CN112782507A - 一种基于stm32的微弱电子信号捕获采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仪器仪表技术领域，特别涉及一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统；本发明包括静电计运放模块、压频转换模块、调节基频模块、脉宽调制模块、信号调理模块、高压脉冲模块、滤波模块、模数转换采集模块、STM32主控芯片、DAC转换芯片；本发明可以进行基流和基频调节，提高电子俘获速率，而且可以提高电子捕获检测器灵敏度和线性范围，本发明具有较高的采集精度，具备低噪声和低成本的性能。
Description
技术领域
本发明涉及仪器仪表技术领域，特别涉及一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统。
背景技术
传统电子捕获检测器(ECD)的采集电路难以通过对基流I0、基频F0精细调节，高压脉冲的宽度TW宽范围调节，在检测器池结构固定的情况下无法有效提高检测器灵敏度和线性范围，且存在采集精度低，噪声高，成本高等问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其对收集到的电子信号进行提取放大，并将放大后的信号进行采集并传输至上位机，在此过程中方便调整高压脉冲宽度、基流大小、基频大小，以适应电子捕获检测器的检测器池结构同时具有较高数据传输速率，可方便调整电子捕获检测器内各项指标系统至最佳性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其连接在电子捕获检测器，其中，包括：
静电计运放模块，用于将所述电子捕获检测器发送的微弱电子信号进行放大处理；
压频转换模块，用于将所述静电计运放模块传输的电压信号转换成频率；
调节基频模块，用于对所述压频转换模块传输的信号进行基频调节；
脉宽调制模块，用于对所述调节基频模块传输的信号进行调节脉宽；
信号调理模块，用于对所述脉宽调制模块传输的信号进行低通滤波；
高压脉冲模块，用于将所述信号调理模块传输的信号输入至所述电子捕获检测器的采集端；
滤波模块，用于滤除所述静电计放模块传输的信号中500KHZ以上频率的噪声；
模数转换采集模块，用于将所述滤波模块传输的信号中有用成分转换成数字信号传输至STM32主控；
STM32主控芯片，用于将所述模数转换采集模块传输的信号进行处理；
DAC转换芯片，用于将所述STM32主控芯片输出的信号进行转换输送至所述电子捕获检测器。
作为本发明的一种改进，所述STM32主控芯片与所述调节基频模块进行I/O接口通信。
作为本发明的进一步改进，所述静电计运放模块采用ADA4530-1运算放大器。
作为本发明的更进一步改进，所述压频转换模块采用AD652芯片。
作为本发明的更进一步改进，所述调节基频模块采用STC8F2K08S2芯片。
作为本发明的更进一步改进，所述脉宽调制模块采用SN74LVC1G123DCUT芯片。
作为本发明的更进一步改进，所述信号调理模块包括低通滤波器和RC抗混叠滤波电路。
作为本发明的更进一步改进，所述模数转换采集模块采用AD7190芯片。
作为本发明的更进一步改进，所述DAC转换芯片采用LTC2756芯片。
作为本发明的更进一步改进，所述STM32主控芯片与所述DAC转换芯片进行SPI接口通信。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明可以进行基流和基频调节，提高电子俘获速率较高，而且可以提高电子捕获检测器灵敏度和线性范围，本发明具有较高的采集精度，具备低噪声和低成本的性能。
附图说明
图1为基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统的框图；
图2为本发明的STM32主控芯片的连接框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
电子捕获检测器(ECD)的线性范围比其他检测器类型窄，这对于各组分浓度变化较大的样品准确测量是不利的，合适的设计可以增加仪器的线性范围。
在池体积不变、在实验室条件的情况下，池中信号的电子流信号不变，前端低偏置电流运算放大器处基流I0的变化、会影响线性范围同时基频的变化又会影响系统的噪声，又由于捕获电子流的高压脉冲的宽度TW需要随池体积的变化而采取调整，以保证在ECD检测电路的恒电流频率调制方式中脉冲电场宽度TW便于调整，在每次脉冲到来时，检测器池中自由电子可以被完全吸收。
如图1至图2所示，本发明提供一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其连接在电子捕获检测器。
本发明的基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统包括：
静电计运放模块，用于将电子捕获检测器发送的微弱电子信号进行放大处理；
压频转换模块，用于将静电计运放模块传输的电压信号转换成频率；
调节基频模块，用于对压频转换模块传输的信号进行基频调节；
脉宽调制模块，用于对调节基频模块传输的信号进行调节脉宽；
信号调理模块，用于对脉宽调制模块传输的信号进行低通滤波；
高压脉冲模块，用于将信号调理模块传输的信号输入至电子捕获检测器的采集端；
滤波模块，用于滤除静电计放模块传输的信号中500KHZ以上频率的噪声；
模数转换采集模块，用于将滤波模块传输的信号中有用成分转换成数字信号传输至STM32主控；
STM32主控芯片，用于将模数转换采集模块传输的信号进行处理；
DAC转换芯片，用于将STM32主控芯片输出的信号进行转换输送至电子捕获检测器。
本发明基流I0精细可调，基频F0精细可调，电子俘获速率较高的可以提高检测器灵敏度和线性范围，本发明具有较高采集精度，低噪声，低成本等性能。
其中，STM32主控芯片与调节基频模块进行I/O接口通信，静电计运放模块采用ADA4530-1运算放大器，压频转换模块采用AD652芯片，调节基频模块采用STC8F2K08S2芯片，脉宽调制模块采用SN74LVC1G123DCUT芯片。
信号调理模块包括低通滤波器和RC抗混叠滤波电路，模数转换采集模块采用AD7190芯片，DAC转换芯片采用LTC2756芯片，STM32主控芯片与所述DAC转换芯片进行SPI接口通信。
具体地讲，如图1所示，由恒电流高压脉冲从电子捕获检测器的检测器池导电柱捕获到10-8～10-9A的微弱电子流，微弱电子流直接传送至静电计运算模块进行放大，捕捉微弱电子流的前置输入级运算放大器要求具有低失调电压、低输入偏置、低电压噪声密度的特性，同时具有极低漏电流以便实现对捕获信号的有效采集，降低引入噪声，保证信号纯净，进入静电计运算放大器输入端的微弱电流较小，需要增加偏置电流，以提高输入信号的输入电流值。
电子捕获检测器(ECD)的检测池产生的电子流大小与样品物质浓度有关，高浓度样品响应可能使峰饱和，故在测量高浓度样品时需要调节基流以利于图形有良好的峰值响应线性度；信号从电子捕获检测器的检测器池输出后进入静电计运算放大器(静电计运算模块的一个组成部分)，由于输入偏置电流的幅度决定了精确分辨信号电流大小的能力，故选用ADA4530-1运算放大器，该运算放大器具有±20fA的输入偏置电流可以有效减小输入干扰，同时具有±0.13μV/℃的低电压漂移可以保证信号平稳，之后信号分两路，一路进入压频转换模块，一路通过滤波模块进入模数转换模块(采用AD7190芯片)，其中压频转换模块将放大后的电压信号转换成频率，实现该功能选用AD652芯片。
AD652芯片在最高转换频率1MHZ时只有0.005％线性误差，可以精准实现压频线性转换。第二路的滤波模块采用低通滤波设计用以滤除500KHZ以上的频率，之后输入AD7190芯片的超低噪声模数转换ADC，AD7190芯片的超低噪声模数转换ADC无噪声分辨率22.5位，编程设计时选用使用自带的50HZ/60HZ模块滤除工频干扰，同时使用外部时钟晶振。
此处选用数据输出速率3KHz的速率S，以提高数据准确性并降低采集数据速率过高带来的噪声；之后通过STM32主控芯片实现与AD7190芯片进行通信，AD7190芯片在使用时应保证模拟电源和数字电源彼此独立。
采集到的数据通过SPI接口传输到STM32主控芯片进行处理，在STM32主控芯片的程序中设置阈值去除突变信号，之后STM32主控芯片通过485总线传输源码与外部模块通信，使用源码传输以排除计算机除法计算的溢码等误差。
压频转换后的信号传输至调节基频芯片(采用STC8F2K08S2芯片)以实现基频F0的调节，其中STM32芯片与STC8F2K08S2芯片通过I/O口进行通信(如图2)，通过设置STC8F2K08S2芯片对压频转换来的脉冲进行捕获后通过编程进行分频处理实现基频F0从50HZ到100kHZ的频率可调，调整系统至最佳性能。之后脉宽调制模块采用单稳态触发器芯片SN74LVC1G123DCUT，其外部电阻使用1KΩ/±10％/±100ppm/℃的精密可调电位器实现脉宽的微调，之后通过低通滤波器、RC抗混叠滤波电路以便消除模拟和基准输入端的噪声；传输至高压脉冲模块，高压脉冲模块无衰减的将信号传输至电子捕获检测的采集端，实现信号捕获采集。
STM32主控芯片控制输出的电流输出ADC使用一款可编程18位DAC转换芯片(采用LTC2756芯片)(图2)，LTC2756芯片具有2.1us建立时间，±1LSB的INL误差，通过主控芯片STM32编程实现与其SPI接口通信，进而进项输出电压控制，实现-2.5v至+7.5V输出范围的精细可调电压，进而电压转换为可调微弱电流，以便调整基流大小I0，适用不同电子流浓度下的宽范围调节。
上述设计中芯片所有的供电电源都应该采用超高精度带隙基准电压源，所有电源输出引脚都加上有去耦电容。本发明鉴于所述实际情况而完成，目的在于提供能够宽范围参数可调的有效捕获电子捕获检测器内的微弱电流信号的设备。
在本发明内中：1、由于输入偏置电流的幅度决定了精确分辨信号电流大小的能力，故选用ADA4530-1运算放大器。2、压频转换模块，将放大后的电压信号转换成频率，实现该功能选用AD652芯。3、ADC采用无噪声分辨率22.5位的AD7190超低噪声模数转换ADC。4、压频转换后的信号传输至STC8F2K08S2芯片以实现基频F0的调节。5、通过设置STC8F2K08S2芯片对压频转换来的脉冲进行捕获后通过编程进行分频处理实现基频F0从50HZ到100kHZ的频率可调。6、脉宽调制模块采用单稳态触发器芯片SN74LVC1G123DCUT，外部电阻使用1KΩ/±10％/±100ppm/℃的精密可调电位器实现脉宽的微调，之后通过低通滤波器、RC抗混叠滤波电路以便消除模拟和基准输入端的噪声。7、STM32主控芯片控制输出的电流输出ADC使用一款可编程18位DAC转换芯片LTC2756。8、本发明方便调整高压脉冲宽度TW、基流大小I0、基频大小F0、数据传输速率S。
本发明的基流I0精细可调，基频F0精细可调，电子俘获速率较高的可以提高检测器灵敏度和线性范围的电路采集系统，本发明具有较高采集精度，低噪声，低成本等性能。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其连接在电子捕获检测器，其特征在于，包括：
静电计运放模块，用于将所述电子捕获检测器发送的微弱电子信号进行放大处理；
压频转换模块，用于将所述静电计运放模块传输的电压信号转换成频率；
调节基频模块，用于对所述压频转换模块传输的信号进行基频调节；
脉宽调制模块，用于对所述调节基频模块传输的信号进行调节脉宽；
信号调理模块，用于对所述脉宽调制模块传输的信号进行低通滤波；
高压脉冲模块，用于将所述信号调理模块传输的信号输入至所述电子捕获检测器的采集端；
滤波模块，用于滤除所述静电计放模块传输的信号中500KHZ以上频率的噪声；
模数转换采集模块，用于将所述滤波模块传输的信号中有用成分转换成数字信号传输至STM32主控；
STM32主控芯片，用于将所述模数转换采集模块传输的信号进行处理；
DAC转换芯片，用于将所述STM32主控芯片输出的信号进行转换输送至所述电子捕获检测器。
2.根据权利要求1所述的一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其特征在于，所述STM32主控芯片与所述调节基频模块进行I/O接口通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其特征在于，所述静电计运放模块采用ADA4530-1运算放大器。
4.根据权利要求1所述的一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其特征在于，所述压频转换模块采用AD652芯片。
5.根据权利要求1所述的一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其特征在于，所述调节基频模块采用STC8F2K08S2芯片。
6.根据权利要求1所述的一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其特征在于，所述脉宽调制模块采用SN74LVC1G123DCUT芯片。
7.根据权利要求1所述的一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其特征在于，所述信号调理模块包括低通滤波器和RC抗混叠滤波电路。
8.根据权利要求1所述的一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其特征在于，所述模数转换采集模块采用AD7190芯片。
9.根据权利要求1所述的一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其特征在于，所述DAC转换芯片采用LTC2756芯片。
10.根据权利要求1所述的一种基于STM32的微弱电子信号捕获采集系统，其特征在于，所述STM32主控芯片与所述DAC转换芯片进行SPI接口通信。
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