CN109585253A - 一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
本发明创造提供了一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路，包括信号处理板以及布设在其上的信号处理电路，所述信号处理电路包括电流电压转换电路、信号放大电路、信号比较电路以及电平转化电路；本发明创造采用连接器与运算放大器的“多点接地”，消除了公共阻抗耦合产生的噪声，减少系统的电磁干扰，提供系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明创造属于质谱仪设备领域，尤其是涉及一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路。
背景技术
三重四极质谱仪由于具有高灵敏度、分析速度快、样品用量少等特点，因此作为常规的定量分析仪器，被广泛的应用在医药、生物学、化工及环境科学领域。三重四极杆质谱仪中的离子检测器的信号处理电路，将电子倍增器(Channel Electron Multiplier，CEM)传递来的离子电流进行整形，将离子的个数转换成脉冲个数，便于下一级嵌入式系统对离子的计数。因此，信号处理电路对离子个数的转换效率将直接影响三重四极杆质谱仪的检测性能。
在检测过程中，信号处理板正常通电时，但不给输入信号的情况下，电路板的放大电路有时会出现自激震荡的现象，该震荡信号幅值和频率固定；而且当输入端引入待检测的离子流后，有用的离子流信号将叠加该自己震荡信号，传递到下级电路则会产生干扰，造成比较电路的误触发以及逻辑混乱，最终影响到三重四极杆质谱仪的信号检测。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路，以解决如何消除公共阻抗的噪声，来降低环路增益的大小，从而消除引起自激振荡的幅值平衡条件，来消除自激励振荡信号。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理系统，包括信号处理板以及布设在其上的信号处理电路，所述信号处理电路包括电流电压转换电路、信号放大电路、信号比较电路以及电平转化电路，其中，
所述电流电压转换电路，用于将电子倍增器CEM传递来的离子电流转化成电压；
所述信号放大电路，为有源高通滤波电路，包括运算放大器；
所述信号比较电路，包括高速比较器，用于过滤电子倍增器CEM产生的暗电流；
所述电平转化电路，用于将方波信号转化为差分信号；
所述电流电压转换电路、信号放大电路、信号比较电路以及电平转化电路依次连接；所述信号放大电路、信号比较电路以及电平转化回路的接地端串联单点接地。
进一步的，所述信号处理板上设有一连接器，所述信号处理板通过连接器与质谱仪通信连接。
进一步的，所述连接器的两端固定端子的一接地端以及运算放大器的一接地端分别就近接地。
进一步的，所述连接器两端固定端子的另一接地端还分别与运算放大器的另一接地端串联单点接地。
进一步的，所述信号比较电路的输入端电压高于比较端，则输出高电平信号；信号比较电路的输入端电压低于比较端电压，则输出低电平；信号比较电路输出端信号为由高/低电平组成的方波信号。
进一步的，所述运算放大器的截止频率32KHZ，通频带放大增益20倍。
进一步的，所述运算放大器为EL2075运算放大器。
进一步，所述校正装置为后置补偿电阻。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理系统具有以下优势：
(1)本发明创造采用连接器与运算放大器的“多点接地”，消除了公共阻抗耦合产生的噪声；
(2)进而利用连接器与运算放大器的串联单点接地以及其多点接地而组成的混合接地搭可以降低公共阻抗上的噪声电压；
(3)采用后置补偿电阻的“相位滞后”，提高了系统的稳定裕度；
本发明创造可以很好的减少系统的电磁干扰，提供系统的稳定性。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例所述的模块示意图；
图2为本发明创造实施例所述的运算放大器的电路示意图；
图3为本发明创造实施例所述的各电路单点接地地示意图；
图4为本发明创造实施例所述的“混合接地”示意图；
图5为本发明创造实施例所述的反馈模型示意图；
图6为本发明创造实施例所述的实验效果图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
如图1所示，一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理系统，包括信号处理板以及布设在其上的信号处理电路，所述信号处理电路包括电流电压转换电路、信号放大电路、信号比较电路以及电平转化电路，其中，
所述电流电压转换电路，用于将电子倍增器CEM传递来的离子电流转化成电压；
所述信号放大电路，为有源高通滤波电路，包括运算放大器；
所述信号比较电路，包括高速比较器，用于过滤电子倍增器CEM产生的暗电流；
所述电平转化电路，用于将方波信号转化为差分信号；
所述电流电压转换电路、信号放大电路、信号比较电路以及电平转化电路依次连接；所述信号放大电路、信号比较电路以及电平转化回路的接地端串联单点接地。
其中，所述信号处理板上设有一连接器，所述信号处理板通过连接器与质谱仪通信连接。
其中，所述连接器的两端固定端子的一接地端以及运算放大器的一接地端分别就近接地。
其中，所述连接器两端固定端子的另一接地端还分别与运算放大器的另一接地端串联单点接地。
其中，所述信号比较电路的输入端电压高于比较端，则输出高电平信号；信号比较电路的输入端电压低于比较端电压，则输出低电平；信号比较电路输出端信号为由高/低电平组成的方波信号。
其中，所述运算放大器的截止频率32KHZ，通频带放大增益20倍。
其中，所述运算放大器为EL2075运算放大器。
其中，所述校正装置为后置补偿电阻。
本发明创造的具体改进原理：
针对信号处理板在正常通电，在不输入信号的条件下，运算放大器则会输出自激励的振荡信号，而自激振荡信号的产生有2个必要前提
(1)振荡的幅度平衡条件即环路增益大于1(|AF|≥1)；
(2)振荡的相位平衡条件，即ΦA+ΦF＝2nπ(n＝0,1,2,3······)。
如图5所示，其中，F为反馈系数，AF为环路增益。A(开环增益)＝XO/Xi， F(反馈系数)＝Xf/Xo
实施例(一)，如图2所示，三重四极杆质谱仪的待处理信号为小模拟信号，小模拟信号的接地方式，本发明创造首先采用单点串联接地法，把电流电压转换电路、信号放大电路、信号比较电路以及电平转化电路的接地线集中同一点接地，信号处理板的各个回路共地连接，通过一点将各个回路连接在一起，这样的接地法简单，便于实施，但会产生公共阻抗；此外，在信号处理板上有一个连接器，在靠近信号处理板的连接器，该连接器用于信号处理板和质谱仪之间的通讯和电路板的供电。
本发明创造采用“多点接地”,连接器两边的固定端子以及运算放大器的接地端分别就近接地，其中，连接器的GND端与PCB的地连在一起，然后通过螺钉与设备机壳相连。此外，为了更有效地抑制共模干扰，在信号处理板的连接器处把PCB的地层进行分割。分割地层以防止高频数字信号的回流，连接设备机壳则是保证该区域的“地”和机壳具有相等的电位。
如图3所示，本发明创造还采取了“混合接地”，即在产生自激信号的运算放大电路和连接器的两个固定端子“多点接地”的基础上，再进行单点串联接地。
通过混合接地可以降低公共阻抗上的噪声电压，从而减小反馈电路产生的Xf的大小，Xf减小则环路增益减小，当环路增益|AF|＜1时，自激振荡的幅值平衡条件被打破，自激消除。
其次，本发明创造在消除运算放大器产生自激振荡信号的基础上，为了更好地提高系统的稳定裕度，引入了反馈环路外的补偿法，也就是在运放的输出端引入了相位滞后补偿的校正装置R’,用其高频幅值衰减特性,通过降低系统的开环截止频率ωc，提高系统的相角裕度γ)来改善系统性能；改善后的电路结构如图4所示。
信号处理电路通过改善了公共阻抗耦合和引入环路补偿法这些改进后，成功的去除了自激振荡的问题，提高了电路的抗电磁干扰能力；信号处理板在正常通电，无输入信号的情况下，运算放大器的输出端无自激振荡信号；在运算放大器的前级和后级分别引入了超前校正装置R和滞后校正装置R’，通过改善系统的相位，提高了稳定裕度，在电路结构上消除了电磁干扰，如图6所示。
实施例(二)，在实施例(一)的信号放大电路、信号比较电路和电平转换电路单点接地基础上改进，具体地，分别在信号放大电路、信号比较电路和电平转换电路旁设置联地过孔，将三个联地过孔以定位孔的方式通过螺钉固定在设备的机壳上，采用了“混合接地”，一方面减小了公共耦合阻抗引起的电磁干扰；另一方面，可以通过这三个定位孔将电路板以三角固定的方式固定在设备的机壳上，安装方式不但稳固而且灵活巧妙。
本发明创造解决了运放的自激励振荡信号，提高了干电磁干扰性。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路，其特征在于：包括信号处理板以及布设在其上的信号处理电路，所述信号处理电路包括电流电压转换电路、信号放大电路、信号比较电路以及电平转化电路，其中，
所述电流电压转换电路，用于将电子倍增器CEM传递来的离子电流转化成电压；
所述信号放大电路，为有源高通滤波电路，包括运算放大器；
所述信号比较电路，包括高速比较器，用于过滤电子倍增器CEM产生的暗电流；
所述电平转化电路，用于将方波信号转化为差分信号；
所述电流电压转换电路、信号放大电路、信号比较电路以及电平转化电路依次连接；所述信号放大电路、信号比较电路以及电平转化回路的接地端串联单点接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路，其特征在于：所述信号处理板上设有一连接器，所述信号处理板通过连接器与质谱仪通信连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路，其特征在于：所述连接器的两端固定端子的一接地端以及运算放大器的一接地端分别就近接地。
4.根据权利要求3所述的一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路，其特征在于：所述连接器两端固定端子的另一接地端还分别与运算放大器的另一接地端串联单点接地。
5.根据权利要求1所述的一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路，其特征在于：所述信号比较电路的输入端电压高于比较端，则输出高电平信号；信号比较电路的输入端电压低于比较端电压，则输出低电平；信号比较电路输出端信号为由高/低电平组成的方波信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路，其特征在于：所述运算放大器的截止频率32KHZ，通频带放大增益20倍。
7.根据权利要求5所述的一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路，其特征在于：所述运算放大器为EL2075运算放大器。
8.根据权利要求1所述的一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路，其特征在于：所述运算放大器的输出端设有一用于相位滞后补偿的校正装置，用于提高电路的稳定裕度。
9.根据权利要求7所述的一种基于三重四极杆质谱仪的信号处理电路，其特征在于：所述校正装置为后置补偿电阻。
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