CN205508770U - 一种离子迁移谱检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种离子迁移谱检测电路，涉及一种小信号检测技术，旨在实现对离子迁移电流传感器输出的微小电信号的检测、提取。本实用新型技术要点包括：电源、离子迁移电流传感器、初级放大电路、带通滤波电路、次级放大电路、信号解调电路、时钟电路及时钟相移电路；电源用于向检测电路中的各用电元器件供电；离子迁移电流传感器、初级放大电路、带通滤波电路、次级放大电路与信号解调电路顺序连接；所述时钟电路的时钟信号输出端与时钟相移电路连接，时钟相移电路具有第一时钟输出端及第二时钟输出端，第一时钟输出端向离子迁移电流传感器提供采样时钟信号，第二时钟输出端向信号解调电路提供解调时钟信号。

Description

一种离子迁移谱检测电路

技术领域

本实用新型涉及一种小信号检测技术，特别是一种离子迁移谱检测电路。

背景技术

基于离子迁移谱是一种气相环境下的电泳技术，它通过在两个电极(平板电极或同轴圆柱电极)之间形成高低不对称电场，利用离子在高低电场下离子迁移率的非线性变化实现气相离子分离，能够快速灵敏的监测各种化学制剂和被检样品的成分，主要用在环境监测领域和气相色谱监测器中。

图1示出了现有的离子迁移电流传感器，主要包括迁移管及位于迁移管内的电离源、A区极板及B区极；其工作原理是这样的：待测物（气态）在载体气体的带动下进入迁移管，经过电离源，待测物被电离成离子，离子进入A区极板，A区极板之间具有射频电场，待测离子在射频电场的作用下通过A区极板到达B区极板，B区极板间施加有低压偏置电压，待测物离子在低压偏置电压的作用下打在B区极板上，形成电流并作为传感器的输出信号，该电流反应了待测物离子的种类及数量。

然而离子迁移电流传感器输出的电流十分微弱且混有许多噪音，因此有必要对其进行放大、去噪，得到准确的反应待测物离子种类及数量的电信号，以便进一步分析。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种离子迁移谱检测电路，实现对离子迁移电流传感器输出的微小电信号的检测、提取。

本实用新型采用的技术方案是这样的，包括：电源、离子迁移电流传感器、初级放大电路、带通滤波电路、次级放大电路、信号解调电路、时钟电路及时钟相移电路；

电源用于向检测电路中的各用电元器件供电；

离子迁移电流传感器的电流输出端与初级放大电路的信号输入端连接，初级放大电路的信号输出端与带通滤波电路的信号输入端连接，带通滤波电路的信号输出端与次级放大电路的信号输入端连接；次级放大电路的信号输出端与信号解调电路的信号输入端连接；

所述时钟电路的时钟信号输出端与时钟相移电路连接，时钟相移电路具有第一时钟输出端及第二时钟输出端，第一时钟输出端向离子迁移电流传感器提供采样时钟信号，第二时钟输出端向信号解调电路提供解调时钟信号。

优选地，时钟相移电路的第一时钟输出端输出的时钟信号相对其第二时钟输出端输出的时钟信号具有相位偏移。

优选地，所述初级放大电路为跨阻放大器。

优选地，所述带通滤波器用于滤除信号中的高频噪音及低频噪音。

优选地，所述时钟相移电路包括时钟相移产生电路及两个极性转换电路；时钟相移产生电路用于对输入其中的时钟信号进行相位偏移；极性转换电路用于将输入其中的信号转换为双极性；

所述时钟电路的时钟信号输出端与时钟相移产生电路的时钟信号输入端连接，时钟电路的时钟信号输出端还同时与第一极性转换电路的输入端连接；时钟相移产生电路的时钟信号输出端与第二极性转换电路的输入端连接；第一极性转换电路的输出端为时钟相移电路的第一时钟输出端，第二极性转换电路的输出端为时钟相移电路的第二时钟输出端。

进一步，信号解调电路包括第一模拟开关电路、第二模拟开关电路、差分放大电路及低通滤波器；

所述第一模拟开关电路的第一输入端与次级放大电路的信号输出端连接，第一模拟开关电路的第二输入端接地；第一模拟开关电路的控制端与时钟相移产生电路的第二时钟输出端连接；第一模拟开关电路的输出端与差分放大电路的第一输入端连接；

所述第二模拟开关电路的第一输入端接地，第二模拟开关电路的第二输入端与次级放大电路的信号输出端连接；第二模拟开关电路的控制端与时钟相移产生电路的第二时钟输出端连接；第二模拟开关电路的输出端与差分放大电路的第二输入端连接；

差分放大电路的输出端与低通滤波器的输入端连接；低通滤波器的输出端为信号解调电路的信号输出端。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型中的离子迁移电流传感器在时钟信号的控制下将反应离子流大小的低频电流信号调制到某个高频上，然后对调制后的信号进行方法、滤波，有效滤除了调制信号中的噪音，最后解调电路将反应离子流大小的电信号解调出来，实现了对微弱电流信号的高精度测量，并且本实用新型电路结构简单、成本低，同时能很好的满足基于离子迁移谱技术对被检测样品的数据采集和分析的有效性要求。

另外，本实用新型中的传感器工作时钟与信号解调电路的工作时钟具有一定的相位偏移，这样的涉及有利于进一步降低待测信号中的噪音，提高信噪比。

附图说明

图1为离子迁移电流传感器结构原理图。

图2为本实用新型电路原理框图。

图3为本实用新型中离子迁移电流传感器的连接实施例。

图4为本实用新型中初级放大电路的一个具体实施例。

图5为本实用新型中带通滤波器的一个具体实施例。

图6为本实用新型中次级放大器的一个具体实施例。

图7为本实用新型中信号解调电路的一个具体实施例。

图8为本实用新型中时钟电路的一个具体实施例。

图9为本实用新型中时钟相移电路的一个具体实施例。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2所示，本实用新型电源、离子迁移电流传感器、初级放大电路、带通滤波电路、次级放大电路、信号解调电路、时钟电路及时钟相移电路。

电源用于向检测电路中的各用电元器件供电。

离子迁移电流传感器的电流输出端与初级放大电路的信号输入端连接，初级放大电路的信号输出端与带通滤波电路的信号输入端连接，带通滤波电路的信号输出端与次级放大电路的信号输入端连接；次级放大电路的信号输出端与信号解调电路的信号输入端连接。

所述时钟电路的时钟信号输出端与时钟相移电路连接，时钟相移电路具有第一时钟输出端及第二时钟输出端，第一时钟输出端向离子迁移电流传感器提供采样时钟信号，第二时钟输出端向信号解调电路提供解调时钟信号。

离子迁移电流传感器在采样时钟信号的控制下将低频的离子电流调制到某一高频上，调制方式可以是按照一定频率采集离子电流，在一个具体实施例中，按照采样时钟信号的控制下周期性的开启、关闭传感器的电离源，详见图3。

在一个具体实施例中，所述初级放大电路为跨阻放大器。图4示出了本实施例采用的跨阻放大器结构。包括运算放大器U2、电阻R1、电容C1；运算放大器的正相输入端接地，反相输入端与电阻R1的一端、电容C1的一端均连接，电阻R1的另一端、电容C1的另一端均接至运算放大器U2的输出端。离子迁移电流传感器的电流输出端与运算放大器U2的反相输入端连接。

所述带通滤波器用于滤除信号中的高频噪音及低频噪音。本实施例采用了两级带通滤波器级联来达到提高品质因数Q的目的。

参见图5，在又一实施例中，带通滤波器由两级滤波器组成，其中第一级包括运算放大器U1A、U1B；次级放大器的输出端通过电阻R10接至运算放大器U1B的正相输入端，运算放大器U1B的正相输入端还通过电容C6接地，电阻R11与电容C6并联。

可变电阻R7的一端与运算放大器U1B的正相输入端连接，R7的另一端与电容C51的一端连接，R7的滑动端与电容C51的所述一端连接，电容C51的另一端与电阻R5的一端、运算放大器U1B的反相输入端、运算放大器U1A的反相输入端均连接。

电阻R5的另一端与运算放大器U1B的输出端连接。

运算放大器U1A的输出端与电容C51的所述一端连接，电阻R5的所述另一端还通过电阻R2接至运算放大器U1A的正相输入端，电阻R3的一端与运算放大器U1A的正相输入端连接，电阻R3的另一端接地。

本实施例带通滤波器的第二级与第一级结构完全相同，在此不再赘述其连接结构。

带通滤波器中的可调电阻R7以及可调电阻R8用于精确调整滤波器的中心频率，本实施例中将中心频率设为10kHz。

图6示出的是本实用新型一个具体实施中的次级放大电路，包括两个级联的反相比例放大电路，放大倍数达到10000。

参见图7，在又一实施例中，信号解调电路包括模拟开关U5B、模拟开关U5A、差分放大电路U6A及低通滤波器。

所述模拟开关U5B的输入端7与次级放大电路的信号输出端连接，模拟开关U5B的输入端4接地；模拟开关U5B的控制端与时钟相移产生电路的第二时钟输出端DMODULE连接；模拟开关U5B的输出端6与差分放大器U6A的输入端2连接。

所述模拟开关U5A的输入端9接地，模拟开关U5A的输入端2与次级放大电路的信号输出端连接；模拟开关U5A的控制端1与时钟相移产生电路的第二时钟输出端DMODULE连接；模拟开关U5A的输出端10与差分放大器U6A的输入端3连接。

差分放大器U6A的输出端与低通滤波器的输入端连接；低通滤波器的输出端为信号解调电路的信号输出端。

运算放大器U7A、电阻R13、电阻R16、电容C8及电容C13组成低通滤波器。

图8示出了一个时钟电路的实施例，芯片Y1为高精度的温度补偿型有源晶振，可提供高精度低抖动的时钟信号。

本实用新型一个具体实施例中的时钟相移电路包括时钟相移产生电路及两个极性转换电路。时钟相移产生电路用于对输入其中的时钟信号进行相位偏移；极性转换电路用于将输入其中的信号转换为双极性。

参见图9，所述时钟电路的时钟信号输出端与时钟相移芯片U8的时钟信号输入端1连接，时钟电路的时钟信号输出端还同时与第一极性转换电路的输入端连接；时钟相移芯片U8的时钟信号输出端与第二极性转换电路的输入端连接；第一极性转换电路的输出端为时钟相移电路的第一时钟输出端，第二极性转换电路的输出端为时钟相移电路的第二时钟输出端。

可调电阻R22的一端与芯片U8的GND引脚连接，R22的另一端与芯片U8的SET引脚连接，R22的可调端接地，芯片U8的GND引脚接地。芯片U8的V+引脚通过电阻R23、电阻R26接地，芯片U8的DIV引脚与电阻R23、电阻R26的公共连接点连接，电容C49与电阻R26并联。通过调整电阻R22的可调端可设置移相相位，电阻R23、电阻R26用于设置移相的时间范围。

本实施例中的第一极性转换电路、第二极性转换电路采用集成于同一芯片上的两个高速比较器实现。以第一极性转换电路为例，芯片U8的时钟信号输出端与高速比较器A的正相输入端+INA连接，高速比较器A的反相输入端-INA连接一参考电压。高速比较器A输出的时钟信号将会由单极性转换为双极性。

时钟电路的时钟信号输出端与高速比较器B的正相输入端+INB连接，高速比较器B的反相输入端-INB连接一参考电压。高速比较器B输出的时钟信号将会由单极性转换为双极性。

采用双极性时钟信号有利于降低信号噪声。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种离子迁移谱检测电路，其特征在于，包括：电源、离子迁移电流传感器、初级放大电路、带通滤波电路、次级放大电路、信号解调电路、时钟电路及时钟相移电路；

电源用于向检测电路中的各用电元器件供电；

离子迁移电流传感器的电流输出端与初级放大电路的信号输入端连接，初级放大电路的信号输出端与带通滤波电路的信号输入端连接，带通滤波电路的信号输出端与次级放大电路的信号输入端连接；次级放大电路的信号输出端与信号解调电路的信号输入端连接；

所述时钟电路的时钟信号输出端与时钟相移电路连接，时钟相移电路具有第一时钟输出端及第二时钟输出端，第一时钟输出端向离子迁移电流传感器提供采样时钟信号，第二时钟输出端向信号解调电路提供解调时钟信号。

2.根据权利要求1所述的一种离子迁移谱检测电路，其特征在于，时钟相移电路的第一时钟输出端输出的时钟信号相对其第二时钟输出端输出的时钟信号具有相位偏移。

3.根据权利要求1所述的一种离子迁移谱检测电路，其特征在于，所述初级放大电路为跨阻放大器。

4.根据权利要求1所述的一种离子迁移谱检测电路，其特征在于，所述带通滤波器用于滤除信号中的高频噪音及低频噪音。

5.根据权利要求2所述的一种离子迁移谱检测电路，其特征在于，所述时钟相移电路包括时钟相移产生电路及两个极性转换电路；时钟相移产生电路用于对输入其中的时钟信号进行相位偏移；极性转换电路用于将输入其中的信号转换为双极性；

所述时钟电路的时钟信号输出端与时钟相移产生电路的时钟信号输入端连接，时钟电路的时钟信号输出端还同时与第一极性转换电路的输入端连接；时钟相移产生电路的时钟信号输出端与第二极性转换电路的输入端连接；第一极性转换电路的输出端为时钟相移电路的第一时钟输出端，第二极性转换电路的输出端为时钟相移电路的第二时钟输出端。

6.根据权利要求1所述的一种离子迁移谱检测电路，其特征在于，信号解调电路包括第一模拟开关电路、第二模拟开关电路、差分放大电路及低通滤波器；

所述第一模拟开关电路的第一输入端与次级放大电路的信号输出端连接，第一模拟开关电路的第二输入端接地；第一模拟开关电路的控制端与时钟相移产生电路的第二时钟输出端连接；第一模拟开关电路的输出端与差分放大电路的第一输入端连接；

所述第二模拟开关电路的第一输入端接地，第二模拟开关电路的第二输入端与次级放大电路的信号输出端连接；第二模拟开关电路的控制端与时钟相移产生电路的第二时钟输出端连接；第二模拟开关电路的输出端与差分放大电路的第二输入端连接；

差分放大电路的输出端与低通滤波器的输入端连接；低通滤波器的输出端为信号解调电路的信号输出端。