CN114264629A - 一种近红外传感电路及近红外光谱探测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近红外传感电路及近红外光谱探测，包括开关电源供电电路、ADC采样电路、DAC输出放大电路、微处理器及近红外传感器；所述开关电源供电电路用于为所述全波段近红外传感器中的其他组件供电；所述微处理器通过所述DAC输出放大电路及所述ADC采样电路与所述近红外传感器电连接；所述DAC输出放大电路的DAC芯片为AD5541芯片；所述DAC输出放大电路的运算放大器芯片为LTC2057芯片和/或LTC2057HV芯片。本发明中AD5541芯片、LTC2057芯片与LTC2057HV芯片组成的近红外传感电路，可实现控制精度达到0.05V的电压控制，大大提升了近红外传感电路的控制精度，即检测精度。

Description

一种近红外传感电路及近红外光谱探测仪
技术领域
本发明涉及近红外光谱检测领域，特别是涉及一种近红外传感电路及近红外光谱探测仪。
背景技术
近红外光谱是介于可见光(Vis)和中红外(MIR)之间的电磁辐射波，美国材料检测协会(ASTM)将近红外光谱区定义为780-2526nm的区域，是人们在吸收光谱中发现的第一个非可见光区。近红外光谱区与有机分子中含氢基团(O-H、N-H、C-H)振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，因此该技术受到越来越多人的青睐。
然而，目前针对近红外光线的检测的现有技术中，检测精度过低，无法实现小波段近红外光扫描，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种近红外传感电路及近红外光谱探测仪，以解决现有技术中近红外波段检测精度低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种近红外传感电路，包括开关电源供电电路、ADC采样电路、DAC输出放大电路、微处理器及近红外传感器；
所述开关电源供电电路用于为所述全波段近红外传感器中的其他组件供电；
所述微处理器通过所述DAC输出放大电路及所述ADC采样电路与所述近红外传感器电连接；
所述DAC输出放大电路的DAC芯片为AD5541芯片；所述DAC输出放大电路的运算放大器芯片为LTC2057芯片和/或LTC2057HV芯片。
可选地，在所述的近红外传感电路中，所述开关电源的供电电路通过滤波电感连接至所述AD5541芯片的供电引脚。
可选地，在所述的近红外传感电路中，所述AD5541芯片的供电引脚分别连接于所述滤波电感的第一端及滤波电容的第一端；
所述滤波电容的第二端接地。
可选地，在所述的近红外传感电路中，所述红外传感电路包括I/V积分放大器；
所述近红外传感器通过所述I/V积分放大器与所述ADC采样电路电连接。
可选地，在所述的近红外传感电路中，所述红外传感电路还包括同相比例放大器；
所述I/V积分放大器通过所述同相比例放大器与所述ADC采样电路电连接。
可选地，在所述的近红外传感电路中，所述I/V积分放大器与所述同相比例放大器之间还包括RC低通滤波器。
可选地，在所述的近红外传感电路中，所述DAC输出放大电路的升压芯片为LT8361芯片。
可选地，在所述的近红外传感电路中，所述LT8361芯片的接地引脚通过陶瓷电容接地。
可选地，在所述的近红外传感电路中，所述ADC采样电路的ADC芯片为AD7699芯片，所述ADC采样电路的运算放大器芯片为OPA2194芯片。
一种近红外光谱探测仪，所述近红外光谱探测仪包括如上述任一种所述的近红外传感电路。
本发明所提供的近红外传感电路，包括开关电源供电电路、ADC采样电路、DAC输出放大电路、微处理器及近红外传感器；所述开关电源供电电路用于为所述全波段近红外传感器中的其他组件供电；所述微处理器通过所述DAC输出放大电路及所述ADC采样电路与所述近红外传感器电连接；所述DAC输出放大电路的DAC芯片为AD5541芯片；所述DAC输出放大电路的运算放大器芯片为LTC2057芯片和/或LTC2057HV芯片。
本发明中的DAC输出放大电路的DAC芯片为AD5541芯片，运算放大器芯片为LTC2057芯片和/或LTC2057HV芯片，在实际工作中，微处理器控制输出，将微处理器输出数字信号转为模拟信号再将模拟信号放大输出至探头，AD5541为低功耗、低毛刺的16位DAC芯片，LTC2057芯片与LTC2057HV芯片为高电压、低噪声、零漂移运算放大器，同时还提供了轨至轨输出摆幅和一个包括v-电源轨的输入共模范围，在宽电源范围内提供精准的dc性能，失调电压和1/f噪声受到抑制，因而使得该放大器能实现较低的最大失调电压和输入噪声电压LTC2057芯片的自校准电路可实现低失调电压温度漂移和零时间漂移，综上，LTC2057芯片及LTC2057HV芯片配合AD5541芯片组成的DAC输出放大电路可实现控制精度达到0.05V的电压控制，大大提升了近红外传感电路的控制精度，也即检测精度。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的近红外光谱探测仪。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明提供的近红外传感电路的一种具体实施方式的连接关系示意图；
图2至图5为本发明提供的近红外传感电路的一种具体实施方式的电路结构示意图；
图6为本发明提供的近红外传感电路的另一种具体实施方式的连接关系示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明的核心是提供一种近红外传感电路，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，包括开关电源供电电路100、ADC采样电路220、DAC输出放大电路、微处理器210及近红外传感器240；
所述开关电源供电电路100用于为所述全波段近红外传感器240中的其他组件供电；
所述微处理器210通过所述DAC输出放大电路及所述ADC采样电路220与所述近红外传感器240电连接；
所述DAC输出放大电路的DAC芯片为AD5541芯片231；所述DAC输出放大电路的运算放大器芯片为LTC2057芯片232和/或LTC2057HV芯片233芯片。
图1仅为所述近红外传感电路的简单结构连接关系示意图，所述AD5541芯片231、所述LTC2057芯片232和所述LTC2057HV芯片233芯片之间的连接关系如图2所示，U5为DAC芯片，DAC芯片引脚1为芯片供电引脚，外部连接电感和电容，减少输入纹波对芯片的干扰；DAC芯片引脚2为电压输出引脚，外部连接到LTC2057芯片232放大器引脚3；DAC芯片引脚4为芯片基准源电压输入，外部连接稳定的2.5V基准源输入；DAC芯片引脚5为高速SPI接口的片选引脚，连接至外部微处理器210；DAC芯片引脚6为高速SPI接口的时钟引脚，连接至外部微处理器210；DAC芯片引脚7为高速SPI接口的数据引脚，连接至外部微处理器210；U3为LTC2057芯片232放大器，放大器作为电压跟随器，DAC芯片输入电压后通过U3电压跟随器稳定输出电压后经过低通滤波器连接至U4放大器的引脚3，U4的LTC2057HV芯片233芯片作为同相比例放大器将U3电压跟随器输出的电压进行放大，通过调节R11，R12，R13电阻器的阻值调节放大倍数。
更进一步地，所述开关电源的供电电路通过滤波电感连接至所述AD5541芯片231的供电引脚；再进一步地，所述AD5541芯片231的供电引脚分别连接于所述滤波电感的第一端及滤波电容的第一端；所述滤波电容的第二端接地。通过所述滤波电容与滤波电感，减少输入纹波对芯片的干扰，提高近红外传感电路的控制精度与检测准确性。
还有，所述DAC输出放大电路的升压芯片为LT8361芯片，LT8361芯片具有从2.8V到60V输入升压输出100V、2A开关模式升压供电。具有一个独特的单反馈引脚结构，它能够boost，或SEPIC。以在极低的输出电流下保持高效率，同时保持典型输出纹波低于15mV。
作为一种优选实施方式，所述LT8361芯片的接地引脚通过陶瓷电容接地。由于现在电子技术的发展，供应给硬件的电压正呈现越来越低的趋势，有的电路电压小于2V，相比以前动辄3、4V的电压要低得多，但是另一方面这些芯片由于晶体管和频率爆增，需求的功耗却是有增无减，因此按P＝UI的公式来计算，这些设备对电流的要求就越来越高了，换言之，要求更低的等效电阻，而陶瓷电容正是在保障工作稳定性与高度自定义电容值的前提下，还具有低等效电阻的选择。当然，也可根据实际情况选用其他材料的电容，本发明在此不作限制。
作为一种优选实施方式，所述ADC采样电路220的ADC芯片为AD7699芯片，所述ADC采样电路220的运算放大器芯片为OPA2194芯片。AD7699为低功耗、吞吐速率高、无失码的16位分辨率ADC。OPA2192为低失调电压、低输入偏置电流、轨到轨输入/输出精密运算放大器，具有e-trimTM。OPA2194配合AD7699进行采样实现更高精度的电压采样。
如图3所示，USB供电输入的正电压VBUS连接至芯片U7的引脚1、引脚3和BOOST电感；芯片引脚5为内部负载调节3.2V电源引脚。使用1μF低ESR陶瓷电容连接到引脚5接地；芯片引脚8为误差放大器输出引脚。连接外部由RC组成的补偿网络连接到此引脚；芯片引脚9为正极电压调节反馈引脚产出。将该引脚连接至两个端子之间的电阻分压器输出和暴露的焊盘接地铜线(靠近FBX)；芯片引脚10为可以编程开关频率引脚，外部连接45.3K的高精度电阻，编程开关频率为1MHz；芯片引脚11为软启动引脚。将电容器从该引脚连接到接地铜(靠近FBX)以控制电感器的斜坡率和芯片启动期间的电流。芯片引脚12为可选择的工作模式引脚，外部连接100K电阻选择该芯片工作模式为升压模式；芯片引脚14、16为内部电源开关的输出。PCBlayout时将连接到这些引脚的金属痕迹区域降至最小，减少电磁干扰。
如图4、图5所示，U2A为I/V积分放大器，放大器的引脚2和引脚1连接10K的精密电阻将探头输出的微弱电流信号转换并放大为电压信号，积分放大器引脚1外部连接由R4、C31组成的低通滤波器，滤除高频杂波输入到U2B同相比例放大器的引脚5，U2B同相比例放大器引脚6与引脚7连接R2、R3调节放大倍数；U2B放大后的信号接至U10的ADC芯片引脚16，引脚16为模拟输入通道0；U10的引脚11，12，13，14为高速SPI接口，将其外部连接至微处理器210。
另外，所述红外传感电路包括I/V积分放大器；
所述近红外传感器240通过所述I/V积分放大器与所述ADC采样电路220电连接。
本具体实施方式中通过I/V积分放大器将所述近红外传感器240产生的微弱电流变换为较大的电压信号，可对失调电压进行消除，并反馈控制中的积分补偿，进一步提高控制精度。
优选地，所述红外传感电路还包括同相比例放大器；
所述I/V积分放大器通过所述同相比例放大器与所述ADC采样电路220电连接。也即通过所述同相比例放大器进一步放大电压信号，方便在后续流程中被所述微处理器210识别及处理，再次提高控制精度。
另外，所述I/V积分放大器与所述同相比例放大器之间还包括RC低通滤波器，使用RC低通滤波器可滤除所述I/V积分放大器的输出电信号中的高频杂波，提升检测准确性。
加装所述I/V积分放大器与所述同相比例放大器后的近红外传感电路的连接结构示意图如图6所示，本发明使用微处理器210发出DAC量程，通过DAC芯片转换输出电压，将DAC输出电压连接至电压跟随器进行电压稳定再输出至放大器，将DAC芯片输出的电压按设定的放大比例放大，最后输入至探头的可调节滤波器，通过微处理器210、DAC芯片和放大器可以指定扫描某一电压段；探头光电二极管一引脚输出微弱的电流信号，将其信号输出至一个由放大器型号的I/V积分放大器，将其电流信号转换为电压信号，在将其转换后的电压信号再进行放大，最后放大后的电压信号出入至ADC信号，将其模拟信号转变为数字信号交由微处理器210进行处理识别。
本发明所提供的近红外传感电路，包括开关电源供电电路100、ADC采样电路220、DAC输出放大电路、微处理器210及近红外传感器240；所述开关电源供电电路100用于为所述全波段近红外传感器240中的其他组件供电；所述微处理器210通过所述DAC输出放大电路及所述ADC采样电路220与所述近红外传感器240电连接；所述DAC输出放大电路的DAC芯片为AD5541芯片231；所述DAC输出放大电路的运算放大器芯片为LTC2057芯片232和/或LTC2057HV芯片233芯片。作为一种优先实施方式，所述DAC输出放大电路的DAC芯片为AD5541芯片231；再进一步地，所述DAC输出放大电路的运算放大器芯片为LTC2057芯片232和/或LTC2057HV芯片233芯片。所述DAC放大电路为AD5541芯片231+LTC2057芯片232+LTC2057HV芯片233；由微处理器210控制输出，将微处理器210输出数字信号转为模拟信号再将模拟信号放大输出至探头，AD5541芯片231为低功耗、低毛刺具有50MHzSPI接口单电源工作的16位DAC芯片，LTC2057芯片232与LTC2057HV芯片233为高电压、低噪声、零漂移运算放大器。LTC2057芯片232提供了轨至轨输出摆幅和一个包括v-电源轨的输入共模范围(v--0.1v至v+-1.5v)。除了低失调和低噪声之外，这款放大器还具有一个1.5mhz(典型值)的增益带宽乘积和0.45v/μs(典型值)的摆率。在宽电源范围内提供精准的dc性能，失调电压和1/f噪声受到抑制，因而使得该放大器能实现4μv的最大失调电压和200nvp-p(典型值)的dc至10hz输入噪声电压。LTC2057芯片232的自校准电路可实现低失调电压温度漂移(最大值为0.015μv/c)和零时间漂移。LTC2057芯片232+LTC2057HV芯片233配合AD5541芯片231实现电压控制精度达到0.05V。
本发明还同时提供了一种近红外光谱探测仪，所述近红外光谱探测仪包括如上述任一种所述的近红外传感电路。本发明所提供的近红外传感电路，包括开关电源供电电路100、ADC采样电路220、DAC输出放大电路、微处理器210及近红外传感器240；所述开关电源供电电路100用于为所述全波段近红外传感器240中的其他组件供电；所述微处理器210通过所述DAC输出放大电路及所述ADC采样电路220与所述近红外传感器240电连接；所述DAC输出放大电路的DAC芯片为AD5541芯片231；所述DAC输出放大电路的运算放大器芯片为LTC2057芯片232和/或LTC2057HV芯片233芯片。作为一种优先实施方式，所述DAC输出放大电路的DAC芯片为AD5541芯片231；再进一步地，所述DAC输出放大电路的运算放大器芯片为LTC2057芯片232和/或LTC2057HV芯片233芯片。所述DAC放大电路为AD5541芯片231+LTC2057芯片232+LTC2057HV芯片233；由微处理器210控制输出，将微处理器210输出数字信号转为模拟信号再将模拟信号放大输出至探头，AD5541芯片231为低功耗、低毛刺具有50MHzSPI接口单电源工作的16位DAC芯片，LTC2057芯片232与LTC2057HV芯片233为高电压、低噪声、零漂移运算放大器。LTC2057芯片232提供了轨至轨输出摆幅和一个包括v-电源轨的输入共模范围(v--0.1v至v+-1.5v)。除了低失调和低噪声之外，这款放大器还具有一个1.5mhz(典型值)的增益带宽乘积和0.45v/μs(典型值)的摆率。在宽电源范围内提供精准的dc性能，失调电压和1/f噪声受到抑制，因而使得该放大器能实现4μv的最大失调电压和200nvp-p(典型值)的dc至10hz输入噪声电压。LTC2057芯片232的自校准电路可实现低失调电压温度漂移(最大值为0.015μv/c)和零时间漂移。LTC2057芯片232+LTC2057HV芯片233配合AD5541芯片231实现电压控制精度达到0.05V。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。
以上对本发明所提供的近红外传感电路及近红外光谱探测仪进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种近红外传感电路，其特征在于，包括开关电源供电电路、ADC采样电路、DAC输出放大电路、微处理器及近红外传感器；
所述开关电源供电电路用于为所述全波段近红外传感器中的其他组件供电；
所述微处理器通过所述DAC输出放大电路及所述ADC采样电路与所述近红外传感器电连接；
所述DAC输出放大电路的DAC芯片为AD5541芯片；所述DAC输出放大电路的运算放大器芯片为LTC2057芯片和/或LTC2057HV芯片。
2.如权利要求1所述的近红外传感电路，其特征在于，所述开关电源的供电电路通过滤波电感连接至所述AD5541芯片的供电引脚。
3.如权利要求2所述的近红外传感电路，其特征在于，所述AD5541芯片的供电引脚分别连接于所述滤波电感的第一端及滤波电容的第一端；
所述滤波电容的第二端接地。
4.如权利要求1所述的近红外传感电路，其特征在于，所述红外传感电路包括I/V积分放大器；
所述近红外传感器通过所述I/V积分放大器与所述ADC采样电路电连接。
5.如权利要求4所述的近红外传感电路，其特征在于，所述红外传感电路还包括同相比例放大器；
所述I/V积分放大器通过所述同相比例放大器与所述ADC采样电路电连接。
6.如权利要求5所述的近红外传感电路，其特征在于，所述I/V积分放大器与所述同相比例放大器之间还包括RC低通滤波器。
7.如权利要求1所述的近红外传感电路，其特征在于，所述DAC输出放大电路的升压芯片为LT8361芯片。
8.如权利要求7所述的近红外传感电路，其特征在于，所述LT8361芯片的接地引脚通过陶瓷电容接地。
9.如权利要求1至8任一项所述的近红外传感电路，其特征在于，所述ADC采样电路的ADC芯片为AD7699芯片，所述ADC采样电路的运算放大器芯片为OPA2194芯片。
10.一种近红外光谱探测仪，其特征在于，所述近红外光谱探测仪包括如权利要求1至9任一项所述的近红外传感电路。
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吴威;韩顺利;侯喜报;刘磊;项国庆;: "基于近红外双色探测器的信号采集系统设计", 红外, no. 06, pages 1 - 7 *

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