CN107607505A - 一种原子荧光光谱仪检测电路的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原子荧光光谱仪检测电路的测试方法，其特征是：获取有一种信号发生器，信号发生器包括电流信号源和电压信号源；该测试方法包括测试前置信号形成模块和测试信号采集模块；在测试前置信号形成模块时，将电流信号源的输出作为前置信号形成模块的输入；在测试信号采集模块时，将电压信号源的输出作为信号采集模块的输入；利用示波器来观测前置信号形成模块是否正常，用仪器本身的显示测试信号采集模块的输出是否正常。本发明能够模拟原子荧光光谱仪使用过程中产生的多种特征信号，无需消耗样品及试剂，大幅降低分析成本，提高电路测试的效率，省时省力；输出信号幅度可调且稳定，能够确保仪器的同一电路模块的一致性，确保产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及原子荧光光谱仪的研发及生产过程中的硬件电路测试方法领域，具体涉及一种原子荧光光谱仪检测电路的测试方法，用于测试原子荧光光谱仪中核心之一的检测电路部分是否工作正常。
背景技术
气态自由原子吸收光源的特征辐射后，原子的外层电子跃迁到较高能级，然后又跃迁返回基态或较低能级，同时发射出与原激发波长相同或不同的光即为原子荧光。原子荧光分析法（AFS）即是通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下产生的荧光发射强度，来确定待测元素含量的方法。原子荧光光谱仪（也称作：原子荧光光度计）即是利用原子荧光分析法（AFS）来测量待测元素含量的仪器。
现有的原子荧光光谱仪包括激发光源、原子化器、氢化物发生器、光学系统、检测电路和数据处理电路（参见图1，摘自《多通道氢化物发生-原子荧光光谱仪的研制》（作者：周志恒，第23页，图2-5））。其中，检测电路包括前置信号形成模块（通常安装在前置电路板上，且前置信号形成模块的输入端与光电倍增管（PMT）的输出端通过线缆相连接）和信号采集模块（用于对前置信号形成模块的输出信号进行采集；通常安装在主控制电路板上，且信号采集模块的输入端与前置信号形成模块的输出端通过线缆相连接，信号采集模块的输出端与数据处理电路的输入端相连连接）。
现有技术中，对于原子荧光光谱仪的检测电路的测试方法需要采用样品及化学试剂在原子荧光光谱仪进行实际测定，才能够测试出原子荧光光谱仪的检测电路是否工作正常。所以，现有的原子荧光光谱仪的检测电路的测试方法存在操作繁琐，样品及化学试剂的消耗量大，分析成本高昂且费时费力等诸多不足之处。此外，采用上述现有的原子荧光光谱仪的检测电路的测试方法还会出现由于同一样品的细微差别（原子荧光光谱仪检测精度很高，样品的细微偏差也对测量的结果造成影响）会引起的检测信号的不稳定，使得批量生产的多台原子荧光光谱仪中的检测电路的一致性难以实现。
基于此，申请人考虑设计一种能够大幅降低测试成本，提高电路测试的效率，操作起来省时省力的原子荧光光谱仪检测电路的测试方法。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够大幅降低测试成本，提高电路测试的效率，操作起来省时省力的原子荧光光谱仪检测电路的测试方法。
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检测电路的测试方法，其特征在于：获取有一种信号发生器，所述信号发生器包括电流信号源、电压信号源和示波器；
该测试方法包括测试前置信号形成模块和测试信号采集模块；
其中，在测试前置信号形成模块时，将所述电流信号源的信号输出接口与前置信号形成模块的输入端通过信号传输电缆相连接，将前置信号形成模块的输出端与示波器的探头相连接；启动电流信号源和示波器，观看示波器测得的波形（包括波形的形态、时序和幅值等波形特征）是否正常；若示波器测得的波形正常，则判断前置信号形成模块完好，反之，则存有故障；
其中，在测试信号采集模块时，将所述电压信号源的信号输出接口与信号采集模块的输入端通过信号传输电缆相连接，将信号采集模块的输出端与示波器的探头相连接；启动电压信号源和示波器，观看示波器测得的波形是否正常；若示波器测得的波形正常，则判断信号采集模块完好，反之，则存有故障。
本发明的原子荧光光谱仪检测电路的测试方法在使用前，因为，前置信号形成模块的倍数为定值，信号采集模块的输入信号与输出信号之间的线性关系是确定的；所以，前置信号形成模块正常输出的信号的波形是可知的。信号采集模块输出的正常数据也是是可知的。
作为上述技术方案的一种优选，所述电流信号源的输出为直流电流或交流电流，其中，所述直流电流为0~10pA；所述交流电流为占空比1:20，频率250Hz，峰值0~20000pA的负脉冲。
作为上述技术方案的一种优选，所述电压信号源的输出为直流电压或交流电压，其中，所述直流电压为0~2000mV，所述交流电压为占空比1:20，频率250Hz，峰值0~2000mV的正脉冲。
作为上述技术方案的一种优选，所述信号发生器包括MCU（英文全称为：MicroController Unit，中文名为：微控制单元）、信号幅度设置元件、交流/直流拨动选择开关、运算放大器、运算放大器、电流转换电阻、同步信号输入端、电压信号输出端、电流信号输出端和多个电容与电阻；
其中，信号幅度设置元件、交流/直流拨动选择开关以及同步信号输入端分别与MCU上对应的各个输入端连接，MCU内部的DAC（英文全称为：Digital/Analog Converter，中文名为：数模转换器）的输出端与运算放大器的同相输入端连接，将DAC的输出电压信号经同相放大后由电压信号输出端输出，该输出即为电压信号源输出的电压测试信号；
MCU的DAC输出端与运算放大器的反相输入端连接，经电压跟随处理后与电流转换电阻的一端连接，电流转换电阻的另一端与电流信号输出端连接，电流信号输出端的输出即为电流信号源输出的电流测试信号。
上述优选的信号发生器不仅能够输出电流信号源和电压信号源，还能够通过交流/直流拨动选择开关来自由选择交流/直流输出，通过信号幅度设置元件来调节输出信号的幅值。与此同时，上述信号发生器只采用一块MCU，这样，不仅能够提高MCU的利用率，降低电流信号源和电压信号源的制作成本；还能够能够简化电流信号源和电压信号源整体的硬件结构，使得信号发生器整体的结构更加紧凑，体积更加小巧，更适宜在狭小的空间放置和使用，从而提高使用的便捷性。
作为上述技术方案的另一种优选，所述电流信号源包括MCU、信号幅度设置元件、运算放大器、同步信号输入端和电流转换电阻；
所述信号幅度设置元件和同步信号输入端分别与MCU上对应的各个输入端连接，MCU的DAC输出端与运算放大器的反相输入端连接，经电压跟随处理后与电流转换电阻的一端连接，电流转换电阻的另一端与电流信号输出端连接，电流信号输出端的输出即为电流信号源输出的电流测试信号。
所述电压信号源包括MCU、信号幅度设置元件、运算放大器、同步信号输入端和电压信号输出端；
所述信号幅度设置元件和同步信号输入端分别与MCU上对应的各个输入端连接，MCU内部的DAC的输出端与运算放大器的同相输入端连接，将DAC的输出电压信号经同相放大后由电压信号输出端输出，该输出即为电压信号源输出的电压测试信号。
上述另一种优选方案中，电流信号源与电压信号源各自采用一块MCU，这样就能够确保各自运行使用的可靠性，从而持久地确保测试的可靠性。
同现有技术相比较，本发明的原子荧光光谱仪检测电路的测试方法具有以下有益技术效果：
1、可以模拟出PMT（光电倍增管,输出为电流）及前置放大模块（输出为电压）的输出信号，提供现有测试装置无法产生的特定交直流电压信号和微弱至pA级的电流信号。
2、首次采用电压或电流信号模拟原子荧光光谱仪使用过程中产生的多种特征信号，来对前置信号形成模块和信号采集模块进行测试，这样就无需消耗样品及试剂，大大降低测试分析成本，显著提高电路测试的效率，省时省力。
3、电流信号源和电压信号源的输出信号幅度可自行设置，且输出信号高度稳定，能够有效确保批量生产的原子荧光光谱仪的检测电路的一致性，从而更好地确保原子荧光光谱仪检测的精准度和产品质量。
附图说明
图1为现有的原子荧光光谱仪的基本结构图。
图2是本发明的原子荧光光谱仪检测电路的测试方法采用的信号发生器的电路示意图。
图3是为上述信号发生器的中MCU配套软件控制流程图。
图2和图3中标记为：
1微控制单元；2信号幅度设置元件；3交流/直流拨动选择开关；4运算放大器；5运算放大器；6电流转换电阻；7同步信号输入端；8电压信号输出端；9电流信号输出端。
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。
一种原子荧光光谱仪检测电路的测试方法，获取有一种信号发生器，所述信号发生器包括电流信号源、电压信号源和示波器；
该测试方法包括测试前置信号形成模块和测试信号采集模块；
其中，在测试前置信号形成模块时，将所述电流信号源的信号输出接口与前置信号形成模块的输入端通过信号传输电缆相连接，将前置信号形成模块的输出端与示波器的探头相连接；启动电流信号源和示波器，观看示波器测得的波形是否正常；若示波器测得的波形正常，则判断前置信号形成模块完好，反之，则存有故障；
其中，在测试信号采集模块时，将所述电压信号源的信号输出接口与信号采集模块的输入端通过信号传输电缆相连接，将信号采集模块的输出端与示波器的探头相连接；启动电压信号源和示波器，观看示波器测得的波形是否正常；若示波器测得的波形正常，则判断信号采集模块完好，反之，则存有故障。
其中，所述电流信号源的输出为直流电流或交流电流，其中，所述直流电流为0~10pA；所述交流电流为占空比1:20，频率250Hz，峰值0~20000pA的负脉冲。
其中，所述电压信号源的输出为直流电压或交流电压，其中，所述直流电压为0~2000mV，所述交流电压为占空比1:20，频率250Hz，峰值0~2000mV的正脉冲。
如图2所示为一种最优选的电流信号源和电压信号源的结构：
所述信号发生器包括MCU1、信号幅度设置元件2、交流/直流拨动选择开关3、运算放大器4、运算放大器5、电流转换电阻6、同步信号输入端7、电压信号输出端8、电流信号输出端9和多个电容与电阻；
信号幅度设置元件2、交流/直流拨动选择开关3以及同步信号输入端7分别与MCU1上对应的各个输入端连接，MCU1内部的DAC的输出端与运算放大器4的同相输入端连接，将DAC的输出电压信号经同相放大后由电压信号输出端8输出，该输出即为电压信号源输出的电压测试信号；
上述电压信号与运算放大器5的反相输入端连接，经电压跟随处理后与电流转换电阻6的一端连接，电流转换电阻6的另一端与电流信号输出端9连接，电流信号输出端9的输出即为电流信号源输出的电流测试信号。
上述MCU1选用内部集成数/模转换器及Flash缓存的逻辑控制处理芯片，例如意法半导体STM32Fxx系列低功耗高性能单片机、FPGA逻辑器件等。
上述信号幅度设置元件2选用直观显示幅度设置量值的元器件，例如BCD 8421编码开关等。
上述交流/直流拨动选择开关3选用普通拨动机械开关，默认状态为关闭，此时默认输出直流测试信号。
上述运算放大器4和5选用供电电压±5V轨对轨精密放大器，可保证测试信号的最大幅度峰-峰值可调范围为0-5000mV，例如德州仪器生产的高精密度、低功耗、低噪声运算放大器OPA251、OPA2251等。在4和5供电电压±5V处就近布置容值0.1uF与4.7uF的薄膜电容，以滤除供电电源引入的中低频噪声。
上述电流转换电阻6选用精度高、性能稳定、电流噪声小的金属膜电阻，其阻值根据要求输出的电流范围决定，本发明选用100MΩ，对应输出交/直流电流的最大值为：2000mV/100MΩ=20000pA。
上述同步信号输入端7、电压信号输出端8、电流信号输出端9均采用单芯屏蔽电缆接头，接头中心为输出信号，外层包裹编织电缆并妥善接地以防止引入干扰。同步信号输入端7的同步信号的由被测仪器的主机提供，同步方式为上升沿同步。上述信号发生器采用由被测仪器的主机提供的同步信号，能够使得输入与输出的信号的相位形态为一致，确保测试的精准性。
上述MCU1的软件控制流程如附图2所示，下面对其进行简要说明：
首先，系统上电后，先对MCU内部寄存器进行初始化；
然后，MCU读取信号幅度设置元件2的设置值，并存储于缓存中，等待下一步操作；
紧接着，MCU会读取交流/直流拨动选择开关3的状态：若交流/直流拨动选择开关3关闭，则表示需要的测试信号是直流信号，MCU取出缓存中信号幅度值对DAC进行赋值操作，DAC将会按设置值输出直流电压信号，送运算放大器4、运算放大器5做进一步处理；若交流/直流拨动选择开关3开启，则表示需要的测试信号是交流信号，MCU先取出缓存中信号幅度值对其进行运算，计算出一个周期内正弦交流信号对应点位的幅度值并送缓存存储，然后等待同步信号输入端7的同步信号到来。
直到同步信号到来，MCU依次取出这些幅度值并对DAC进行循环赋值操作，DAC将会按设置值输出与同步信号同步的交流电压脉冲信号，并送运算放大器4、运算放大器5做进一步处理。
上述信号发生器可提供四种测试信号供原子荧光光谱仪的研发和生产检测使用，该四种测试信号分别为：
⑴0~2000mV的直流电压信号，可供仪器主板的信号采集模块测试使用；
⑵占空比1:20，频率250Hz，峰值0~2000mV的特定脉冲交流信号，可供仪器主板的的信号采集模块测试使用；
⑶提供0~10pA的直流电流信号，可供前置信号形成模块的I-V转换电路测试使用；
⑷占空比1:20，频率250Hz，峰值0~20000pA的特定微弱交流信号，模拟光电倍增管（PMT）的输出信号，可供前置信号形成模块测试使用。
上述原子荧光光谱仪检测电路的测试方法已成功测试过多台原子荧光光谱仪检测电路，大幅降低测试成本，提高电路测试的效率，操作起来省时省力，达到预期效果。
以上仅是本发明优选的实施方式，需指出是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，上述变形和改进的技术方案应同样视为落入本权利要求书要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种原子荧光光谱仪检测电路的测试方法，其特征在于：获取有一种信号发生器，所述信号发生器包括电流信号源和电压信号源；
该测试方法包括测试前置信号形成模块和测试信号采集模块；
其中，在测试前置信号形成模块时，将所述电流信号源的信号输出接口与前置信号形成模块的输入端通过信号传输电缆相连接，将前置信号形成模块的输出端与示波器的探头相连接；启动电流信号源和示波器，观看示波器测得的波形是否正常；如果示波器测得的波形正常，则判断前置信号形成模块完好，反之，则存有故障；
其中，在测试信号采集模块时，将所述电压信号源的信号输出接口与信号采集模块的输入端通过信号传输电缆相连接，将信号采集模块的输出端与示波器的探头相连接；启动电压信号源和示波器，观看示波器测得的波形是否正常；如果示波器测得的波形正常，则判断信号采集模块完好，反之，则存有故障。
2.根据权利要求1所述的原子荧光光谱仪检测电路的测试方法，其特征在于：所述电流信号源的输出为直流电流或交流电流，其中，所述直流电流为0~10pA；所述交流电流为占空比1:20，频率250Hz，峰值0~20000pA的负脉冲。
3.根据权利要求1所述的原子荧光光谱仪检测电路的测试方法，其特征在于：所述电压信号源的输出为直流电压或交流电压，其中，所述直流电压为0~2000mV，所述交流电压为占空比1:20，频率250Hz，峰值0~2000mV的正脉冲。
4.根据权利要求1所述的原子荧光光谱仪检测电路的测试方法，其特征在于：所述信号发生器包括MCU（1）、信号幅度设置元件（2）、交流/直流拨动选择开关（3）、运算放大器（4）、运算放大器（5）、电流转换电阻（6）、同步信号输入端（7）、电压信号输出端（8）、电流信号输出端（9）和多个电容与电阻；
其中，信号幅度设置元件（2）、交流/直流拨动选择开关（3）以及同步信号输入端（7）分别与MCU（1）上对应的各个输入端连接，MCU（1）内部的DAC的输出端与运算放大器（4）的同相输入端连接，将DAC的输出电压信号经同相放大后由电压信号输出端（8）输出，该输出即为电压信号源输出的电压测试信号；
MCU（1）的DAC输出端与运算放大器（5）的反相输入端连接，经电压跟随处理后与电流转换电阻（6）的一端连接，电流转换电阻（6）的另一端与电流信号输出端（9）连接，电流信号输出端（9）的输出即为电流信号源输出的电流测试信号。
5.根据权利要求1所述的原子荧光光谱仪检测电路的测试方法，其特征在于：所述电流信号源包括MCU（1）、信号幅度设置元件（2）、运算放大器（5）、同步信号输入端（7）和电流转换电阻（6）；
所述信号幅度设置元件（2）和同步信号输入端（7）分别与MCU（1）上对应的各个输入端连接，MCU（1）的DAC输出端与运算放大器（5）的反相输入端连接，经电压跟随处理后与电流转换电阻（6）的一端连接，电流转换电阻（6）的另一端与电流信号输出端（9）连接，电流信号输出端（9）的输出即为电流信号源输出的电流测试信号。
6.根据权利要求1所述的原子荧光光谱仪检测电路的测试方法，其特征在于：所述电压信号源包括MCU（1）、信号幅度设置元件（2）、运算放大器（4）、同步信号输入端（7）和电压信号输出端（8）；
所述信号幅度设置元件（2）和同步信号输入端（7）分别与MCU（1）上对应的各个输入端连接，MCU（1）内部的DAC的输出端与运算放大器（4）的同相输入端连接，将DAC的输出电压信号经同相放大后由电压信号输出端（8）输出，该输出即为电压信号源输出的电压测试信号。
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