CN107561049A - 一种原子荧光光谱仪峰值取样电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原子荧光光谱仪峰值取样电路，包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第二二极管D2、结型场效应晶体管Q、保持电容器Ch、电压跟随器U2、模拟开关S、MCU及模数转换器。可解决现有技术中多点取样存在取得的峰值不准及取样效率低的缺陷，提高了峰值取样的精准度及取样的效率。

Description

一种原子荧光光谱仪峰值取样电路及控制方法
技术领域
本发明涉及分析化学领域，具体地说，涉及一种原子荧光光谱仪峰值取样电路及控制方法。
背景技术
一种原子荧光光谱分析仪的使用过程中，被激发的被测元素产生的光学信号，由光电倍增管和前置电路形成如附图3中细线所示的电压信号，采集此电压信号峰值，因为此电压信号近似高斯状的脉冲信号，因此在取得电压信号峰值后，据此曲线的高度Ap或曲线面积计算出被测元素的含量。
现有技术中，通常采用对电压信号采用多点取样的取值方法获得电压信号的峰值，然而这种方法的并不能采集到完整的电压信号，因此取得的电压信号的峰值并不准确，且由于电压信号的占空比可达到1比20，因此使用多点取样的取值方法会采集到很多无用的数据，取样效率低。
因此，如何解决现有技术中多点取样存在取得的峰值不准及取样效率低的缺陷，成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种原子荧光光谱仪峰值取样电路，可解决现有技术中多点取样存在取得的峰值不准及取样效率低的缺陷，提高了峰值取样的精准度及取样的效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种原子荧光光谱仪峰值取样电路，其特征在于，包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第二二极管D2、结型场效应晶体管Q、保持电容器Ch、电压跟随器U2、模拟开关S、MCU及模数转换器，其中：
所述运算放大器U1的同相输入端作为所述峰值取样电路的输入端，所述运算放大器U1的反相输入端分别与所述运算放大器U1的输出端及所述第一电阻R1的第一端并联，所述运算放大器U1的输出端与所述第二二极管D2的正极连接；
所述第二二极管D2的负极分别与所述第二电阻R2的第一端及所述结型场效应晶体管Q的栅极并联；
所述第二电阻R2的第二端分别与所述第一电阻R1的第二端及所述电压跟随器U2的反相输入端并联；
所述结型场效应晶体管Q的源极分别与所述模拟开关S的第一端、所述保持电容Ch的第一端及所述电压跟随器U2的同相输入端并联，所述结型场效应晶体管Q的漏极与所述电压跟随器U2的同相输入端连接；
所述模拟开关S的第二端接地；
所述保持电容器Ch的第二端接地；
所述MCU用于控制所述模拟开关S的导通或断开；
所述电压跟随器U2的反相输入端与所述电压跟随器U2的输出端连接，所述电压跟随器U2的输出端与所述模数转换器的输入端连接；
所述模数转换器的输出端作为所述峰值取样电路的输出端。
优选地，还包括第一二极管D1，所述运算放大器U1的输出端通过所述第一二极管D1与所述运算放大器U1的反相输入端连接。
优选地，所述保持电容器Ch采用聚苯乙烯电容。
一种原子荧光光谱仪峰值取样控制方法，适用于如权利要求1所述的原子荧光光谱仪峰值取样电路，设i=1,2,3,4……，所述原子荧光光谱仪峰值取样控制方法包括在所述原子荧光光谱仪峰值取样电路接收到第i个电压信号之前至接收到第i+1个电压信号之前这段时间内完成以下步骤：
所述MCU控制所述模拟开关S断开；
开启所述模数转换器；
关闭所述模数转换器；
所述MCU控制所述模拟开关S导通。
优选的，其实现原理为：在所述原子荧光光谱仪峰值取样电路接收到所述第i个电压信号之前，所述为控制单元控制所述模拟开关S断开，当接收到所述第i个电压信号后，保持电容器Ch开始充电，当保持电容器Ch进入保持阶段时，开启所述模数转换器，所述模数转换器采集所述第i个电压信号的峰值，完成所述第i个电压信号的峰值的采集后，关闭所述模数转换器，所述MCU控制所述模拟开关S导通，保持电容器Ch放电。
综上所述，本发明公开了一种原子荧光光谱仪峰值取样电路，其特征在于，包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第二二极管D2、结型场效应晶体管Q、保持电容器Ch、电压跟随器U2、模拟开关S、MCU及模数转换器，其中：运算放大器U1的同相输入端作为峰值取样电路的输入端，运算放大器U1的反相输入端分别与运算放大器U1的输出端及第一电阻R1的第一端并联，运算放大器U1的输出端与第二二极管D2的正极连接；第二二极管D2的负极分别与第二电阻R2的第一端及结型场效应晶体管Q的栅极并联；第二电阻R2的第二端分别与第一电阻R1的第二端及电压跟随器U2的反相输入端并联；结型场效应晶体管Q的源极分别与模拟开关S的第一端、保持电容Ch的第一端及电压跟随器U2的同相输入端并联，结型场效应晶体管Q的漏极与电压跟随器U2的同相输入端连接；模拟开关S的第二端接地；保持电容器Ch的第二端接地；MCU用于控制模拟开关S的导通或断开；电压跟随器U2的反相输入端与电压跟随器U2的输出端连接，电压跟随器U2的输出端与模数转换器的输入端连接；模数转换器的输出端作为峰值取样电路的输出端。可解决现有技术中多点取样存在取得的峰值不准及取样效率低的缺陷，提高了峰值取样的精准度及取样的效率。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明公开的一种原子荧光光谱仪峰值取样电路的电路图；
图2为本发明公开的一种原子荧光光谱仪峰值取样控制方法的流程图；
图3为本发明公开中输入信号Vi及输出信号Vo的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为本发明公开的一种原子荧光光谱仪峰值取样电路的电路图，包括运算放大器U1、第二电阻R2、第一二极管D1、第二二极管D2、结型场效应晶体管Q、保持电容器Ch、电压跟随器U2、模拟开关S、MCU（(Microcontroller Unit 微控制单元）及模数转换器，其中：
运算放大器U1的同相输入端作为峰值取样电路的输入端，运算放大器U1的反相输入端分别与第一二极管D1的负极连接，运算放大器U1的反相输入端分别与第一二极管D1的正极及第二二极管的正极并联；
第二二极管D2的负极分别与第二电阻R2的第一端及结型场效应晶体管Q的栅极并联；
第二电阻R2的第二端分别与运算放大器U1的反相输入端及电压跟随器U2的反相输入端并联；
结型场效应晶体管Q的源极分别与模拟开关S的第一端、保持电容的Ch第一端及电压跟随器U2的同相输入端并联，结型场效应晶体管Q的漏极与电压跟随器U2的同相输入端连接；
模拟开关S的第二端接地；
保持电容器Ch的第二端接地；
MCU用于控制模拟开关S的导通或断开；
电压跟随器U2的反相输入端与电压跟随器U2的输出端连接，电压跟随器U2的输出端与模数转换器的输入端连接；
模数转换器的输出端作为峰值取样电路的输出端。
图1中ADC为Attack Damage Carry，即模数转换器。
本发明公开的原子荧光光谱仪峰值取样电路能够对如图3中细线所示的电压信号进行峰值取样，图3中细线所示的电压信号为一种特殊的原子荧光光谱仪在测试过程中，被激发的被测元素产生的光学信号，由光电倍增管PMT和前置电路形成如电压信号，如图3所示在检测某种元素时，电压信号的周期T=4000μS，近似高斯状的脉冲宽度tw=200μS，占空比为1:20，本电路的工作原理如下：
由图3可知前置电路形成的电压信号类似正弦信号的半波信号，且每个信号之间有间隔，在第一个信号来临前，通过MCU控制模拟开关S断开，输入的电信号Vi向保持电容Ch充电，当保持电容Ch充电到保持状态时，即保持电容Ch的电压达到第一个信号的峰值，打开模数转换器进行采样，采样完成后，关闭模数转换器，MCU控制模拟开关S导通，使保持电容Ch完全放电，再通过MCU控制模拟开关S断开，准备对下一个信号进行取样。
在本技术方案中，运算放大器U1的作用为将接收的电信号Vi进行放大，使其大于第二二极管D2的死区电压，从而使得本技术方案提供的峰值取样电路可以对毫伏级的电压进行取样，提高了取样的灵敏度，扩大了能够被取样的电压的范围。电路中的结型场效应晶体管Q的作用等同于一个二极管，但是由于结型场效应晶体管Q的高速入阻抗，使得在电流极小的情况下，保持电容Ch依旧可以正常充电，保证了对弱信号的测量。电压跟随器U2将输出信号Vo反馈至运算放大器U1的反相输入端，使得只有在输入信号Vi大于输出信号Vo时，第二二极管D2才会导通，此时输出信号Vo将紧跟输入信号Vi变化，在输出信号Vo将紧跟输入信号Vi变化的过程中，保持电容Ch充电，一旦输入信号Vi小于输出信号Vo，则第二二极管D2截止，此时保持电容Ch处于保持状态，从保持电容Ch处于保持状态开始，模数转换器开启，并进行峰值取样。图3中的粗线即为输出信号Vo，当保持电容Ch处于保持状态后，输出信号Vo逐渐下降，但下降速度极慢，因此可满足模数转换器对峰值的取样。
综上所述，本发明公开了一种原子荧光光谱仪峰值取样电路，其特征在于，包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第二二极管D2、结型场效应晶体管Q、保持电容器Ch、电压跟随器U2、模拟开关S、MCU及模数转换器，其中：运算放大器U1的同相输入端作为峰值取样电路的输入端，运算放大器U1的反相输入端分别与运算放大器U1的输出端及第一电阻R1的第一端并联，运算放大器U1的输出端与第二二极管D2的正极连接；第二二极管D2的负极分别与第二电阻R2的第一端及结型场效应晶体管Q的栅极并联；第二电阻R2的第二端分别与第一电阻R1的第二端及电压跟随器U2的反相输入端并联；结型场效应晶体管Q的源极分别与模拟开关S的第一端、保持电容Ch的第一端及电压跟随器U2的同相输入端并联，结型场效应晶体管Q的漏极与电压跟随器U2的同相输入端连接；模拟开关S的第二端接地；保持电容器Ch的第二端接地；MCU用于控制模拟开关S的导通或断开；电压跟随器U2的反相输入端与电压跟随器U2的输出端连接，电压跟随器U2的输出端与模数转换器的输入端连接；模数转换器的输出端作为峰值取样电路的输出端。可准确的获取电压信号的峰值，避免采集无用数据，提高采样效率。
为进一步优化上述技术方案，还包括第一二极管D1，运算放大器U1的输出端通过第一二极管D1与运算放大器U1的反相输入端连接。
当输入信号Vi存在负半部分时，第一二极管D1可将负半部分的信号去除，如图3中细线所示的半波信号。增加第一二极管D1使得本原子荧光光谱仪峰值取样电路可以对有负半部分的输入信号Vi进行峰值取样，扩大了电路的适用范围。
为进一步优化上述技术方案，保持电容器Ch采用聚苯乙烯电容。
聚苯乙烯电容具有低漏电流和低滞后效应的特点，因此可以实现快速放电及快速充电到保持状态，提高电路的稳定性；且聚苯乙烯电容达到保持状态后，停止充电后，电容的下降速度慢，便于模数转换器取样峰值。
如图2所示，为本发明公开的一种原子荧光光谱仪峰值取样控制方法的流程图，适用于上述原子荧光光谱仪峰值取样电路，设i=1,2,3,4……，原子荧光光谱仪峰值取样控制方法包括在原子荧光光谱仪峰值取样电路接收到第i个电压信号之前至接收到第i+1个电压信号之前这段时间内完成以下步骤：
S101、MCU控制模拟开关S断开；
S102、开启模数转换器；
S103、关闭模数转换器；
S104、MCU控制模拟开关S导通。
本方法的实现原理为：在原子荧光光谱仪峰值取样电路接收到第i个电压信号之前，为控制单元控制模拟开关S断开，当接收到第i个电压信号后，保持电容器Ch开始充电，当保持电容器Ch进入保持阶段时，开启模数转换器，模数转换器采集第i个电压信号的峰值，完成第i个电压信号的峰值的采集后，关闭模数转换器，MCU控制模拟开关S导通，保持电容器Ch放电。在本技术方案中，对于模拟开关开启及关闭的时间、模数转换器开启及关闭的时间均由MCU控制。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (5)

1.一种原子荧光光谱仪峰值取样电路，其特征在于，包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第二二极管D2、结型场效应晶体管Q、保持电容器Ch、电压跟随器U2、模拟开关S、MCU及模数转换器，其中：
所述运算放大器U1的同相输入端作为所述峰值取样电路的输入端，所述运算放大器U1的反相输入端分别与所述运算放大器U1的输出端及所述第一电阻R1的第一端并联，所述运算放大器U1的输出端与所述第二二极管D2的正极连接；
所述第二二极管D2的负极分别与所述第二电阻R2的第一端及所述结型场效应晶体管Q的栅极并联；
所述第二电阻R2的第二端分别与所述第一电阻R1的第二端及所述电压跟随器U2的反相输入端并联；
所述结型场效应晶体管Q的源极分别与所述模拟开关S的第一端、所述保持电容Ch的第一端及所述电压跟随器U2的同相输入端并联，所述结型场效应晶体管Q的漏极与所述电压跟随器U2的同相输入端连接；
所述模拟开关S的第二端接地；
所述保持电容器Ch的第二端接地；
所述MCU用于控制所述模拟开关S的导通或断开；
所述电压跟随器U2的反相输入端与所述电压跟随器U2的输出端连接，所述电压跟随器U2的输出端与所述模数转换器的输入端连接；
所述模数转换器的输出端作为所述峰值取样电路的输出端。
2.如权利要求1所述的原子荧光光谱仪峰值取样电路，其特征在于，还包括第一二极管D1，所述运算放大器U1的输出端通过所述第一二极管D1与所述运算放大器U1的反相输入端连接。
3.如权利要求1或2所述的原子荧光光谱仪峰值取样电路，其特征在于，所述保持电容器Ch采用聚苯乙烯电容。
4.一种原子荧光光谱仪峰值取样控制方法，其特征在于，适用于如权利要求1所述的原子荧光光谱仪峰值取样电路，设i=1,2,3,4……，所述原子荧光光谱仪峰值取样控制方法包括在所述原子荧光光谱仪峰值取样电路接收到第i个电压信号之前至接收到第i+1个电压信号之前这段时间内完成以下步骤：
所述MCU控制所述模拟开关S断开；
开启所述模数转换器；
关闭所述模数转换器；
所述MCU控制所述模拟开关S导通。
5.如权利要求4所述的原子荧光光谱仪峰值取样控制方法，其特征在于，其实现原理为：在所述原子荧光光谱仪峰值取样电路接收到所述第i个电压信号之前，所述为控制单元控制所述模拟开关S断开，当接收到所述第i个电压信号后，保持电容器Ch开始充电，当保持电容器Ch进入保持阶段时，开启所述模数转换器，所述模数转换器采集所述第i个电压信号的峰值，完成所述第i个电压信号的峰值的采集后，关闭所述模数转换器，所述MCU控制所述模拟开关S导通，保持电容器Ch放电。
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