CN203720091U - 一种生物微弱光信号检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生物微弱光信号检测电路，该电路包括光电倍增管、同相放大电路、RLC串联谐振电路、甄别处理电路、D/A转换电路、分频器以及微处理器，其中光电倍增管输出的电信号经过同相放大电路、RLC串联谐振电路后被送入甄别处理电路，甄别处理电路通过D/A转换电路与微处理器相连，甄别处理电路将处理后产生的方波送入分频器，分频器分频后送入微处理器进行计数。所述同相放大电路为电流反馈型运算放大器。在光电倍增管的外围还设置有用于屏蔽宇宙射线及磁场的屏蔽装置。本实用新型能够准确快速测量生物发光所产生微弱光信号，具有分辨率高、响应速度快、成本低等优点。

Description

一种生物微弱光信号检测电路

技术领域

本实用新型涉及生物发光检测设备研究领域，特别涉及一种生物微弱光信号检测电路。

背景技术

光子计数器是利用光电倍增管能检测单个光子能力的功能，通过光子技术的方法测量极微弱光脉冲信号的装备。当可见光的辐射功率低于10^-12W，即光子速率限制在10⁹/S以下时，光电倍增管光电阴极发射出的光电子就不再是连续的。因此，在光电倍增管后面的输出端会产生有光电子形式的离散的信号脉冲。测试利用电子计数的方法检测到入射的光子数，以实现极微弱光强或者通量的测量，可以达到单光子探测的能力。目前单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射(OTDR)、量子密钥分发系统(QKO)等领域有着广泛的应用。

随着生物医学、光纤通信以及环境辐射检测技术的发展，对微弱光的检测要求越来越高。目前国标计量设备只能检测到1.0×10^-5cd(光的单位)光强的光线，距离能检测到1.0×10^-14cd光强的要求相距甚远。近年来在科学检测领域所使用的微弱光检测均为模拟电流测试方法，此方法的缺点是动态响应差，灵敏度低。因此如何将单光子探测技术应用于微弱光强度测量成为一个具有研究意义的课题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种生物微弱光信号检测电路，该电路能够准确快速测量生物发光所产生微弱光信号，具有分辨率高、响应速度快、成本低等优点。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：一种生物微弱光信号检测电路，包括光电倍增管、同相放大电路、RLC串联谐振电路、甄别处理电路、D/A转换电路、分频器以及微处理器，其中光电倍增管输出的电信号经过同相放大电路、RLC串联谐振电路后被送入甄别处理电路，甄别处理电路通过D/A转换电路与微处理器相连，微处理器向甄别处理电路发送预设门限值；甄别处理电路将处理后产生的方波送入分频器，分频器分频后送入微处理器进行计数。RLC串联谐振电路对光电倍增管输出信号进行选频和放大，并送入甄别处理电路。由于光电倍增管输出有效信号频率较高可达百兆赫兹，因此先对该信号进行分频并送微处理器处理，可以更准确。

具体的，所述RLC串联谐振电路中，RLC串联谐振电路固有频率与光电倍增管输出有效信号频率相等。

优选的，所述同相放大电路为电流反馈型运算放大器。与现有技术中采用的电压反馈型运算放大器相比，电流反馈型运算放大器的带宽更宽，压摆率更高，并且不存在电压反馈型运算放大器相关的增益带宽限制。更适合光电倍增管做前级放大。

优选的，在光电倍增管的外围设置有用于屏蔽宇宙射线及磁场的屏蔽装置。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型通过采用光电倍增管实现了单光子计数系统基本指标，本底噪声小于16个相对发光单位，灵敏度达到7.5fmol ATP。能满足高速测量、微生物分析、极微量物质检测等多个领域使用。

2、本实用新型中采用了RLC串联谐振电路，能够对光电倍增管输出信号选频放大。

3、本实用新型中用电流反馈型运算放大器代替了原来的电压反馈型运算放大器，使得带宽更宽，压摆率更高。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理示意图；

图2是本实用新型的电路图；

图3是本实用新型中D/A转换电路的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例一种生物微弱光信号检测电路，包括光电倍增管、同相放大电路、RLC串联谐振电路、甄别处理电路、D/A转换电路、分频器以及微处理器。光电倍增管将采集到的生物微弱光信号转换为电信号后输出到同相放大电路，本实施例中同相放大电路采用电流反馈型运算放大器对电信号进行放大，并将放大后的信号经RLC串联谐振电路发送到甄别处理电路。微处理器中设置一门限电压，该门限电压设为1.0V左右，在检测过程中，通过D/A转换电路发送到甄别处理电路，作为此电路的门限电压。最后甄别处理电路将产生的方波送入分频器，分频器分频后送入微处理器进行计数。具体的电路图如图2所示。

本实施例中，在光电倍增管的外围设置有用于屏蔽宇宙射线及磁场的屏蔽装置。

具体的，如图2所示，本实施例中同相放大电路中的U12采用EL5162运算放大器，做前置放大。其带宽为500MHZ输出电压变化率最高为2500伏/微秒。甄别处理电路中的U11采用AD8611，作幅度鉴别器。其传输延迟为4纳秒。电路中的U9采用MC74ACT160作分频器。波形输出到微处理器，这里的微处理器采用STM32F103VBT6单片机，其最高计数频率为72MHZ。

本实施例中，所述RLC串联谐振电路如图2中所示，设置在U12和U11之间，由C31、R52、L8依次串联组成，电路中的阻抗为：

$Z=R+j(\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{BC}});$

串联谐振条件是X=0，

$\mathrm{\ωL}=\frac{1}{\mathrm{\ωC}},$ $\mathrm{\ω}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}};$

当电路L、C一定时，

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}};$

$f=f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

ω₀和f₀称为固有角频率和固有频率。

光电倍增管输出电脉冲输入U12第3号管脚，经U12放大约50倍后由U12的第6号管脚输出。放大后的电脉冲经RLC串联谐振电路后耦合到U11第3脚。经U11进行幅度鉴别后。由U11第7脚输出数字脉冲。此数字脉冲送入U9的第2号管脚进行8分频。分频后的脉冲由U9的12号管脚输出。进入单片机STM32F103VBT6进行计数。计数结果由LCD显示。

本实施例中，所述D/A转换电路如图3所示，U10采用MAX520ACWE_WSOP，用于将单片机设置的门限电压发送到甄别处理电路中的U11。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种生物微弱光信号检测电路，其特征在于，包括光电倍增管、同相放大电路、RLC串联谐振电路、甄别处理电路、D/A转换电路、分频器以及微处理器，其中光电倍增管输出的电信号经过同相放大电路、RLC串联谐振电路后被送入甄别处理电路，甄别处理电路通过D/A转换电路与微处理器相连，微处理器向甄别处理电路发送预设门限值；甄别处理电路将处理后产生的方波送入分频器，分频器分频后送入微处理器进行计数。

2.根据权利要求1所述的生物微弱光信号检测电路，其特征在于，所述RLC串联谐振电路中，RLC串联谐振电路固有频率与光电倍增管输出有效信号频率相等。

3.根据权利要求1所述的生物微弱光信号检测电路，其特征在于，所述同相放大电路为电流反馈型运算放大器。

4.根据权利要求1所述的生物微弱光信号检测电路，其特征在于，在光电倍增管的外围设置有用于屏蔽宇宙射线及磁场的屏蔽装置。