其特征在于，所述电源滤波电路包括第一滤波电路和第二滤波电路；

所述第一滤波电路具体为：第一电容与第三电容并联，所述第一电容与所述第三电容相连的一端连接于所述VCC的正极输出管脚，另一端接地；

所述第二滤波电路具体为：第二电容与第四电容并联，所述第二电容与所述第四电容相连的一端连接于所述VCC的负极输出管脚，另一端接地。

7.如权利要求6所述的用于水质监测的信号放大电路系统，其特征在于，所述第三电容和所述第四电容为极性电容。

8.如权利要求1所述的用于水质监测的信号放大电路系统，其特征在于，所述前级放大电路还包括第一电压调零电路，具体为：

所述同相比例运算放大器第一调零端依次通过第五电阻、第一电位器和第六电阻与所述同相比例运算放大器第二调零端连接，所述第五电阻的电阻值等于所述第六电阻的电阻值。

9.如权利要求1所述的用于水质监测的信号放大电路系统，其特征在于，所述后级放大电路包括第二电压调零电路，具体为：

所述反相比例运算放大器第三调零端依次通过第十电阻、第三电位器和第十二电阻与所述反相比例运算放大器第四调零端连接，所述第十电阻的电阻值等于所述第十二电阻的电阻值。