專利名稱：吸收類分析儀器光檢測量程自動擴展電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在吸收類光譜儀器中實現(xiàn)光電檢測量程自動擴展的電路，尤其是涉及一種對吸收類光譜儀器中光源的發(fā)光功率的反比例控制，借以達到對經(jīng)吸收池樣品吸收后的輸出光進行檢測量程的自動擴展目的的電路。
背景技術(shù)：
在早期的電子技術(shù)中，對于檢測器量程的轉(zhuǎn)換，普遍采用撥檔開關(guān)手動轉(zhuǎn)換連接所需的量程。隨著電子技術(shù)與自動化技術(shù)的發(fā)展，微型處理器、電子開關(guān)、陣列電阻獲得廣泛的應(yīng)用，自動判別、自動進行量程轉(zhuǎn)換的量程自動擴展技術(shù)大量應(yīng)用于檢測器量程的轉(zhuǎn)換工作(趙茂泰.智能儀器原理與應(yīng)用.北京電子工業(yè)出版社，1999125-127)，應(yīng)用手工轉(zhuǎn)換量程的檢測儀器越來越少，多局限于高壓、大電流等電子開關(guān)無法承受的場合使用。
無論是量程自動擴展技術(shù)還是手工撥檔轉(zhuǎn)換量程的過程，經(jīng)典做法實質(zhì)上都是改變檢測放大器的增益值，使得已經(jīng)跑偏檢測器線性放大區(qū)的工作點(處于放大器截止區(qū)或者處于飽和區(qū))重新回到放大區(qū)，從而保證所有檢測值的線性關(guān)系。它們的不同僅是人工與自動判別、人工與自動轉(zhuǎn)換的自動化程度差異。
在現(xiàn)代集成運算放大器作為檢測放大器的運用中，決定檢測放大器增益的元件幾乎是線性元件——電阻R，且成熟的應(yīng)用必須并聯(lián)一個較大的電容元件C，用于消除回路分布電容與PCB(印刷電路)板分布電容的影響，它使得檢測放大器具有穩(wěn)定的頻率特性。因此，假定一個設(shè)計的電阻R值具有正比于放大器增益系數(shù)的特性，則與電容C并聯(lián)后的復阻抗Z＝R//(1/jωC)＝(R/jωC)/(R+1/jωC)為使檢測器線性檢測區(qū)向上延伸N個倍程，則放大器線性工作曲線的斜率必須為原來的1/N，即原來的復阻抗應(yīng)更改為Zn＝Z/N顯然，N倍量程的擴展實際上是實施N個Z阻抗的并聯(lián)過程(或等效過程)，手工量程轉(zhuǎn)換應(yīng)用撥檔開關(guān)進行連接，自動量程轉(zhuǎn)換應(yīng)用電子開關(guān)在量程控制信號的作用下進行自動連接。
現(xiàn)代電子開關(guān)的制作工藝已經(jīng)做到漏電阻為百兆歐的水平，在大多數(shù)的檢測器量程自動擴展的應(yīng)用場合，可改變檢測放大器增益的電阻值為數(shù)K到數(shù)百K歐姆級的水平，遠低于電子開關(guān)的漏電阻，其漏電流的影響可以忽略不計。但對于電阻值為10兆歐姆以上且兼為檢測放大器取樣電阻的應(yīng)用場合，電子開關(guān)漏電阻引起的漏電流影響已經(jīng)不容忽視，它對檢測信號進行分流，造成檢測器檢測靈敏度與檢測分辨率的下降。
硅光電二極管由于具有體積小以及無須高壓供電與長壽的優(yōu)點，且更由于現(xiàn)代工藝制造的硅光電二極管具有低于10-15(W/Hz1/2)噪聲等效功率的表現(xiàn)水平，在光電轉(zhuǎn)換器件領(lǐng)域用于取代須高壓供電且壽命較短的光電倍增管的實際應(yīng)用愈來愈多，但它對相同光強度的電流靈敏度僅為光電倍增管的千分之一或更低。因此，在采用硅光電二極管檢測微弱光信號的高阻抗光電檢測放大器中，利用了100兆歐姆以上甚至10G歐姆的采樣電阻用于獲取盡可能高的光電轉(zhuǎn)換檢測電壓值。比例增減這個采樣電阻值則光電轉(zhuǎn)換檢測電壓值隨之發(fā)生比例增減的變化，所以它決定光電檢測放大器的增益。當應(yīng)用經(jīng)典設(shè)計量程自動擴展電路時，增加了電子開關(guān)、可并聯(lián)的電阻與電容以及實際組成的連接這些部件的印制電路(PCB)走線回路，用于與這個采樣電阻進行組合實現(xiàn)量程自動擴展的功能。而在實際應(yīng)用中將發(fā)現(xiàn)這種量程自動擴展電路的搭建使得光電檢測放大器的下列檢測指標發(fā)生了偏離原設(shè)計的改變，嚴重時甚至是無法使用的，或者須降額指標使用a.噪聲增加增加了電阻熱噪聲、直流散彈噪聲、1/f噪聲及溫度噪聲，產(chǎn)生的原因是增加的電子開關(guān)、可并聯(lián)的電阻與電容以及實際組成的連接這些部件的印制電路(PCB)走線回路。當采用的實際采樣電阻為100兆歐姆以上時，電阻熱噪聲、直流散彈噪聲甚至可能比未采用量程自動擴展電路的光電檢測放大器增加一個十的數(shù)量級。造成的后果是檢測放大器電路總噪聲大于硅光電二極管的噪聲等效功率(NEP)，實際的光電檢測放大器的檢測分辨率不再由硅光電二極管的噪聲等效功率(http//www.hamamatsu.com，si-photo-diode)來決定，而主要由實際上大得多的電路噪聲來決定。
b.電子開關(guān)固有的漏電流及印制電路板(PCB)走線回路的額外漏電流影響為使光電轉(zhuǎn)換的電流信號有效地轉(zhuǎn)換為電壓信號，檢測微弱光信號的檢測器的前置放大器必須是高輸入阻抗的集成運算放大器。它用于獲取最大的光電轉(zhuǎn)換信號的功率偶合系數(shù)，提高檢測限。而增加的電子開關(guān)、并聯(lián)的印制電路板(PCB)走線回路的漏電流因電路連接的關(guān)系，對前置輸入回路不可避免地造成旁路效應(yīng)，引起光電轉(zhuǎn)換電流信號的無功流失，有效檢測電流值下降進而檢測限指標下降(高光天主編譯.傳感器與信號調(diào)理器件應(yīng)用技術(shù).北京科學出版社，200243-57)。
因此，國內(nèi)外一些有名的吸收類光譜儀器制造商生產(chǎn)的儀器、特別是高分辨率分光光度儀中出于檢測靈敏度與穩(wěn)定性指標的考慮，它們的高分辨率光電檢測放大器仍然沿用大信號的光電倍增管作為光電轉(zhuǎn)換器件。應(yīng)用硅光電二極管作為高靈敏度光電轉(zhuǎn)換器件的光電檢測放大器，還未見過采用經(jīng)典設(shè)計的量程自動擴展電路，這些儀器通常要求實驗室的使用環(huán)境條件，以及限制吸收池的吸收光程、配制的樣品濃度等，滿足固定增益的光電檢測放大器應(yīng)用在線性放大區(qū)域的檢測要求。
在基于長光程液芯波導管的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，需要一種輔助的技術(shù)，用于解決長光程液芯波導管吸收光程長造成的不同波長分光經(jīng)吸收池樣品吸收后的光強度坐落在不同增益的光電檢測放大器線性區(qū)的范圍內(nèi)的問題。同時希望采用硅光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器滿足長壽與無高壓使用的要求，以及采用具有統(tǒng)一檢測分辨率與檢測限指標的光電檢測放大器同時檢測多波長分光滿足多波長分光檢測值一致性與關(guān)聯(lián)性的要求。
基于設(shè)計要求，采用硅光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器的光電檢測放大器必須具備量程自動擴展的功能且所有多波長分光檢測值的檢測指標必須符合單一性，即僅能采用一個固定增益的高分辨率硅光電檢測放大器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有的電子檢測器量程自動擴展電路會造成高靈敏度檢測器檢測靈敏度與檢測分辨率下降，增加額外多環(huán)路噪音和電子開關(guān)漏電流等問題，提供一種不改變光電檢測器增益獲得檢測量程自動擴展的電路，主要應(yīng)用于吸收類光譜儀器中，本發(fā)明僅用一個固定增益的光電檢測器就可獲得多光路、多倍率的精確倍乘擴展線性量程的效果，且具有全部量程統(tǒng)一的檢測分辨率與檢測限指標，無典型改變RC取樣阻抗獲得量程擴展可能帶來的額外多環(huán)路噪音、電子開關(guān)漏電流的問題。
本發(fā)明的光源的發(fā)光功率必須是能精確進行控制的，即光源為可控制光源。發(fā)光二極管與激光二極管因?qū)倮涔庠辞野l(fā)光功率與驅(qū)動信號存在一定的線性關(guān)系而十分適合在本發(fā)明電路的應(yīng)用，先前吸收類光譜儀器中常見的鎢燈、氘燈、氙燈等因發(fā)光功率與熱效應(yīng)有關(guān)，屬熱光源，且有的還須高壓點燃而不太適合本發(fā)明電路的使用。
本發(fā)明設(shè)有a.具有固定增益的硅光電檢測放大器，用于對經(jīng)吸收池樣品吸收后輸出的單色光進行光電轉(zhuǎn)換并進行檢測放大；b.微處理器系統(tǒng)，微處理器系統(tǒng)設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換器、檢測數(shù)值上/下限判別電路、檢測數(shù)值N倍乘運算電路和上限/下限溢出脈沖發(fā)生器，其中，A/D轉(zhuǎn)換器輸入端接光電檢測放大器的檢測數(shù)值模擬信號輸出端；c.狀態(tài)記憶與開關(guān)控制電路，由移位寄存器與輸出緩沖門組成，移位寄存器右移輸入端接微處理器上限溢出脈沖輸出端，移位寄存器左移輸入端接微處理器下限溢出脈沖輸出端；d.電子開關(guān)，為集成的模擬開關(guān)，電子開關(guān)控制端接上級輸出緩沖門；e.脈沖占空比/脈沖發(fā)生器，由時基電路組成；f.光功率驅(qū)動電路，用于在頻率脈沖作用下，提供具有良好工作穩(wěn)定性的光源的脈沖驅(qū)動，其輸入端接脈沖占空比/脈沖發(fā)生器的輸出端，輸出端接光源；g.光源，選自發(fā)光二極管或激光二極管光源。
由上述結(jié)構(gòu)可構(gòu)建本發(fā)明的基礎(chǔ)應(yīng)用——單路光源的單N倍率量程自動擴展電路。
與已有的電了檢測器量程自動擴展電路相比，本發(fā)明的突出優(yōu)點是1)在吸收類光譜儀器中應(yīng)用硅光二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件的高靈敏度光電檢測放大器上，可實現(xiàn)在不同量程間仍具有統(tǒng)一的高靈敏度與高檢測分辨率檢測指標的光檢測量程的自動擴展。
2)與經(jīng)典檢測放大器變換量程技術(shù)相比較，具有量程轉(zhuǎn)換精確度高，不受量程轉(zhuǎn)換過程中硅光電檢測放大器可能產(chǎn)生的額外電噪聲與可能發(fā)生的檢測指標變化的影響。
3)容易實現(xiàn)無階躍量程的多光源光譜的連續(xù)自動檢測。


圖1為本發(fā)明的基礎(chǔ)應(yīng)用實施例單路光源的單N倍率量程自動擴展電路原理框圖。
圖2為本發(fā)明的N倍量程自動擴展“虛擬”工作原理圖。
圖3為本發(fā)明的拓展應(yīng)用實施例三光路、乘2與乘4二倍率線性量程自動擴展電路電原理圖。
具體實施例方式
以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)原理與拓展應(yīng)用作進一步說明。在吸收分光光度儀器中，基本吸光定律即吸光度A＝log(I0/I)＝knl其中，I0為單色光入射吸收池前的光強，I為單色光經(jīng)過吸收池樣品吸收后的輸出光強，K為樣品的光吸收系數(shù)，n為樣品濃度，l為吸收光程(何金蘭，楊克讓，李小戈.儀器分析原理.科學出版社，2002193-321)。
當K、n、l為給定的定值時，knl＝log(I0/I)＝log(2I0/2I)＝log(NI0/NI) <1>
式<1>說明在給定K、n、l參數(shù)的情況下，當原入射光強I0增加到2倍，即2I0時，檢測到的輸出光強亦增加了2倍，即2I；當原入射光強I0增加到N倍，即NI0時，檢測到的輸出光強亦增加了N倍，即NI。
當N值為小于1的小數(shù)時，入射光強是減小的，大于1時是增加的。假定經(jīng)吸收池樣品吸收后的輸出光強太強或太弱，造成光電檢測放大器的工作點超越線性放大區(qū)進入飽和區(qū)或截止區(qū)，設(shè)計一種能滿足式<1>變化的電路用于調(diào)整入射光強(即調(diào)整光源的發(fā)光功率)的大小，使得輸出光強回到適合光電檢測放大器線性區(qū)域的強度，則可實現(xiàn)光電檢測放大器的倍量程自動擴展的功能。
式<1>同時指出，當對給定的吸收池及樣品濃度進行吸光度值的檢測與分析時，應(yīng)用不同N倍值強度的單色光在固定增益的光電檢測放大器得到的檢測結(jié)果可由式<1>進行等效換算并得到相同的結(jié)果。
本發(fā)明基于上述原理進行設(shè)計。
實施例1以下給出本發(fā)明的基礎(chǔ)應(yīng)用實施例單路光源的單N倍率量程自動擴展電路原理，參見圖1，單路光源的單N倍率量程自動擴展電路設(shè)有a.具有固定增益的高分辨率硅光電檢測放大器，用于對經(jīng)吸收池樣品吸收后輸出的單色光進行光電轉(zhuǎn)換并進行檢測放大。應(yīng)用的采樣電阻即可變增益電阻的典型值為1G歐姆，配合的光電轉(zhuǎn)換器件為S1226-44BQ型硅光電二極管(Hamamatsu Corp.Japan)，可獲得穩(wěn)定的低至10-6Lx光照度的檢測下限。本發(fā)明在檢測過程中與量程自動擴展的轉(zhuǎn)換過程中并未對這個1G歐姆做任何阻值的改變，所以光電檢測放大器的增益是固定的，前置輸入回路僅為串聯(lián)有采樣電阻的一個環(huán)路，環(huán)路數(shù)達到最小。因此，合理應(yīng)用電子制作工藝制造的光電檢測放大器部件對光信號的檢測靈敏度可達到或接近硅光電二極管噪聲等效功率的檢測限。
b.微處理器系統(tǒng)，采用PIC16F77單片機。微處理器系統(tǒng)設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換器、檢測數(shù)值上/下限判別電路、檢測數(shù)值N倍乘運算電路和上限/下限溢出脈沖發(fā)生器。其中，A/D轉(zhuǎn)換器輸入端接光電檢測放大器的檢測數(shù)值模擬信號輸出端。用于1)將硅光電檢測放大器輸出的光電檢測數(shù)值進行A/D轉(zhuǎn)換；2)對檢測數(shù)值的上/下限進行判別；3)當檢測數(shù)值超越上限值或下限值時，生成上限溢出脈沖或下限溢出脈沖，由相應(yīng)I/O口輸出；4)檢測數(shù)值上/下限判別電路同時控制檢測數(shù)值N倍乘運算電路當檢測數(shù)值未發(fā)生上/下限溢出時，關(guān)閉N倍乘運算功能，檢測數(shù)值未經(jīng)乘法運算而直接輸出；當檢測數(shù)值發(fā)生上限溢出時，開啟N倍乘運算功能，檢測數(shù)值須經(jīng)N倍乘法運算后才輸出(此狀態(tài)即N倍量程的擴展狀態(tài))；當檢測數(shù)值在N倍量程的擴展狀態(tài)下發(fā)生下限溢出，則再度關(guān)閉N倍乘運算功能，檢測數(shù)值恢復直接輸出而不再進行N倍乘法運算(即回到量程未擴展的狀態(tài))。
微處理器對上述數(shù)值運算的控制具有“記憶”的功能，即未發(fā)生數(shù)值溢出時，先前的數(shù)值運算法則將持續(xù)進行下去。僅當發(fā)生數(shù)值溢出時(生成溢出脈沖時)，數(shù)值運算法則才發(fā)生相應(yīng)的改變并繼續(xù)保持改變后的數(shù)值運算法直到產(chǎn)生新的數(shù)值溢出。
c.狀態(tài)記憶與開關(guān)控制電路，由移位寄存器(可采用MN4194集成電路)與輸出緩沖門組成。移位寄存器右移輸入端接微處理器上限溢出脈沖輸出端，移位寄存器左移輸入端接微處理器下限溢出脈沖輸出端。當微處理器產(chǎn)生上限溢出脈沖時，移位寄存器的輸出狀態(tài)發(fā)生邏輯狀態(tài)為“1”的右移變化；當微處理器產(chǎn)生下限溢出脈沖時，移位寄存器的輸出狀態(tài)發(fā)生邏輯狀態(tài)為“1”的左移變化；當微處理器未產(chǎn)生任何溢出脈沖時，移位寄存器的輸出狀態(tài)保持不變。從而自動與微處理器系統(tǒng)的檢測數(shù)值N倍乘運算電路同步工作在或者為量程未擴展的狀態(tài)，或者為N倍量程的擴展狀態(tài)，且同樣具有“記憶”的功能。
移位寄存器的輸出狀態(tài)經(jīng)輸出緩沖門控制電子開關(guān)的導通或斷開，本發(fā)明中當發(fā)生N倍量程的擴展時，電子開關(guān)是導通的；當量程未被擴展時，電子開關(guān)是斷開的。
d.電子開關(guān)，為集成的模擬開關(guān)(如MN4066集成電路)，控制端接上級輸出緩沖門。在電子開關(guān)斷開的情況下，下級脈沖占空比/脈沖發(fā)生器工作在原先設(shè)定的基準脈沖占空比例(通常為50％)的狀態(tài)下；在電子開關(guān)導通的情況下，下級脈沖占空比/脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖的占空比例將發(fā)生相應(yīng)的改變，其占空比僅為原基準脈沖占空比例的N分之一。
e.脈沖占空比/脈沖發(fā)生器，由時基電路組成，典型應(yīng)用為時基集成電路NE555。在電子開關(guān)斷開的情況下，即量程未擴展狀態(tài)，它產(chǎn)生基準脈沖，其脈沖占空比例通常為50％(預先設(shè)定)。當發(fā)生量程擴展時，電子開關(guān)導通，可精確調(diào)整的電阻網(wǎng)絡(luò)并入決定脈沖占空比的RC充電電路(時基集成電路的外圍電路)，使得RC充電時間變短，從而改變了生成脈沖在脈沖周期中的占空比例。精確調(diào)整經(jīng)電子開關(guān)接入的電阻網(wǎng)絡(luò)，可使生成脈沖的占空比為原基準脈沖占空比的N分之一，即原基準脈沖的占空比例為50％時，電子開關(guān)的導通則使得下級脈沖占空比/脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖的占空比例變?yōu)?/N×50％。
f.光功率驅(qū)動電路，用于在頻率脈沖作用下，提供具有良好工作穩(wěn)定性的光源的脈沖驅(qū)動，其輸入端接脈沖占空比/脈沖發(fā)生器的輸出端，輸出端接光源(發(fā)光二極管或激光二極管)，電路組成為具有良好溫度穩(wěn)定性的負反饋型共集電極功率驅(qū)動電路。組成電路提供給光源的脈動直流電流大小幾乎不受使用環(huán)境溫度與光源負載大小的影響，而僅取決于設(shè)計上對負反饋元件的給定。因而，在光源的脈動直流電流工作點恒定的情況下，發(fā)光二極管或激光二極管光源的發(fā)光功率與驅(qū)動脈沖的脈沖占空比呈線性的正比例關(guān)系。利用這種線性的比例關(guān)系實施對光源的反比例控制，即實現(xiàn)了當光電檢測量程需要擴展時對光源發(fā)光功率的反比例控制功能。
g.光源，本發(fā)明所采用的光源最好選用發(fā)光二極管或激光二極管光源。
顯然，若微處理器預先設(shè)定的上、下限值分別代表光電檢測放大器的線性區(qū)域與飽和區(qū)域、線性區(qū)域與截止區(qū)域的臨界點，則當檢測數(shù)值大于上限值時，固定增益的光電檢測放大器已經(jīng)工作在飽和區(qū)，依式<1>，讓光源發(fā)光功率依N比例減小，可使檢測工作點“下拉”回到光電檢測放大器的線性區(qū)域；當檢測數(shù)值小于下限值時，光電檢測放大器已經(jīng)工作在截止區(qū)，讓光源發(fā)光功率恢復原來的強度，可使檢測工作點“上拉”回到光電檢測放大器的線性區(qū)域。
因此，確切地說，本發(fā)明電路是一種自動地進行檢測數(shù)值的判別然后讓脫離光電檢測放大器檢測線性放大區(qū)域的工作點自動回到線性放大區(qū)域的智能技術(shù)應(yīng)用，但它最大的特點是運用了上述的<1>式進行了數(shù)值的換算，屬一種“虛擬”技術(shù)。在N倍量程自動擴展的轉(zhuǎn)換過程中，光電檢測放大器的線性區(qū)域并未被真正向上延伸了N倍而是始終保持原設(shè)計的線性區(qū)域不變，但我們在理論上可以把N倍量程的延伸直線視為“虛線線性區(qū)域”、技術(shù)上認為檢測放大器的線性檢測能力是無限的，檢測到實際檢測數(shù)值然后應(yīng)用N倍率進行等效換算獲得精確的等效結(jié)果，“虛擬線性工作點”則處在“虛線延伸直線”上，參見圖2。
實施例2為進一步說明本發(fā)明基礎(chǔ)應(yīng)用電路的特性與優(yōu)點，結(jié)合微處理器系統(tǒng)對“基于長光程液芯波導管的多波長分光態(tài)二氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)”實施三光路、二倍率線性量程自動擴展的拓展方案，參見圖3。
圖3是應(yīng)用“單路光源的單N倍率量程自動擴展電路”發(fā)展組合而成的，采用了3個獨立的單色光源分光系統(tǒng)、單個高增益的硅光電檢測放大器，實施對具有很長光程的“液芯波導管”進行432nm、620nm及740nm波長三單色光的二氧化碳濃度的吸收光譜分析。每個波長的單色光是輪流點亮的，所有的單色光穿過“液芯波導管”后最終都由唯一的高增益硅光電檢測放大器進行檢測。
圖3中，a，b，c，d，e，f，g符號代表的電路單元與圖1“單路光源的單N倍率量程自動擴展電路原理框圖”中相同符號代表的單元功能框圖具有相同或等效的電原理、作用和相互的連接機理。但每個電路單元被擴展為3個相同模塊(a電路單元為一個)，以適應(yīng)三波長單色光被吸收光的獨立處理與獨立的倍量程自動擴展倍量程自動擴展。部分電路單元的詳盡的電路原理在圖3中僅畫出對432nm波長的處理通道(通道1)。
系統(tǒng)中，增加了微處理器系統(tǒng)對3個LED管的順序點燃控制與三個獨立倍率量程自動擴展電路通道的控制。系統(tǒng)上電時，微處理器b、狀態(tài)記憶與開關(guān)控制電路c復位，三個通道的脈沖占空比/脈沖發(fā)生器e首先都產(chǎn)生脈沖占空比約50％的頻率脈沖信號，“光源譯碼器”對微處理器輸出的“光源編碼信號”進行譯碼，輸出對應(yīng)的選通高電平信號作用于選通門“與門”，頻率脈沖信號通過“與門”電路輪流輸出頻率脈沖控制對應(yīng)LED管的發(fā)光功率首先工作在量程未發(fā)生擴展(乘1檔)的水平。
當任一波長通道的量程發(fā)生擴展時，“上限溢出脈沖”的脈沖寬度首先被“脈沖寬度延時電路”整形延長到略微高于“光源編碼信號”變化周期的水平，而“光源譯碼器”輸出的光源選通信號經(jīng)“反向器”反向后作用于狀態(tài)記憶與開關(guān)控制電路c的時鐘輸入端。二者的時序配合保證被選中的通道的狀態(tài)記憶與開關(guān)控制電路c在光源選通信號的末端時刻才發(fā)生適應(yīng)量程被擴展狀態(tài)的改變并被記憶下來(參見有關(guān)U6器件，MN4194的用法)。相應(yīng)通道的脈沖占空比/脈沖發(fā)生器e電路產(chǎn)生的頻率脈沖在電子開關(guān)矩陣組合閉合的作用下發(fā)生對應(yīng)擴展倍率的精確的反比例改變并控制LED管的發(fā)光功率到該比例的水平。
相同的機理同樣發(fā)生在當任一波長通道的量程發(fā)生由高擴展倍率到低擴展倍率的變化過程，但微處理器不產(chǎn)生“上限溢出脈沖”而產(chǎn)生“下限溢出脈沖”輸出。
“單路光源的單N倍率量程自動擴展電路”的單N倍率量程自動擴展在這種拓展應(yīng)用中被發(fā)展成每個波長處理通道的2倍率、4倍率兩個連續(xù)的倍量程自動擴展。由于采用了移位寄存器MN4194，所以每個波長通道的量程自動擴展的轉(zhuǎn)換順序都為乘1，乘2，乘4，或乘4，乘2，乘1的倒序。
3個LED管對應(yīng)的所有實時量程狀態(tài)都被保存在狀態(tài)記憶與開關(guān)控制電路c，僅當量程的狀態(tài)發(fā)生變化時才發(fā)生相應(yīng)的改變，因而實現(xiàn)了連同乘1檔(基礎(chǔ)檔位)三倍率線性量程的自動擴展與實時記憶。
在系統(tǒng)中，由于每個通道的“不相干性”，因而在“光源選通信號”的順序控制下實現(xiàn)了對采用單個光電檢測器的三光源分光系統(tǒng)光譜的無階躍量程的連續(xù)檢測。
因為本發(fā)明存在的光電檢測器是固定增益的光電檢測放大器而不存在內(nèi)部轉(zhuǎn)換器件的問題，所以它在量程自動擴展過程中可能產(chǎn)生的檢測數(shù)值誤差僅僅取決于先前對光源發(fā)光功率依據(jù)量程的比例的調(diào)整是否精確。
本發(fā)明的可利用范圍局限于在吸收類光譜儀器中的應(yīng)用。由于量程自動擴展過程中實際上并未涉及使用電子開關(guān)對光電檢測放大器的調(diào)整，所以更適合光電子僅皮安至納安級的弱光信號高阻檢測放大器的量程轉(zhuǎn)換。同時由于對光源的功率控制具有“記憶”的效應(yīng)，所以對于采用單個光電檢測器、多個光源的吸收類光譜儀器能實現(xiàn)無階躍量程的多光源光譜的連續(xù)檢測。
權(quán)利要求
1.吸收類分析儀器光檢測量程自動擴展電路，其特征在于設(shè)有a.具有固定增益的硅光電檢測放大器；b.微處理器系統(tǒng)，微處理器系統(tǒng)設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換器、檢測數(shù)值上/下限判別電路、檢測數(shù)值N倍乘運算電路和上限/下限溢出脈沖發(fā)生器，其中，A/D轉(zhuǎn)換器輸入端接光電檢測放大器的檢測數(shù)值模擬信號輸出端；c.狀態(tài)記憶與開關(guān)控制電路，由移位寄存器與輸出緩沖門組成，移位寄存器右移輸入端接微處理器上限溢出脈沖輸出端，移位寄存器左移輸入端接微處理器下限溢出脈沖輸出端；d.電子開關(guān)，為集成的模擬開關(guān)，電子開關(guān)控制端接上級輸出緩沖門；e.脈沖占空比/脈沖發(fā)生器，由時基電路組成；f.光功率驅(qū)動電路，其輸入端接脈沖占空比/脈沖發(fā)生器的輸出端，輸出端接光源；g.光源，選自發(fā)光二極管或激光二極管光源。
2.如權(quán)利要求1所述的吸收類分析儀器光檢測量程自動擴展電路，其特征在于具有固定增益的硅光電檢測放大器選用采樣電阻為可變增益電阻，采樣電阻的典型值為1G歐姆，配合的光電轉(zhuǎn)換器件為S1226-44BQ型硅光電二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的吸收類分析儀器光檢測量程自動擴展電路，其特征在于微處理器系統(tǒng)選自PIC16F77單片機。
4.如權(quán)利要求1所述的吸收類分析儀器光檢測量程自動擴展電路，其特征在于狀態(tài)記憶與開關(guān)控制電路的移位寄存器的輸出狀態(tài)經(jīng)輸出緩沖門控制電子開關(guān)的導通或斷開，當發(fā)生N倍量程的擴展時，電子開關(guān)是導通的；當量程未被擴展時，電子開關(guān)是斷開的。
5.如權(quán)利要求1所述的吸收類分析儀器光檢測量程自動擴展電路，其特征在于集成的模擬開關(guān)選自MN4066集成電路。
6.如權(quán)利要求1所述的吸收類分析儀器光檢測量程自動擴展電路，其特征在于在電子開關(guān)斷開的情況下，下級脈沖占空比/脈沖發(fā)生器工作在原先設(shè)定的基準脈沖占空比例的狀態(tài)下；在電子開關(guān)導通的情況下，下級脈沖占空比/脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖的占空比例將發(fā)生相應(yīng)的改變，其占空比僅為原基準脈沖占空比例的N分之一。
7.如權(quán)利要求1所述的吸收類分析儀器光檢測量程自動擴展電路，其特征在于脈沖占空比/脈沖發(fā)生器選自時基集成電路NE555。
8.如權(quán)利要求1所述的吸收類分析儀器光檢測量程自動擴展電路，其特征在于光源選自發(fā)光二極管或激光二極管光源。
全文摘要
吸收類分析儀器光檢測量程自動擴展電路，涉及一種對吸收類光譜儀器中光源的發(fā)光功率的反比例控制，借以達到對經(jīng)吸收池樣品吸收后的輸出光進行檢測量程的自動擴展目的的電路。提供一種不改變光電檢測器增益獲得檢測量程自動擴展的電路。設(shè)有硅光電檢測放大器、微處理器、狀態(tài)記憶與開關(guān)控制電路、電子開關(guān)、脈沖占空比/脈沖發(fā)生器、光功率驅(qū)動電路和光源，微處理器的A/D轉(zhuǎn)換器輸入端接檢測放大器的檢測數(shù)值輸出端；狀態(tài)記憶與開關(guān)控制電路的移位寄存器左、右移輸入端分別接微處理器上、下限溢出脈沖輸出端；電子開關(guān)控制端接上級輸出緩沖門；光功率驅(qū)動電路輸入端接脈沖占空比/脈沖發(fā)生器輸出端，光源選自發(fā)光二極管或激光二極管光源。
文檔編號H05B37/02GK1773256SQ20051012443
公開日2006年5月17日 申請日期2005年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月10日
發(fā)明者陳進順, 廖英豪, 魯中明 申請人:廈門大學