專利名稱：一種用于水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備中的雙鎖相放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬電路及儀器設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種用于水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備中的雙鎖相放大器。
背景技術(shù)：
鎖相放大器(Lock-1n Amplifier，簡稱LIA)主要用于檢測信噪比很低的微弱信號，即使有用信號被淹沒在噪聲信號中，噪聲信號比有用的信號大很多，只要已知有用信號的頻率值，就能準確測量出這個信號的振幅值。鎖相放大器實際上是一個模擬的傅立葉變換器，鎖相放大器的輸出是一個直流電壓，正比于輸入信號中某一特定頻率(參考信號的頻率)的信號幅值，而輸入信號中的其他頻率成分將不能對輸出電壓構(gòu)成任何貢獻；所以鎖相放大器必須保證輸入的有用信號和參考信號頻率一樣，且兩者的相位差不變，并且有用信號的振幅保持穩(wěn)定，其輸出的直流電壓信號大小才與有用信號的振幅成正比，此比例和鎖相放大器的放大倍數(shù)、輸入信號和參考信號的相位差有關(guān)。因此，現(xiàn)有鎖相放大器在應(yīng)用時需要知道輸入信號的頻率，且必須保持輸入信號和參考信號的相位差不變；而在實際應(yīng)用中，在很多場合，由于各種原因(器件的延時，溫濕度的變化，化學(xué)試劑導(dǎo)致光信號的變化)會導(dǎo)致輸入信號中有用信號的相位發(fā)生變化，且這種變化又是不可估計和測量的，因此，要從噪聲中提取微弱的有用信號，即使知道有用信號的頻率，一旦有用信號和參考信號的相位差發(fā)生變化，鎖相放大器輸出的直流電壓值就會不準確，且不穩(wěn)定，這將直接導(dǎo)致監(jiān)測儀器的測量結(jié)果不準確，不穩(wěn)定。此外，現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備儀器，尤其是水質(zhì)在線監(jiān)測儀器，普遍存在因抗外界干擾能力差、環(huán)境適應(yīng)性不強導(dǎo)致的測量結(jié)果的示值誤差和重復(fù)性誤差偏大等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是:提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對提取出的有用信號的振幅進行準確、穩(wěn)定測量的用于水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備中的雙鎖相放大器。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種用于水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備中的雙鎖相放大器，包括:信號轉(zhuǎn)換單元、信號調(diào)整單元、雙鎖相放大器單元和MCU單元。參考信號Z經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元的電光轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和初始信號處理后轉(zhuǎn)換為雜波、噪聲和有用信號共存的信號Z’ ；信號Z’經(jīng)信號調(diào)整單元的濾波、放大及反相處理后得到兩個相位完全相反的信號A和B ;信號A和B經(jīng)雙鎖相放大器單元分別與參考信號X和Y相乘，之后再經(jīng)濾波和放大后得到信號A’和B’ ；最后，MCU單元將信號A’和B’進行AD采樣和數(shù)字信號處理，輸出目標信號；同時MCU單元為雙鎖相放大器單元和信號轉(zhuǎn)換單元提供參考信號X、Y和Z。以下結(jié)合各個模塊詳述雙鎖相放大器的信號處理方法。(I)信號轉(zhuǎn)換單元，
信號轉(zhuǎn)換單元，主要包含電光轉(zhuǎn)換模塊、目標反應(yīng)模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和AC放大器。此單元首先通過電光轉(zhuǎn)換將參考信號Z轉(zhuǎn)換成隨參考信號Z變化的原始光源信號Zl，光信號Zl經(jīng)目標反應(yīng)后變成Z2，Z2再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變換成Z3，而Z3是由參考信號Z控制，和目標反應(yīng)中檢測物質(zhì)溶度變化有關(guān)，Z3經(jīng)初步的AC放大器后變成Z’。由于電光轉(zhuǎn)換模塊的失真、目標反應(yīng)中存在干擾因素、背景光對Z2的影響、光電轉(zhuǎn)換和AC放大器的失真及各電路的熱噪聲等諸多因素的影響，最后得到的Z’信號帶有很多雜波。本單元主要目的是得到一個頻率可控(頻率與參考信號Z相同且由MCU控制)的信號Z’，且此信號中包含經(jīng)過目標反應(yīng)之后的有用信號。(2)信號調(diào)整單元，
信號調(diào)整單元，包含帶通濾波器、AC放大器、跟隨和反相模塊。帶通濾波器單元可將從信號轉(zhuǎn)換單元得到的帶有很多雜波的電信號Z’經(jīng)過本帶通濾波器的濾波處理，得到所需的與參考信號Z頻率相同的有用信號Z’ ’，隨后，將此信號Z’’傳輸給々(:放大器進行放大，得到2’’’，2’’’經(jīng)過跟隨和反相處理，得到兩個無延時、相位完全相反、振幅相同的信號A和B。此單元主要從Z’中提取出有用信號A和B。A、B兩信號的頻率皆與參考信號Z相同，且其振幅跟目標反應(yīng)相關(guān)。(3)雙鎖相放大器單元，
雙鎖相放大器單元，包含模擬開關(guān)、低通濾波器和DC放大器。由與參考信號Z的頻率相同、相位差為90°的參考信號X、Y來控制模擬開關(guān)的通斷，從而對信號調(diào)整單元輸出的兩信號A和B進行分時導(dǎo)通，得到另外兩個不同的交流信號Al和BI。此單元相當于一個模擬乘法器，可將有用信號Α、B和參考信號X、Y進行相乘，得到Al和BI ;低通濾波器模塊里包含兩路完全一樣的低通濾波器，分別對Al和BI進行低通濾波處理，得到兩個直流信號Α2和Β2 ；DC放大器模塊中包含兩個DC放大器，分別對A2和B2進行DC放大處理，得到兩個放大后的直流信號A’和B’。此單元是本發(fā)明的核心單元。它將有用信號A和B轉(zhuǎn)換為直流信號A’和B’，而直流信號A’和B’的電壓信號跟有用信號A和B的振幅相關(guān)，其值大小由目標反應(yīng)決定。(4) MCU 單元，
MCU單元，包含AD采樣和MCU。AD采樣模塊，包含兩路AD采樣器，分別對直流信號A’和B’進行采樣處理，得到兩個數(shù)字信號VA和VB ;最后，MCU對VA和VB進行數(shù)字運算，得到目標數(shù)據(jù)。此外，信號轉(zhuǎn)換單元和雙鎖相放大器單元所需要的3個參考信號X、Y、Z均由MCU產(chǎn)生。本單元主要用于產(chǎn)生參考信號X、Y、Z，計算直流信號Α’和B’的大小并進行運算，從而得出有用信號A和B的振幅大小，最后可得到目標反應(yīng)之后的目標信號。應(yīng)用方式:在原有水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備中加入雙鎖相放大器，即在主板中設(shè)計相關(guān)電路，在芯片中嵌入對應(yīng)程序；對測試流程中比色反應(yīng)得到的光信號進行信號轉(zhuǎn)換、信號調(diào)整、雙鎖相放大，隨后進行采樣和運算，得到目標信號值即反應(yīng)產(chǎn)物的吸光度值；最后根據(jù)標準曲線得到樣品中的目標物質(zhì)含量。有益效果:
(O提高現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測儀器的抗干擾能力，增強環(huán)境適應(yīng)性；
(2)與未應(yīng)用該雙鎖相放大器相比，儀器測量結(jié)果的示值誤差減少2%-10%；
(3)與未應(yīng)用該雙鎖相放大器相比，儀器測量結(jié)果的重復(fù)性誤差減少2%-9%；


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述:
圖1為本發(fā)明的雙鎖相放大器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為信號轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為信號調(diào)整單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為雙鎖相放大器單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為MCU單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為雙鎖相放大器應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備中的原理圖。
具體實施例方式實施例:如圖1所示的雙鎖相放大器包括:信號轉(zhuǎn)換單元、信號調(diào)整單元、雙鎖相放大器單元和MCU單元。(I)信號轉(zhuǎn)換單包括元:電光轉(zhuǎn)換、比色池、光電轉(zhuǎn)換和AC放大器，如圖2所示。電光轉(zhuǎn)換由一個頻率為350HZ的參考信號Z控制的，可控恒流源來驅(qū)動LED發(fā)光；恒流源中所用穩(wěn)壓三極管為TL431，參考信號Z的控制電路由S8050和FDN336P組成，經(jīng)電光轉(zhuǎn)換，Z轉(zhuǎn)化為原始光源信號Zl。比色池是一個能夠?qū)Τ槿〉乃畼舆M行自動加熱、溫控的透明容器，在420nm波長燈的照射下經(jīng)目標反應(yīng)后，Zl轉(zhuǎn)變成Z2。光電轉(zhuǎn)換是一個由硅光電池接收光信號Z2，再經(jīng)IV轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電流信號Z3的電路，所用IV轉(zhuǎn)換芯片為0PA656U。放大器是一個具有高精度和高增益帶寬比的放大電路，所用運放為0PA2140，Z3經(jīng)初步的AC放大器后變成一個跟參考信號Z頻率相同的信號Z’。(2)信號調(diào)整單元，包含帶通濾波器、AC放大器、跟隨和反相，如圖3所示。帶通濾波器采用通用有源濾波器芯片UAF42AU，可將從信號轉(zhuǎn)換單元得到的帶有很多雜波的電信號Z’經(jīng)過濾波處理，得到所需的特定頻率(350HZ)的有用信號Z’ ’。放大器是一個具有高精度和高增益帶寬比的放大電路，將信號Z’’放大后得到Z’’’，所用運放為0PA2140。之后，Z’ ’ ’經(jīng)過跟隨和反相處理，得到兩個相位完全相反，振幅相同的信號A和B，跟隨和反相所用運放為0PA2140。(3)雙鎖相放大器單元，包含模擬開關(guān)、低通濾波器和DC放大器，如圖4所示。模擬開關(guān)由特定頻率(350HZ)、特定相位(相位差為90° )的參考信號X、Y來控制模擬開關(guān)的通斷，從而對信號調(diào)整單元輸出的兩信號A和B進行分時導(dǎo)通，得到另外兩個不同的交流信號Al和BI ;該模擬開關(guān)采用具有4路開關(guān)的芯片DG413，此芯片內(nèi)部自帶死區(qū)時間鎖存。低通濾波器采樣普通的RC低通濾波器，時間常數(shù)為6S ;該模塊中包含兩路完全一樣的低通濾波器，分別對Al和BI進行低通濾波處理，得到兩個直流信號Α2和Β2。放大器是一個具有高精度和高增益的放大電路，所用運放為0ΡΑ2140 ;該模塊中包含兩個DC放大器，分別對Α2和Β2進行DC放大處理，得到直流信號Α’和B’。
(4) MCU單元，包含AD采樣和MCU，如圖5所示。采樣模塊采用MCU內(nèi)部自帶的AD模塊，包含兩路AD采樣器，分別對直流信號A’和B’進行采樣處理，得到兩個數(shù)字信號VA和VB。選用TMS320F2808處理器，對VA和VB進行數(shù)字運算，得出有用信號A和B的振幅大小，進而得到目標數(shù)據(jù)即比色反應(yīng)之后溶液的吸光度。應(yīng)用方式:如圖6所示，在原有COD水質(zhì)在線分析儀(量程為0_80mg/L)中加入雙鎖相放大器，即在主板中設(shè)計相關(guān)電路，在芯片中嵌入對應(yīng)程序，對測試流程中比色反應(yīng)得到的光信號進行信號轉(zhuǎn)換、信號調(diào)整、雙鎖相放大，隨后進行采樣和運算，得到目標信號值即反應(yīng)產(chǎn)物的吸光度值；最后根據(jù)已有標準曲線得到水樣中COD濃度值。經(jīng)測試，在原有量程為0_80mg/L的COD水質(zhì)在線分析儀設(shè)備中加入雙鎖相放大器后，在晝夜溫差為I (TC左右的條件下，連續(xù)24h檢測COD濃度分別為50、30、15、10mg/L的實際水樣，檢測結(jié)果與未應(yīng)用該雙鎖相放大器相比:
顯著提高COD水質(zhì)在線分析儀的抗干擾能力，增強環(huán)境適應(yīng)性；
儀器測量結(jié)果的示值誤差分別由5.2%、8.6%、11%、15%降至3%、4.5%、6.2%、8.1% ；
儀器測量結(jié)果的重復(fù)性誤差分別由3.8%、9.2%、12.5%、16.1%降至1.2%、3.9%、6.7%、7.4%。
權(quán)利要求
1.一種用于水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備中的雙鎖相放大器，其特征在于，包括: 信號轉(zhuǎn)換單元，包括電光轉(zhuǎn)換模塊、目標反應(yīng)模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和AC放大器，電光轉(zhuǎn)換模塊通過目標反應(yīng)模塊與光電轉(zhuǎn)換模塊相連，所述光電轉(zhuǎn)換模塊與AC放大器相連； 信號調(diào)整單元，包括帶通濾波器、AC放大器、跟隨和反相模塊，AC放大器的輸出與帶通濾波器相連，帶通濾波器通過AC放大器與跟隨和反相模塊相連； 雙鎖相放大器單元，包括模擬開關(guān)、低通濾波器和DC放大器，跟隨和反相模塊的輸出與模擬開關(guān)相連，模擬開關(guān)通過低通濾波器與DC放大器相連； MCU單元，包括AD采樣模塊和MCU，AD采樣模塊與DC放大器的輸出相連，AD采樣模塊的輸出與MCU相連。
2.一種用于水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備中的雙鎖相放大器的信號處理方法，其特征在于，包括以下步驟: (O電光轉(zhuǎn)換模塊將參考信號Z轉(zhuǎn)換成隨參考信號Z變化的原始光源信號Zl，光信號Zl經(jīng)目標反應(yīng)模塊后變成信號Z2，信號Z2再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊變換成信號Z3，信號Z3經(jīng)初步的AC放大器后變成信號Z’ ； (2)帶通濾波器單元將從信號轉(zhuǎn)換單元得到信號Z’進行濾波處理，得到信號Z’’，AC放大器對信號Z’ ’進行放大，得到信號Z’ ’ ’，信號Z’ ’ ’通過跟隨和反相模塊處理后得到兩個無延時、相位完全相反、振幅相同的信號A和B ; (3)由與參考信號Z的頻率相同、相位差為90°的參考信號X、Y來控制模擬開關(guān)的通斷，從而對信號調(diào)整單元輸出的兩信號A和B進行分時導(dǎo)通，得到另外兩個不同的交流信號Al和BI，然后分別對Al和BI進行低通濾波處理，得到兩個直流信號A2和B2 ；DC放大器模塊中包含兩個DC放大器，分別對A2和B2進行DC放大處理，得到兩個放大后的直流信號A’和B，； (4)由兩路AD采樣器分別對直流信號A’和B’進行采樣處理，得到兩個數(shù)字信號VA和VB ;最后，MCU對VA和VB進行數(shù)字運算，得到目標數(shù)據(jù)。
3.一種水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，包括權(quán)利要求1所述的用于水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備中的雙鎖相放大器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備中的雙鎖相放大器，其特征在于，包括信號轉(zhuǎn)換單元，包括電光轉(zhuǎn)換模塊、目標反應(yīng)模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和AC放大器，電光轉(zhuǎn)換模塊通過目標反應(yīng)模塊與光電轉(zhuǎn)換模塊相連，所述光電轉(zhuǎn)換模塊與AC放大器相連；信號調(diào)整單元，包括帶通濾波器、AC放大器、跟隨和反相模塊，AC放大器的輸出與帶通濾波器相連，帶通濾波器通過AC放大器與跟隨和反相模塊相連；雙鎖相放大器單元，包括模擬開關(guān)、低通濾波器和DC放大器，跟隨和反相模塊的輸出與模擬開關(guān)相連，模擬開關(guān)通過低通濾波器與DC放大器相連；MCU單元，包括AD采樣模塊和MCU，AD采樣模塊與DC放大器的輸出相連，AD采樣模塊的輸出與MCU相連。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對提取出的有用信號的振幅進行準確、穩(wěn)定的測量。
文檔編號G01N21/01GK103107788SQ20121043862
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者謝明明, 李偉, 李紅麗, 莊曉東 申請人:蘇州聚陽環(huán)?？萍加邢薰?br>