CN112904111B - 一种离子信号检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离子信号检测电路，包括：至少一个运算放大器以及与每个所述运算放大器相连接的电压调理电路；所述运算放大器用于接收目标离子信号，并对所述目标离子信号进行放大处理，输出放大离子信号至所述电压调理电路；所述电压调理电路用于对所述放大离子信号进行调节，输出目标检测电压信号。本发明提供的离子信号检测电路，利用运算放大器对离子信号进行放大，并利用电压调理电路对放大后的信号进行多级滤波，可以去除信号中的大部分高频噪声，包括电源噪声、外界噪声以及电路本身的噪声，提高信号稳定性，能够实现多通道同步检测，且各个通道之间不会相互干扰，检测精度和稳定性较高。

Description

一种离子信号检测电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种离子信号检测电路。

背景技术

离子信号的实时、准确检测是现今亟需解决的一个技术难题，而多通道检测更增加了离子检测的难度。

目前，针对离子信号检测的方法，普遍是采用火焰光度仪、色谱仪、显微滴定仪等土壤离子检测方法，其共同特点就是仅能实现对于单一离子特性进行分析。

市场上所存在的多种信号检测仪器，如光度仪、色谱仪，前者只能检测单一离子的浓度，且检测前准备时间过长；而色谱仪由于设备昂贵，一般的检测人员无法承担如此高昂的成本。

有鉴于此，能够提供一种成本低廉、检测精度高，且能够同时实现多通道离子检测的检测装置，成为本领域技术人员的研发重点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种离子信号检测电路，能够实现多通道同步检测，且检测速度快、检测准确度高、成本低。

本发明提供一种离子信号检测电路，包括：至少一个运算放大器以及与每个运算放大器相连接的电压调理电路；运算放大器用于接收目标离子信号，并对目标离子信号进行放大处理，输出放大离子信号至电压调理电路；电压调理电路用于对放大离子信号进行调节，输出目标检测电压信号。

根据本发明提供的一种离子信号检测电路，运算放大器为AD549放大器，电压调理电路为LF356N放大器。

根据本发明提供的一种离子信号检测电路，目标离子信号接入AD549放大器的第三引脚；AD549放大器的第二引脚连接第一电阻的一端、第一电容的一端和第二电阻的一端，第二电阻的另一端接地；AD549放大器的第六引脚连接第一电阻的另一端、第一电容的另一端，AD549放大器的第六引脚为AD549放大器的信号输出端；AD549放大器的第一引脚连接第一变阻器的一固定端，AD549放大器的第五引脚连接第一变阻器的另一固定端，第一变阻器的滑动端连接直流电源负极；AD549放大器的第四引脚连接直流电源的负极；AD549放大器的第七引脚连接直流电源的正极。

根据本发明提供的一种离子信号检测电路，第一变阻器为滑动变阻器；放大离子信号的电压与目标离子信号的电压之间的倍率，是根据第一变阻器的滑动端的滑动位置确定的。

根据本发明提供的一种离子信号检测电路，述AD549放大器的第四引脚还连接第二电容的一端，第二电容的另一端接地；AD549放大器的第七引脚还连接第三电容的一端，第三电容的另一端接地。

根据本发明提供的一种离子信号检测电路，第一电阻的型号为50KΩ，第一电容的型号为1μF，第二电阻的型号为10KΩ，直流电源的正极电压为+12V，直流电源的负极电压为-12V，第二电容和第三电容均为104电容，第一变阻器的最大阻值为20KΩ。

根据本发明提供的一种离子信号检测电路，LF356N放大器的第三引脚连接AD549放大器的信号输出端；LF356N放大器的第二引脚与LF356N放大器的第六引脚相短接；LF356N放大器的第六引脚还连接第四电阻的一端，第四电阻的另一端作为LF356N放大器的电压输出端；LF356N放大器的第五引脚连接第二变阻器的一固定端，LF356N放大器的第一引脚连接第二变阻器的另一固定端，第二变阻器的滑动端连接直流电源正极；LF356N放大器的第七引脚连接直流电源的正极；LF356N放大器的第四引脚连接直流电源的负极。

根据本发明提供的一种离子信号检测电路，所述第二变阻器为滑动变阻器；在调整第二变阻器的滑动端位于目标滑动位置的情况下，目标检测电压信号与放大离子信号的电压相等。

根据本发明提供的一种离子信号检测电路，LF356N放大器的第三引脚还连接第四电容的一端，第四电容的另一端接地。

根据本发明提供的一种离子信号检测电路，第四电阻的型号为50KΩ，第二变阻器的最大阻值为20KΩ，第四电容的型号为0.1μF。

本发明提供的离子信号检测电路，利用运算放大器对离子信号进行放大，并利用电压调理电路对放大后的信号进行多级滤波，可以去除信号中的大部分高频噪声，包括电源噪声、外界噪声以及电路本身的噪声，提高信号稳定性，能够实现多通道同步检测，且各个通道之间不会相互干扰，检测精度和稳定性较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的离子信号检测电路的结构示意图；

图2是本发明提供的运算放大器的接线示意图；

图3是本发明提供的电压调理电路的接线示意图；

图4是本发明提供的离子信号检测电路中通道1的输入输出关系示意图；

图5是本发明提供的离子信号检测电路中通道2的输入输出关系示意图；

图6是本发明提供的离子信号检测电路中通道3的输入输出关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”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的限制。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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1-图6描述本发明实施例所提供的离子信号检测电路。

图1是本发明提供的离子信号检测电路的结构示意图，如图1所示，包括但不限于以下结构：至少一个运算放大器以及与每个运算放大器相连接的电压调理电路；运算放大器用于接收目标离子信号，并对目标离子信号进行放大处理，输出放大离子信号至所述电压调理电路；电压调理电路用于对放大离子信号进行调节，输出目标检测电压信号。

需要说明的是，本发明提供的离子信号检测电路所要解决的技术问题是提供一种同时实现多通道离子信号检测的电路及装置。其中，用于执行每个通道检测的子电路的结构相同且相互独立，以确保检测信号不会被其它通道检测的干扰。

可选地，通道数量可以根据实际检测需要进行增减，例如可以选择8通道检测，每个通道可以独立的对不同的离子信号进行检测，并单独的输出对应的检测结果。

进一步地，由于各个通道检测的子电路的结构相同，为便于描述，后续实施例均以其中的任一路为例来阐述本申请的电路原理。

由于采集到的离子信号往往较为微弱(mv级别的)，难以直接对其进行处理以及读取，故在本发明提供的离子信号检测电路的每个子电路中至少包括一个运算放大器，以用于对目标离子信号进行放大处理，以便于更清楚的反映出出目标离子信号的信号特征。

需要说明的是，本发明不对运算放大器的具体选型以及结果作具体的限定，例如可以采用高阻型集成运算放大器，如LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

进一步地，由于所采集的离子信号往往存在电源噪声、外界噪声以及电路本身的噪声干扰，且信号本身的波动性大，稳定性差，故在本发明提供的离子信号检测电路的每个子电路中还至少包括一个电压调理电路。其中，电压调理电路的输入端连接运算放大器的输出端，以对运算放大器所输出的放大离子信号进行电压调理，根据模拟量的放大离子信号，输出一个稳定的数字量的检测电压信号。

需要说明的是，本发明不对电压调理电路的具体选型以及结果作具体的限定，在满足于对放大离子信号进行放大、缓冲或定标，并使其适合于模数转换器的输入的相关调理电路，均可运用于本申请的离子信号检测电路。

本发明提供的离子信号检测电路，利用运算放大器对离子信号进行放大，并利用电压调理电路对放大后的信号进行多级滤波，可以去除信号中的大部分高频噪声，包括电源噪声、外界噪声以及电路本身的噪声，提高信号稳定性，能够实现多通道同步检测，且各个通道之间不会相互干扰，检测精度和稳定性较高。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在本发明提供的离子信号检测电路中，运算放大器可以为AD549放大器，电压调理电路可以为LF356N放大器。

其中，AD549放大器是具有极低输入偏置电流的单片电路静电计型运算放大器。由于AD549放大器适用于低输入电流和低输入偏置电压的场合，因此本发明利用其作为目标离子信号的放大器。

进一步地，由于AD549是采用TO-99密封封装，其金属外壳与8管脚相连，使得金属外壳与同样电压的输入终端独立连接，达到降低外壳泄漏的目的。

进一步地，LF356N放大器是一种高输入阻抗运算放大器，采用JFET组成差分输入级，其输入阻抗高达10¹²Ω能保证在输入电压信号或负载发生变化时，输出稳定的电压。

本发明提供的离子信号检测电路，在选用AD549放大器作为运算放大器的同时，选用LF356N放大器作为电压调理电路，能在各自实现信号放大以及电压调理的同时，确保每个通道之间不会相互干扰，且检测精度和稳定性高，即通过采用简单的放大器作为基本元件，省去了复杂的芯片控制。

图2是本发明提供的运算放大器的接线示意图，作为一种可选实施例，如图2所示，目标离子信号(以下简称IN信号)接入AD549放大器的第三引脚；AD549放大器的第二引脚连接第一电阻R1的一端、第一电容C1的一端和第二电阻R2的一端，第二电阻R2的一端的另一端接地；AD549放大器的第六引脚连接第一电阻R1的另一端、第一电容C1的另一端，AD549放大器的第六引脚为AD549放大器的信号输出端；AD549放大器的第一引脚连接第一变阻器R3的一固定端，AD549放大器的第五引脚连接所述第一变阻器R3的另一固定端，第一变阻器R3的滑动端连接直流电源负极；AD549放大器的第四引脚连接直流电源的负极；AD549放大器的第七引脚连接直流电源的正极。

AD549放大器的各个引脚的功能为：第一引脚为调零端(offset null)、第二引脚为正向输入端(inverting input)、第三引脚为反向输入端(no-inverting input)、第四引脚为负电源输入端(V^-)、第五引脚为调零端(offset null)、第六引脚为信号输出端(output)、第七引脚为正电源输入端(V⁺)。

基于AD549放大器各个引脚的上述功能，本发明通过将目标离子信号接入其第三引脚，以与第二引脚的接地端GND电位进行比较。

另外，通过将其第六引脚通过第一电阻R1与第二引脚相连接，引入负反馈，以增强电路的稳定性。

本发明提供的离子信号检测电路，通过选择AD549放大器作为运算放大器，采用简单的放大器作为基本元件，省去了复杂的芯片控制。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，第一变阻器R3可以为滑动变阻器；放大离子信号的电压与目标离子信号的电压之间的倍率，是根据第一变阻器的滑动端的滑动位置确定的。

具体地，本发明提供的离子信号检测电路，在引入第一变阻器R3后，在具体检测过程中，能通过调节滑动变阻器控制AD549放大器输出的放大离子信号的电压与输入的目标离子信号之间的倍数。

如图2所示，通过调整第一变阻器R3的滑动端，能控制第一引脚与第五引脚之间的电压降，从而实现控制AD549放大器的输入输出比率。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，AD549放大器的第四引脚还连接第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端接地；AD549放大器的第七引脚还连接第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端接地。

具体地，本发明提供的离子信号检测电路，第四引脚和第七引脚分别连接电源的负极和电源的正极，同时通过在第四引脚以及第七引脚上并联一个电容接地，以过滤电源中的高频噪声，提供稳定的输入电压。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述第一电阻R1的型号为50KΩ，所述第一电容C1的型号为1μF，所述第二电阻R2的型号为10KΩ，所述直流电源的正极电压为+12V，所述直流电源的负极电压为-12V，所述第二电容C2和所述第三电容C3均为104电容(大小约为0.1μF)，第一变阻器的最大阻值为20KΩ。

图3是本发明提供的电压调理电路的接线示意图，作为一种可选实施例，如图3所示，LF356N放大器的第三引脚连接AD549放大器的信号输出端IN’；LF356N放大器的第二引脚与LF356N放大器的第六引脚相短接；LF356N放大器的第六引脚还连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端作为LF356N放大器的电压输出端OUT’；LF356N放大器的第五引脚连接第二变阻器的一固定端，LF356N放大器的第一引脚连接第二变阻器R5的另一固定端，第二变阻器R5的滑动端连接直流电源正极；LF356N放大器的第七引脚连接直流电源的正极；LF356N放大器的第四引脚连接直流电源的负极。

LF356N放大器的各个引脚的功能为：第一引脚为调零端(balance)、第二引脚为正向输入端(inverting input)、第三引脚为反向输入端(no-inverting input)、第四引脚为负电源输入端(V^-)、第五引脚为调零端(balance)、第六引脚为信号输出端(output)、第七引脚为正电源输入端(V⁺)，第八引脚为空脚(connected)。

本发明提供的离子信号检测电路，通过将LF356N3放大器的第六引脚和第二引脚进行短接，以根据虚短的原理，将LF356N3放大器制成一个电压跟随器，使得输入的放大离子信号与输出的目标检测电压信号的电压值相等。

本发明充分考离子信号的特性，选用LF356N放大器作为电压调理电路，能在各自实现信号放大以及电压调理的同时，确保每个通道之间不会相互干扰，且检测精度和稳定性高。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，第二变阻器R5为滑动变阻器；在调整第二变阻器R5的滑动端位于目标滑动位置的情况下，目标检测电压信号与放大离子信号的电压相等。

具体地，本发明一方面通过将LF356N3放大器的第六引脚和第二引脚进行短接，另一方面，通过在其第一引脚与第五引脚之间增设第二变阻器R5，用于精确调节使输出电压等于输入电压。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述LF356N放大器的第三引脚还连接第四电容C4的一端，第四电容C4的另一端接地。

具体地，本发明提供的离子信号检测电路，通过将AD549放大器输出的放大离子信号通过LF356N放大器的IN’接线端输入，并在输入至LF356N3放大器之前并联第四电容C4，第四电容C4的另一端接地，以过滤放大离子信号里的高频噪声。

可选地，第四电阻R4的型号可以为50KΩ，第二变阻器R5的最大阻值可以为20KΩ，第四电容C4的型号可以为0.1μF。

作为一种具体的实施例，本发明以三通道的离子信号检测电路为例对本发明提供的离子信号检测电路的工作稳定性进行验证：

首先按照图2和图3所示的接线图，将各接地点接地，使其统一为0电位；然后，将±12V电源分别接入每一路放大器。

可选地，在具体检测过程中，整个离子信号检测电路应当放在金属壳中进行检测，防止外界信号产生干扰。

将每一个运算放大器的输入端依次接入160mVDC电压作为目标离子信号，并测量电压调理电路的输出电压信号，以检测电路的放大稳定性，并用公式分别表达两者之间的相关性。

其中，图4是本发明提供的离子信号检测电路中通道1的输入输出关系示意图；图5是本发明提供的离子信号检测电路中通道2的输入输出关系示意图；图6是本发明提供的离子信号检测电路中通道3的输入输出关系示意图。

由于目标离子信号与输出电压信号之间的相关性越大，能说明离子信号检测电路的稳定性越好，具体检测结果如图4-图6所示，三路检测的相关性均为近似于1，证明本发明所提供的离子信号检测电路的放大稳定性非常好。

进一步地，再将10HZ电压信号接入每一路放大器输入端，同理检测电压调理电路的输出端的电压，并将输入的10HZ电压信号与输出的检测电压信号进行比较，且用公式表达两者之间的相关性。实际数据显示，两者的相关性也是接近于1，证明本发明所提供的离子信号检测电路的频率稳定性也是比较好的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种离子信号检测电路，其特征在于，包括：

至少一个运算放大器以及与每个所述运算放大器相连接的电压调理电路；

所述运算放大器用于接收目标离子信号，并对所述目标离子信号进行放大处理，输出放大离子信号至所述电压调理电路；

所述电压调理电路用于对所述放大离子信号进行调节，输出目标检测电压信号；

所述运算放大器为AD549放大器，所述电压调理电路为LF356N放大器；

所述目标离子信号接入所述AD549放大器的第三引脚；

所述AD549放大器的第二引脚连接第一电阻的一端、第一电容的一端和第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端接地；

所述AD549放大器的第六引脚连接所述第一电阻的另一端、所述第一电容的另一端，所述AD549放大器的第六引脚为所述AD549放大器的信号输出端；

所述AD549放大器的第一引脚连接第一变阻器的一固定端，所述AD549放大器的第五引脚连接所述第一变阻器的另一固定端，所述第一变阻器的滑动端连接直流电源负极；

所述AD549放大器的第四引脚连接直流电源的负极；

所述AD549放大器的第七引脚连接所述直流电源的正极。

2.根据权利要求1所述的离子信号检测电路，其特征在于，所述第一变阻器为滑动变阻器；

所述放大离子信号的电压与所述目标离子信号的电压之间的倍率，是根据所述第一变阻器的滑动端的滑动位置确定的。

3.根据权利要求1所述的离子信号检测电路，其特征在于，所述AD549放大器的第四引脚还连接第二电容的一端，所述第二电容的另一端接地；所述AD549放大器的第七引脚还连接第三电容的一端，所述第三电容的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的离子信号检测电路，其特征在于，所述第一电阻的型号为50KΩ，所述第一电容的型号为1μF，所述第二电阻的型号为10KΩ，所述直流电源的正极电压为+12V，所述直流电源的负极电压为-12V，所述第二电容和所述第三电容均为104电容，所述第一变阻器的最大阻值为20KΩ。

5.根据权利要求1所述的离子信号检测电路，其特征在于，

所述LF356N放大器的第三引脚连接所述AD549放大器的信号输出端；

所述LF356N放大器的第二引脚与所述LF356N放大器的第六引脚相短接；

所述LF356N放大器的第六引脚还连接第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端作为所述LF356N放大器的电压输出端；

所述LF356N放大器的第五引脚连接第二变阻器的一固定端，所述LF356N放大器的第一引脚连接第二变阻器的另一固定端，所述第二变阻器的滑动端连接直流电源正极；

所述LF356N放大器的第七引脚连接所述直流电源的正极；

所述LF356N放大器的第四引脚连接所述直流电源的负极。

6.根据权利要求5所述的离子信号检测电路，其特征在于，所述第二变阻器为滑动变阻器；

在调整所述第二变阻器的滑动端位于目标滑动位置的情况下，所述目标检测电压信号与所述放大离子信号的电压相等。

7.根据权利要求5所述的离子信号检测电路，其特征在于，所述LF356N放大器的第三引脚还连接第四电容的一端，所述第四电容的另一端接地。

8.根据权利要求7所述的离子信号检测电路，其特征在于，所述第四电阻的型号为50KΩ，所述第二变阻器的最大阻值为20KΩ，所述第四电容的型号为0.1μF。

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