一種水質(zhì)毒性檢測(cè)儀前置放大電路設(shè)計(jì)

葉姜瑜 重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,重慶400045 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (重慶大學(xué)),重慶400045

李書(shū)鉞 (重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,重慶400045)

陳 宇 (西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,重慶400715)

王 琳 (重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,重慶400045)

采用發(fā)光細(xì)菌作為毒性測(cè)試指標(biāo)的水質(zhì)毒性檢測(cè)儀,已經(jīng)成為一種操作簡(jiǎn)便、結(jié)果可靠和耗費(fèi)低的毒性檢測(cè)儀器[1～3]。水質(zhì)毒性檢測(cè)儀將發(fā)光細(xì)菌所發(fā)出的光轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并將電信號(hào)予以放大輸出,從而得到檢測(cè)結(jié)果。但是,由于發(fā)光細(xì)菌發(fā)光微弱,經(jīng)轉(zhuǎn)化后得到的微弱電信號(hào)可能是微安級(jí)甚至是納安級(jí)的電流,其最小值和最大值之間相差1000倍,其動(dòng)態(tài)范圍較大。為了對(duì)水質(zhì)毒性檢測(cè)儀輸出的微弱電流信號(hào)進(jìn)行處理和顯示,必須首先將信號(hào)放大到所要求的強(qiáng)度,而前置放大電路是該類型水質(zhì)毒性檢測(cè)儀放大檢測(cè)電路的核心[4]。為此,筆者設(shè)計(jì)了一種適用于水質(zhì)毒性檢測(cè)儀的前置放大電路,對(duì)其進(jìn)行了模擬仿真,并采用發(fā)光細(xì)菌毒性監(jiān)測(cè)方法驗(yàn)證其實(shí)用性。

1 設(shè)計(jì)思想

利用光電倍增管作為光電探測(cè)器,經(jīng)分壓電路設(shè)計(jì),將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)輸出時(shí),其干擾源較為廣泛,如基底電流、噪聲干擾、工頻干擾、極化電壓等都會(huì)產(chǎn)生一定的干擾。由于干擾源的影響,水質(zhì)毒性檢測(cè)儀前置放大電路的放大倍數(shù)不宜過(guò)大,以免電信號(hào)被干擾信號(hào)淹沒(méi)。后端電路要實(shí)現(xiàn)將光電倍增管的電流信號(hào) (nA或μ A)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),并放大到0～5V,實(shí)現(xiàn)截止頻率為30kHz的低通濾波。

2 光電探測(cè)器

根據(jù)發(fā)光細(xì)菌發(fā)光波長(zhǎng)的范圍,從靈敏度、幅度分辨率等方面綜合考慮,選用濱松光子公司側(cè)窗式R105光電倍增管作為光電探測(cè)器。該光電倍增管采用特殊設(shè)計(jì)的抗滯后結(jié)構(gòu),具有極好的輸出穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)中對(duì)光電倍增管進(jìn)行屏蔽,以防止干擾源對(duì)其干擾。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,采用負(fù)高壓電1000V供電,因?yàn)榇藭r(shí)陰極暗電流輸出較少、響應(yīng)時(shí)間快。光電倍增管分壓器回路設(shè)計(jì)中須選用溫度特性良好的電阻,其精度要求在±5%,為達(dá)到耐壓效果,要用有足夠大額定功率的電阻,阻值一般約為100kΩ～1MΩ,設(shè)計(jì)中選擇分壓電阻為300kΩ。在分壓器基板上焊接分壓器回路時(shí),基板要使用玻璃環(huán)氧制成的耐高壓、漏電電流小的制品。信號(hào)輸出線要盡可能短,最好采用同軸電纜或屏蔽線[5]。通常并聯(lián)電容為0.002～0.05μ F,設(shè)計(jì)中取C1=C2=C3=0.01μ F,各個(gè)接地線獨(dú)立接地,接地點(diǎn)互相分開(kāi),這樣電流互不干擾,可以減少耦合噪聲。光電倍增管分壓電路設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 光電倍增管分壓電路設(shè)計(jì)圖

3 前置放大電路設(shè)計(jì)

3.1 前置放大器電路設(shè)計(jì)

光電倍增管的輸出信號(hào)是電流信號(hào),由于后接的信號(hào)處理系統(tǒng)是以電壓信號(hào)為對(duì)象,所以應(yīng)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。利用高輸入阻抗運(yùn)算放大器構(gòu)成前置放大器進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換的基本回路如圖2所示。電路輸出電壓為:

由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常高,通常保持逆向輸入端子的電位與非逆向輸入端子的電位(接地電位)相同的條件下工作,因而運(yùn)算放大器輸出電壓和R2兩端發(fā)生的電壓相同,實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換。光電倍增管陽(yáng)極輸出電流控制在1μ A以內(nèi)可減緩其老化,因而反饋電阻的選擇標(biāo)準(zhǔn)是使陽(yáng)極的最大輸出電流小于1μ A[6]。從整體考慮,本級(jí)輸出最大電壓為0.3V,反饋電阻為300kΩ。該設(shè)計(jì)選擇TI公司生產(chǎn)的差動(dòng)運(yùn)算放大器OPA124,其噪聲水平較低,最大偏置電流為1pA,最大偏置電壓為250mV,常用于精密儀器設(shè)計(jì)。

此外,因?yàn)楣怆姳对龉苁羌虞d高電壓的電子管,為了保護(hù)運(yùn)算放大器,設(shè)計(jì)有保護(hù)電阻R1。

3.2 中間同相比例放大器電路設(shè)計(jì)

通過(guò)中間同相比例放大,將前置放大器輸出的正的電壓信號(hào)放大約10倍。選擇R3為10kΩ、R1為91kΩ、平衡電阻R4為9.1kΩ。放大倍數(shù)為10.1,輸出電壓為3.03V。中間同相比例放大器設(shè)計(jì)電路圖如圖3所示。

圖2 前置放大器電路設(shè)計(jì)圖

圖3 中間同相比例放大器電路設(shè)計(jì)圖

3.3 濾波電路的設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)濾波器濾除噪聲的能力,筆者采用巴特沃斯低通濾波器。由于水質(zhì)傳感器的信號(hào)多為低頻信號(hào),因此可以將低通濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)的低一些。根據(jù)要達(dá)到的響應(yīng)帶寬的要求,選擇Cf=30kHz、放大倍數(shù)為1.586來(lái)設(shè)計(jì)濾波器。巴特沃斯低通濾波器的歸一化系數(shù)B=1.42,C=1.1,各元件的設(shè)計(jì)參數(shù)為C=0.33nF,R=16kΩ,R2=82kΩ,R1=51kΩ。輸出電壓為4.91V。低通濾波器電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 低通濾波器電路設(shè)計(jì)圖

3.4 光電倍增管后端電路總體設(shè)計(jì)圖

將上述三級(jí)電路相連,形成光電倍增管后端電路總體設(shè)計(jì)圖,如圖5所示。后端電路要實(shí)現(xiàn)將光電倍增管的電流信號(hào) (nA或μ A)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),并放大到0～5V,實(shí)現(xiàn)截止頻率為30kHz的低通濾波。

圖5 光電倍增管后端電路總體設(shè)計(jì)圖

4 電路仿真

4.1 直流仿真

為了測(cè)定設(shè)計(jì)電路的穩(wěn)定點(diǎn),在NI MULTISIM 10環(huán)境下對(duì)電路進(jìn)行直流仿真,用-1μ A的電流源代表光電倍增管,第一級(jí)輸出接通道一,其標(biāo)準(zhǔn)電壓為1V;第二級(jí)輸出接通道二,其標(biāo)準(zhǔn)電壓為1V;第三級(jí)接通道三,其標(biāo)準(zhǔn)電壓為2V。仿真結(jié)果如圖6所示,1號(hào)線為第一級(jí)輸出,其電壓為0.3V,2號(hào)線為第二級(jí)輸出,其電壓為3.03V,3號(hào)線為第三級(jí)輸出,其電壓為4.91V,確定設(shè)計(jì)電路穩(wěn)定點(diǎn)分別為0.3、3.03、4.91V。

4.2 交流仿真

為了驗(yàn)證其濾波效果,對(duì)其進(jìn)行交流仿真。當(dāng)輸入電流為 1μ A,頻率分別為 10、20、30、40、50和100kHz時(shí),經(jīng)交流仿真,輸出電壓分別為 4.95、4.57、3.42、2.2、1.46和0.327V,實(shí)現(xiàn)了截止頻率為30kHz的低通濾波功能。交流仿真結(jié)果如圖7～12所示。

圖6 直流仿真結(jié)果圖

圖7 10kHz交流仿真結(jié)果

圖8 20kHz交流仿真結(jié)果

圖9 30kHz交流仿真結(jié)果

圖10 40kHz交流仿真結(jié)果

圖11 50kHz交流仿真結(jié)果

圖12 100kHz交流仿真結(jié)果

5 試驗(yàn)與討論

為了證明所設(shè)計(jì)電路的實(shí)用性,以明亮發(fā)光桿菌為測(cè)試菌種,以光電倍增管R105為光電探測(cè)器,采用所設(shè)計(jì)的前置放大電路,就PbCl2對(duì)明亮發(fā)光桿菌的毒性效應(yīng)進(jìn)行研究。發(fā)光細(xì)菌采用明亮發(fā)光桿菌T3變種,由中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提供。筆者自制暗盒,菌種的培養(yǎng)基及培養(yǎng)方法見(jiàn)參考文獻(xiàn) [7]。數(shù)據(jù)采用origin 7.5處理軟件處理,以相對(duì)發(fā)光度表示發(fā)光單位:

試驗(yàn)取用培養(yǎng)24h發(fā)光細(xì)菌菌液。用于測(cè)試的發(fā)光菌液與樣本體積按1∶1混合,測(cè)試方法見(jiàn)參考文獻(xiàn) [8],測(cè)試3個(gè)平行試樣 (包括蒸餾水對(duì)照),取其平均值。將試樣放入自制暗盒中進(jìn)行測(cè)試,繪制相對(duì)發(fā)光度與時(shí)間關(guān)系曲線,如圖13所示。

由于發(fā)光細(xì)菌發(fā)光微弱,經(jīng)轉(zhuǎn)化后得到的是微弱電信號(hào),可能是微安級(jí)甚至是納安級(jí)的電流,所以必須首先將信號(hào)適度放大,并且要有效防止電信號(hào)被干擾信號(hào)淹沒(méi)。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求,將電壓信號(hào)放大到0～5V,實(shí)現(xiàn)截止頻率為30kHz的低通濾波。從圖 13可以看出,PbCl2對(duì)明亮發(fā)光桿菌的抑制作用隨濃度的增加而加強(qiáng)。在PbCl2與明亮發(fā)光桿菌作用前20min,明亮發(fā)光桿菌發(fā)光不穩(wěn)定,呈下降趨勢(shì),在20min后趨于平穩(wěn)。從相對(duì)發(fā)光度的變化來(lái)看,該前置放大器放大倍數(shù)適中,有效防止電信號(hào)被干擾信號(hào)淹沒(méi)。經(jīng)放大的電壓信號(hào)變化能夠較好地反映PbCl2對(duì)明亮發(fā)光桿菌的抑制作用。通過(guò)上述試驗(yàn)表明,該前置放大電路的設(shè)計(jì)能夠滿足水質(zhì)毒性檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)要求,且精度較為準(zhǔn)確。

圖13 PbCl2對(duì)明亮發(fā)光桿菌的毒性效應(yīng)曲線圖

6 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的前置放大電路有效降低了干擾源對(duì)測(cè)量電路的影響,有較好的濾波作用。通過(guò)PbCl2對(duì)明亮發(fā)光桿菌的毒性效應(yīng)驗(yàn)證試驗(yàn)得到較為理想的結(jié)果,說(shuō)明該前置放大電路能夠滿足水質(zhì)毒性檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)要求,可以很好地應(yīng)用于水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)儀的研制中。

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