CN1773256A - 吸收类分析仪器光检测量程自动扩展电路 - Google Patents

Abstract

吸收类分析仪器光检测量程自动扩展电路，涉及一种对吸收类光谱仪器中光源的发光功率的反比例控制，借以达到对经吸收池样品吸收后的输出光进行检测量程的自动扩展目的的电路。提供一种不改变光电检测器增益获得检测量程自动扩展的电路。设有硅光电检测放大器、微处理器、状态记忆与开关控制电路、电子开关、脉冲占空比/脉冲发生器、光功率驱动电路和光源，微处理器的A/D转换器输入端接检测放大器的检测数值输出端；状态记忆与开关控制电路的移位寄存器左、右移输入端分别接微处理器上、下限溢出脉冲输出端；电子开关控制端接上级输出缓冲门；光功率驱动电路输入端接脉冲占空比/脉冲发生器输出端，光源选自发光二极管或激光二极管光源。

Description

吸收类分析仪器光检测量程自动扩展电路

技术领域

本发明涉及一种在吸收类光谱仪器中实现光电检测量程自动扩展的电路，尤其是涉及一种对吸收类光谱仪器中光源的发光功率的反比例控制，借以达到对经吸收池样品吸收后的输出光进行检测量程的自动扩展目的的电路。

背景技术

在早期的电子技术中，对于检测器量程的转换，普遍采用拨档开关手动转换连接所需的量程。随着电子技术与自动化技术的发展，微型处理器、电子开关、阵列电阻获得广泛的应用，自动判别、自动进行量程转换的量程自动扩展技术大量应用于检测器量程的转换工作(赵茂泰.智能仪器原理与应用.北京：电子工业出版社，1999：125-127)，应用手工转换量程的检测仪器越来越少，多局限于高压、大电流等电子开关无法承受的场合使用。

无论是量程自动扩展技术还是手工拨档转换量程的过程，经典做法实质上都是改变检测放大器的增益值，使得已经跑偏检测器线性放大区的工作点(处于放大器截止区或者处于饱和区)重新回到放大区，从而保证所有检测值的线性关系。它们的不同仅是人工与自动判别、人工与自动转换的自动化程度差异。

在现代集成运算放大器作为检测放大器的运用中，决定检测放大器增益的元件几乎是线性元件——电阻R，且成熟的应用必须并联一个较大的电容元件C，用于消除回路分布电容与PCB(印刷电路)板分布电容的影响，它使得检测放大器具有稳定的频率特性。因此，假定一个设计的电阻R值具有正比于放大器增益系数的特性，则与电容C并联后的复阻抗

Z＝R//(1/jωC)＝(R/jωC)/(R+1/jωC)

为使检测器线性检测区向上延伸N个倍程，则放大器线性工作曲线的斜率必须为原来的1/N，即原来的复阻抗应更改为

Zn＝Z/N

显然，N倍量程的扩展实际上是实施N个Z阻抗的并联过程(或等效过程)，手工量程转换应用拨档开关进行连接，自动量程转换应用电子开关在量程控制信号的作用下进行自动连接。

现代电子开关的制作工艺已经做到漏电阻为百兆欧的水平，在大多数的检测器量程自动扩展的应用场合，可改变检测放大器增益的电阻值为数K到数百K欧姆级的水平，远低于电子开关的漏电阻，其漏电流的影响可以忽略不计。但对于电阻值为10兆欧姆以上且兼为检测放大器取样电阻的应用场合，电子开关漏电阻引起的漏电流影响已经不容忽视，它对检测信号进行分流，造成检测器检测灵敏度与检测分辨率的下降。

硅光电二极管由于具有体积小以及无须高压供电与长寿的优点，且更由于现代工艺制造的硅光电二极管具有低于10^-15(W/Hz¹/₂)噪声等效功率的表现水平，在光电转换器件领域用于取代须高压供电且寿命较短的光电倍增管的实际应用愈来愈多，但它对相同光强度的电流灵敏度仅为光电倍增管的千分之一或更低。因此，在采用硅光电二极管检测微弱光信号的高阻抗光电检测放大器中，利用了100兆欧姆以上甚至10G欧姆的采样电阻用于获取尽可能高的光电转换检测电压值。比例增减这个采样电阻值则光电转换检测电压值随之发生比例增减的变化，所以它决定光电检测放大器的增益。当应用经典设计量程自动扩展电路时，增加了电子开关、可并联的电阻与电容以及实际组成的连接这些部件的印制电路(PCB)走线回路，用于与这个采样电阻进行组合实现量程自动扩展的功能。而在实际应用中将发现这种量程自动扩展电路的搭建使得光电检测放大器的下列检测指标发生了偏离原设计的改变，严重时甚至是无法使用的，或者须降额指标使用：

a.噪声增加

增加了电阻热噪声、直流散弹噪声、1/f噪声及温度噪声，产生的原因是增加的电子开关、可并联的电阻与电容以及实际组成的连接这些部件的印制电路(PCB)走线回路。当采用的实际采样电阻为100兆欧姆以上时，电阻热噪声、直流散弹噪声甚至可能比未采用量程自动扩展电路的光电检测放大器增加一个十的数量级。造成的后果是检测放大器电路总噪声大于硅光电二极管的噪声等效功率(NEP)，实际的光电检测放大器的检测分辨率不再由硅光电二极管的噪声等效功率(http：//www.hamamatsu.com，si-photo-diode)来决定，而主要由实际上大得多的电路噪声来决定。

b.电子开关固有的漏电流及印制电路板(PCB)走线回路的额外漏电流影响

为使光电转换的电流信号有效地转换为电压信号，检测微弱光信号的检测器的前置放大器必须是高输入阻抗的集成运算放大器。它用于获取最大的光电转换信号的功率偶合系数，提高检测限。而增加的电子开关、并联的印制电路板(PCB)走线回路的漏电流因电路连接的关系，对前置输入回路不可避免地造成旁路效应，引起光电转换电流信号的无功流失，有效检测电流值下降进而检测限指标下降(高光天主编译.传感器与信号调理器件应用技术.北京：科学出版社，2002：43-57)。

因此，国内外一些有名的吸收类光谱仪器制造商生产的仪器、特别是高分辨率分光光度仪中出于检测灵敏度与稳定性指标的考虑，它们的高分辨率光电检测放大器仍然沿用大信号的光电倍增管作为光电转换器件。应用硅光电二极管作为高灵敏度光电转换器件的光电检测放大器，还未见过采用经典设计的量程自动扩展电路，这些仪器通常要求实验室的使用环境条件，以及限制吸收池的吸收光程、配制的样品浓度等，满足固定增益的光电检测放大器应用在线性放大区域的检测要求。

在基于长光程液芯波导管的多波长分光态二氧化碳自动监测系统的设计中，需要一种辅助的技术，用于解决长光程液芯波导管吸收光程长造成的不同波长分光经吸收池样品吸收后的光强度坐落在不同增益的光电检测放大器线性区的范围内的问题。同时希望采用硅光电二极管作为光电转换器满足长寿与无高压使用的要求，以及采用具有统一检测分辨率与检测限指标的光电检测放大器同时检测多波长分光满足多波长分光检测值一致性与关联性的要求。

基于设计要求，采用硅光电二极管作为光电转换器的光电检测放大器必须具备量程自动扩展的功能且所有多波长分光检测值的检测指标必须符合单一性，即仅能采用一个固定增益的高分辨率硅光电检测放大器。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的电子检测器量程自动扩展电路会造成高灵敏度检测器检测灵敏度与检测分辨率下降，增加额外多环路噪音和电子开关漏电流等问题，提供一种不改变光电检测器增益获得检测量程自动扩展的电路，主要应用于吸收类光谱仪器中，本发明仅用一个固定增益的光电检测器就可获得多光路、多倍率的精确倍乘扩展线性量程的效果，且具有全部量程统一的检测分辨率与检测限指标，无典型改变RC取样阻抗获得量程扩展可能带来的额外多环路噪音、电子开关漏电流的问题。

本发明的光源的发光功率必须是能精确进行控制的，即光源为可控制光源。发光二极管与激光二极管因属冷光源且发光功率与驱动信号存在一定的线性关系而十分适合在本发明电路的应用，先前吸收类光谱仪器中常见的钨灯、氘灯、氙灯等因发光功率与热效应有关，属热光源，且有的还须高压点燃而不太适合本发明电路的使用。

本发明设有：

a.具有固定增益的硅光电检测放大器，用于对经吸收池样品吸收后输出的单色光进行光电转换并进行检测放大；

b.微处理器系统，微处理器系统设有A/D转换器、检测数值上/下限判别电路、检测数值N倍乘运算电路和上限/下限溢出脉冲发生器，其中，A/D转换器输入端接光电检测放大器的检测数值模拟信号输出端；

c.状态记忆与开关控制电路，由移位寄存器与输出缓冲门组成，移位寄存器右移输入端接微处理器上限溢出脉冲输出端，移位寄存器左移输入端接微处理器下限溢出脉冲输出端；

d.电子开关，为集成的模拟开关，电子开关控制端接上级输出缓冲门；

e.脉冲占空比/脉冲发生器，由时基电路组成；

f.光功率驱动电路，用于在频率脉冲作用下，提供具有良好工作稳定性的光源的脉冲驱动，其输入端接脉冲占空比/脉冲发生器的输出端，输出端接光源；

g.光源，选自发光二极管或激光二极管光源。

由上述结构可构建本发明的基础应用——单路光源的单N倍率量程自动扩展电路。

与已有的电了检测器量程自动扩展电路相比，本发明的突出优点是：

1)在吸收类光谱仪器中应用硅光二极管作为光电转换器件的高灵敏度光电检测放大器上，可实现在不同量程间仍具有统一的高灵敏度与高检测分辨率检测指标的光检测量程的自动扩展。

2)与经典检测放大器变换量程技术相比较，具有量程转换精确度高，不受量程转换过程中硅光电检测放大器可能产生的额外电噪声与可能发生的检测指标变化的影响。

3)容易实现无阶跃量程的多光源光谱的连续自动检测。

附图说明

图1为本发明的基础应用实施例单路光源的单N倍率量程自动扩展电路原理框图。

图2为本发明的N倍量程自动扩展“虚拟”工作原理图。

图3为本发明的拓展应用实施例三光路、乘2与乘4二倍率线性量程自动扩展电路电原理图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明的技术原理与拓展应用作进一步说明。在吸收分光光度仪器中，基本吸光定律即吸光度

A＝log(I₀/I)＝knl

其中，I₀为单色光入射吸收池前的光强，I为单色光经过吸收池样品吸收后的输出光强，K为样品的光吸收系数，n为样品浓度，l为吸收光程(何金兰，杨克让，李小戈.仪器分析原理.科学出版社，2002：193-321)。

当K、n、l为给定的定值时，

knl＝log(I₀/I)＝log(2I₀/2I)＝log(NI₀/NI)             <1>

式<1>说明在给定K、n、l参数的情况下，当原入射光强I₀增加到2倍，即2I₀时，检测到的输出光强亦增加了2倍，即2I；当原入射光强I₀增加到N倍，即NI₀时，检测到的输出光强亦增加了N倍，即NI。

当N值为小于1的小数时，入射光强是减小的，大于1时是增加的。假定经吸收池样品吸收后的输出光强太强或太弱，造成光电检测放大器的工作点超越线性放大区进入饱和区或截止区，设计一种能满足式<1>变化的电路用于调整入射光强(即调整光源的发光功率)的大小，使得输出光强回到适合光电检测放大器线性区域的强度，则可实现光电检测放大器的倍量程自动扩展的功能。

式<1>同时指出，当对给定的吸收池及样品浓度进行吸光度值的检测与分析时，应用不同N倍值强度的单色光在固定增益的光电检测放大器得到的检测结果可由式<1>进行等效换算并得到相同的结果。

本发明基于上述原理进行设计。

实施例1

以下给出本发明的基础应用实施例单路光源的单N倍率量程自动扩展电路原理，参见图1，单路光源的单N倍率量程自动扩展电路设有：

a.具有固定增益的高分辨率硅光电检测放大器，用于对经吸收池样品吸收后输出的单色光进行光电转换并进行检测放大。应用的采样电阻即可变增益电阻的典型值为1G欧姆，配合的光电转换器件为S1226-44BQ型硅光电二极管(Hamamatsu Corp.Japan)，可获得稳定的低至10^-6Lx光照度的检测下限。本发明在检测过程中与量程自动扩展的转换过程中并未对这个1G欧姆做任何阻值的改变，所以光电检测放大器的增益是固定的，前置输入回路仅为串联有采样电阻的一个环路，环路数达到最小。因此，合理应用电子制作工艺制造的光电检测放大器部件对光信号的检测灵敏度可达到或接近硅光电二极管噪声等效功率的检测限。

b.微处理器系统，采用PIC16F77单片机。微处理器系统设有A/D转换器、检测数值上/下限判别电路、检测数值N倍乘运算电路和上限/下限溢出脉冲发生器。其中，A/D转换器输入端接光电检测放大器的检测数值模拟信号输出端。用于1)将硅光电检测放大器输出的光电检测数值进行A/D转换；2)对检测数值的上/下限进行判别；3)当检测数值超越上限值或下限值时，生成上限溢出脉冲或下限溢出脉冲，由相应I/O口输出；4)检测数值上/下限判别电路同时控制检测数值N倍乘运算电路：当检测数值未发生上/下限溢出时，关闭N倍乘运算功能，检测数值未经乘法运算而直接输出；当检测数值发生上限溢出时，开启N倍乘运算功能，检测数值须经N倍乘法运算后才输出(此状态即N倍量程的扩展状态)；当检测数值在N倍量程的扩展状态下发生下限溢出，则再度关闭N倍乘运算功能，检测数值恢复直接输出而不再进行N倍乘法运算(即回到量程未扩展的状态)。

微处理器对上述数值运算的控制具有“记忆”的功能，即未发生数值溢出时，先前的数值运算法则将持续进行下去。仅当发生数值溢出时(生成溢出脉冲时)，数值运算法则才发生相应的改变并继续保持改变后的数值运算法直到产生新的数值溢出。

c.状态记忆与开关控制电路，由移位寄存器(可采用MN4194集成电路)与输出缓冲门组成。移位寄存器右移输入端接微处理器上限溢出脉冲输出端，移位寄存器左移输入端接微处理器下限溢出脉冲输出端。当微处理器产生上限溢出脉冲时，移位寄存器的输出状态发生逻辑状态为“1”的右移变化；当微处理器产生下限溢出脉冲时，移位寄存器的输出状态发生逻辑状态为“1”的左移变化；当微处理器未产生任何溢出脉冲时，移位寄存器的输出状态保持不变。从而自动与微处理器系统的检测数值N倍乘运算电路同步工作在或者为量程未扩展的状态，或者为N倍量程的扩展状态，且同样具有“记忆”的功能。

移位寄存器的输出状态经输出缓冲门控制电子开关的导通或断开，本发明中当发生N倍量程的扩展时，电子开关是导通的；当量程未被扩展时，电子开关是断开的。

d.电子开关，为集成的模拟开关(如MN4066集成电路)，控制端接上级输出缓冲门。在电子开关断开的情况下，下级脉冲占空比/脉冲发生器工作在原先设定的基准脉冲占空比例(通常为50％)的状态下；在电子开关导通的情况下，下级脉冲占空比/脉冲发生器产生的脉冲的占空比例将发生相应的改变，其占空比仅为原基准脉冲占空比例的N分之一。

e.脉冲占空比/脉冲发生器，由时基电路组成，典型应用为时基集成电路NE555。在电子开关断开的情况下，即量程未扩展状态，它产生基准脉冲，其脉冲占空比例通常为50％(预先设定)。当发生量程扩展时，电子开关导通，可精确调整的电阻网络并入决定脉冲占空比的RC充电电路(时基集成电路的外围电路)，使得RC充电时间变短，从而改变了生成脉冲在脉冲周期中的占空比例。精确调整经电子开关接入的电阻网络，可使生成脉冲的占空比为原基准脉冲占空比的N分之一，即原基准脉冲的占空比例为50％时，电子开关的导通则使得下级脉冲占空比/脉冲发生器产生的脉冲的占空比例变为1/N×50％。

f.光功率驱动电路，用于在频率脉冲作用下，提供具有良好工作稳定性的光源的脉冲驱动，其输入端接脉冲占空比/脉冲发生器的输出端，输出端接光源(发光二极管或激光二极管)，电路组成为具有良好温度稳定性的负反馈型共集电极功率驱动电路。组成电路提供给光源的脉动直流电流大小几乎不受使用环境温度与光源负载大小的影响，而仅取决于设计上对负反馈元件的给定。因而，在光源的脉动直流电流工作点恒定的情况下，发光二极管或激光二极管光源的发光功率与驱动脉冲的脉冲占空比呈线性的正比例关系。利用这种线性的比例关系实施对光源的反比例控制，即实现了当光电检测量程需要扩展时对光源发光功率的反比例控制功能。

g.光源，本发明所采用的光源最好选用发光二极管或激光二极管光源。

显然，若微处理器预先设定的上、下限值分别代表光电检测放大器的线性区域与饱和区域、线性区域与截止区域的临界点，则当检测数值大于上限值时，固定增益的光电检测放大器已经工作在饱和区，依式<1>，让光源发光功率依N比例减小，可使检测工作点“下拉”回到光电检测放大器的线性区域；当检测数值小于下限值时，光电检测放大器已经工作在截止区，让光源发光功率恢复原来的强度，可使检测工作点“上拉”回到光电检测放大器的线性区域。

因此，确切地说，本发明电路是一种自动地进行检测数值的判别然后让脱离光电检测放大器检测线性放大区域的工作点自动回到线性放大区域的智能技术应用，但它最大的特点是运用了上述的<1>式进行了数值的换算，属一种“虚拟”技术。在N倍量程自动扩展的转换过程中，光电检测放大器的线性区域并未被真正向上延伸了N倍而是始终保持原设计的线性区域不变，但我们在理论上可以把N倍量程的延伸直线视为“虚线线性区域”、技术上认为检测放大器的线性检测能力是无限的，检测到实际检测数值然后应用N倍率进行等效换算获得精确的等效结果，“虚拟线性工作点”则处在“虚线延伸直线”上，参见图2。

实施例2

为进一步说明本发明基础应用电路的特性与优点，结合微处理器系统对“基于长光程液芯波导管的多波长分光态二氧化碳自动监测系统”实施三光路、二倍率线性量程自动扩展的拓展方案，参见图3。

图3是应用“单路光源的单N倍率量程自动扩展电路”发展组合而成的，采用了3个独立的单色光源分光系统、单个高增益的硅光电检测放大器，实施对具有很长光程的“液芯波导管”进行432nm、620nm及740nm波长三单色光的二氧化碳浓度的吸收光谱分析。每个波长的单色光是轮流点亮的，所有的单色光穿过“液芯波导管”后最终都由唯一的高增益硅光电检测放大器进行检测。

图3中，a，b，c，d，e，f，g符号代表的电路单元与图1“单路光源的单N倍率量程自动扩展电路原理框图”中相同符号代表的单元功能框图具有相同或等效的电原理、作用和相互的连接机理。但每个电路单元被扩展为3个相同模块(a电路单元为一个)，以适应三波长单色光被吸收光的独立处理与独立的倍量程自动扩展倍量程自动扩展。部分电路单元的详尽的电路原理在图3中仅画出对432nm波长的处理通道(通道1)。

系统中，增加了微处理器系统对3个LED管的顺序点燃控制与三个独立倍率量程自动扩展电路通道的控制。系统上电时，微处理器b、状态记忆与开关控制电路c复位，三个通道的脉冲占空比/脉冲发生器e首先都产生脉冲占空比约50％的频率脉冲信号，“光源译码器”对微处理器输出的“光源编码信号”进行译码，输出对应的选通高电平信号作用于选通门“与门”，频率脉冲信号通过“与门”电路轮流输出频率脉冲控制对应LED管的发光功率首先工作在量程未发生扩展(乘1档)的水平。

当任一波长通道的量程发生扩展时，“上限溢出脉冲”的脉冲宽度首先被“脉冲宽度延时电路”整形延长到略微高于“光源编码信号”变化周期的水平，而“光源译码器”输出的光源选通信号经“反向器”反向后作用于状态记忆与开关控制电路c的时钟输入端。二者的时序配合保证被选中的通道的状态记忆与开关控制电路c在光源选通信号的末端时刻才发生适应量程被扩展状态的改变并被记忆下来(参见有关U6器件，MN4194的用法)。相应通道的脉冲占空比/脉冲发生器e电路产生的频率脉冲在电子开关矩阵组合闭合的作用下发生对应扩展倍率的精确的反比例改变并控制LED管的发光功率到该比例的水平。

相同的机理同样发生在当任一波长通道的量程发生由高扩展倍率到低扩展倍率的变化过程，但微处理器不产生“上限溢出脉冲”而产生“下限溢出脉冲”输出。

“单路光源的单N倍率量程自动扩展电路”的单N倍率量程自动扩展在这种拓展应用中被发展成每个波长处理通道的2倍率、4倍率两个连续的倍量程自动扩展。由于采用了移位寄存器MN4194，所以每个波长通道的量程自动扩展的转换顺序都为乘1，乘2，乘4，或乘4，乘2，乘1的倒序。

3个LED管对应的所有实时量程状态都被保存在状态记忆与开关控制电路c，仅当量程的状态发生变化时才发生相应的改变，因而实现了连同乘1档(基础档位)三倍率线性量程的自动扩展与实时记忆。

在系统中，由于每个通道的“不相干性”，因而在“光源选通信号”的顺序控制下实现了对采用单个光电检测器的三光源分光系统光谱的无阶跃量程的连续检测。

因为本发明存在的光电检测器是固定增益的光电检测放大器而不存在内部转换器件的问题，所以它在量程自动扩展过程中可能产生的检测数值误差仅仅取决于先前对光源发光功率依据量程的比例的调整是否精确。

本发明的可利用范围局限于在吸收类光谱仪器中的应用。由于量程自动扩展过程中实际上并未涉及使用电子开关对光电检测放大器的调整，所以更适合光电子仅皮安至纳安级的弱光信号高阻检测放大器的量程转换。同时由于对光源的功率控制具有“记忆”的效应，所以对于采用单个光电检测器、多个光源的吸收类光谱仪器能实现无阶跃量程的多光源光谱的连续检测。

Claims (8)

1、吸收类分析仪器光检测量程自动扩展电路，其特征在于设有：

a.具有固定增益的硅光电检测放大器；

b.微处理器系统，微处理器系统设有A/D转换器、检测数值上/下限判别电路、检测数值N倍乘运算电路和上限/下限溢出脉冲发生器，其中，A/D转换器输入端接光电检测放大器的检测数值模拟信号输出端；

c.状态记忆与开关控制电路，由移位寄存器与输出缓冲门组成，移位寄存器右移输入端接微处理器上限溢出脉冲输出端，移位寄存器左移输入端接微处理器下限溢出脉冲输出端；

d.电子开关，为集成的模拟开关，电子开关控制端接上级输出缓冲门；

e.脉冲占空比/脉冲发生器，由时基电路组成；

f.光功率驱动电路，其输入端接脉冲占空比/脉冲发生器的输出端，输出端接光源；

g.光源，选自发光二极管或激光二极管光源。

2、如权利要求1所述的吸收类分析仪器光检测量程自动扩展电路，其特征在于具有固定增益的硅光电检测放大器选用采样电阻为可变增益电阻，采样电阻的典型值为1G欧姆，配合的光电转换器件为S1226-44BQ型硅光电二极管。

3、如权利要求1所述的吸收类分析仪器光检测量程自动扩展电路，其特征在于微处理器系统选自PIC16F77单片机。

4、如权利要求1所述的吸收类分析仪器光检测量程自动扩展电路，其特征在于状态记忆与开关控制电路的移位寄存器的输出状态经输出缓冲门控制电子开关的导通或断开，当发生N倍量程的扩展时，电子开关是导通的；当量程未被扩展时，电子开关是断开的。

5、如权利要求1所述的吸收类分析仪器光检测量程自动扩展电路，其特征在于集成的模拟开关选自MN4066集成电路。

6、如权利要求1所述的吸收类分析仪器光检测量程自动扩展电路，其特征在于在电子开关断开的情况下，下级脉冲占空比/脉冲发生器工作在原先设定的基准脉冲占空比例的状态下；在电子开关导通的情况下，下级脉冲占空比/脉冲发生器产生的脉冲的占空比例将发生相应的改变，其占空比仅为原基准脉冲占空比例的N分之一。

7、如权利要求1所述的吸收类分析仪器光检测量程自动扩展电路，其特征在于脉冲占空比/脉冲发生器选自时基集成电路NE555。

8、如权利要求1所述的吸收类分析仪器光检测量程自动扩展电路，其特征在于光源选自发光二极管或激光二极管光源。

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