原位海水葉綠素a傳感器的電路設(shè)計(jì)

吳 寧，王昭玉，曹 煊，馬海寬，褚東志，張 婷

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋監(jiān)測(cè)儀器裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東青島 266001；2.中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266001)

0 引言

葉綠素a濃度直接反映了海水浮游植物的活躍度和生物量，成為評(píng)價(jià)海水營(yíng)養(yǎng)化和預(yù)測(cè)赤潮災(zāi)害的重要參數(shù)。目前檢測(cè)海水葉綠素a濃度的最直接有效的方法是熒光檢測(cè)法，通過一定波長(zhǎng)LED激發(fā)海水產(chǎn)生熒光信號(hào)，通過測(cè)量熒光信號(hào)間接跟蹤水體營(yíng)養(yǎng)化程度的變化就可以完全反應(yīng)海水有機(jī)污染物的濃度[1]。

但激發(fā)的熒光信號(hào)為微弱信號(hào)，且信號(hào)摻雜大量的環(huán)境光，熱噪聲等干擾信號(hào)而淹沒在強(qiáng)背景噪聲下。采用傳統(tǒng)的模擬、放大、濾波等很難完全屏蔽環(huán)境光的干擾，實(shí)現(xiàn)熒光信號(hào)的檢測(cè)。為提取和測(cè)量強(qiáng)背景噪聲下的痕量熒光信號(hào)，設(shè)計(jì)一種基于可編程增益跨阻放大器和正交同步檢波功能的電路用來(lái)提取微弱熒光信號(hào)[2]，該電路通過對(duì)激發(fā)光源調(diào)制，熒光信號(hào)正交同步檢波和FIR/IIR混合低通濾波可以完全消除環(huán)境光和低頻噪聲產(chǎn)生的測(cè)量誤差，能夠顯著提高信噪比、靈敏度和準(zhǔn)確度[3]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

海水中激發(fā)的熒光信號(hào)幅值通常在pA級(jí)，伴隨的環(huán)境光噪聲可能是實(shí)際熒光信號(hào)的數(shù)千倍。傳統(tǒng)濾波受Q值限制不能完全將不同頻率的噪聲移除。因此設(shè)計(jì)了基于AD8616的I/V轉(zhuǎn)換電路，AD8231的可編程增益放大器和AD630的正交同步檢波電路對(duì)微弱熒光信號(hào)進(jìn)行提取，系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖1所示，首先STM32F407通過直接數(shù)字頻率合成器(DDS)單元產(chǎn)生正弦波，對(duì)470 nm的LED進(jìn)行調(diào)制后激發(fā)海水葉綠素a產(chǎn)生熒光信號(hào)，熒光信號(hào)通過光電二極管接收，接收的電流信號(hào)經(jīng)過可編程增益放大器AD8231以及跨阻放大器AD8616進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換并放大，得到輸入信號(hào)Y=Asin(αt+φ)+n(t)，分別與相位差為90°的參考信號(hào)F1(t)=Bsin(αt+β)和參考信號(hào)F2(t)=Bcos(αt+ω)進(jìn)行乘法運(yùn)算，正交同步檢波結(jié)果如式(1)和式(2)所示。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和FIR/IIR混合低通濾波后得到結(jié)果如式(3)和式(4)所示，最后通過STM32F407單片機(jī)運(yùn)算單元進(jìn)行平方根運(yùn)算就可得到待測(cè)信號(hào)的幅值Z如式(5)所示，相位η如式(6)所示[4-5]。

圖1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖

0.5AB[cos(φ-β)-cos(2αt+φ+β)]+n(t)Bsin(αt+β)

(1)

0.5AB[sin(φ-β)-sin(2αt+φ+β)]+n(t)cos(αt+β)

(2)

M=0.5ABcos(φ-β)

(3)

N=0.5ABsin(φ-ω)

(4)

(5)

η=arctan(N/M)

(6)

式中：A為輸入信號(hào)幅值；B為參考信號(hào)幅值；α為輸入信號(hào)與參考信號(hào)的角頻率；φ為輸入信號(hào)相位；β為參考信號(hào)相位，其中兩個(gè)信號(hào)的相位差為90°；M為同相輸出；N為正交輸出；Z為待測(cè)信號(hào)幅值；η為待測(cè)信號(hào)相位。

2 激發(fā)LED光源調(diào)制電路

系統(tǒng)中的STM32F407模塊主要包括DDS單元和FIR/IIR混合低通濾波單元，其中DDS單元采用了基于查表法和Coedic算法相結(jié)合的原理產(chǎn)生同頻同相的參考信號(hào)和LED調(diào)頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)。激發(fā)光源采用的是470 nm的LED，以恒流源驅(qū)動(dòng)保證激發(fā)光源的穩(wěn)定性，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過控制恒流源的通斷對(duì)LED進(jìn)行調(diào)制，恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，采用AD8615和NPN三極管以及ADG819單刀雙擲開關(guān)構(gòu)成了一個(gè)恒流源，ILED=Vref/R2，其中Vref為數(shù)字電位器的輸出電壓，R2為三極管發(fā)射極電阻，改變Vref或R2即可以改變LED的電流值，從而改變LDE的亮度。在本設(shè)計(jì)中，ADG819的控制端接DDS驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，開關(guān)連接到參考電壓與地之間，參考電壓采用了可編程電阻分壓器，因此只要改變參考電壓的值就可以改變LED的驅(qū)動(dòng)電流[6]。

圖2 激發(fā)LED光源恒流驅(qū)動(dòng)電路圖

3 可編程跨阻式I/V轉(zhuǎn)換與放大電路

由于激發(fā)熒光信號(hào)為微弱信號(hào)，因此本文采用高靈敏度、低暗電流型的S2386-18L型光電二極管，該光電二極管在680 nm的靈敏度可達(dá)0.4 A/W，暗電流低至2 pA。其中光電二極管輸出電流信號(hào)經(jīng)過如圖3所示的可編程跨阻放大電路，AD8616完成I/V轉(zhuǎn)換并放大，由于光電二極管產(chǎn)生的極小電流，因此采用了1 MΩ的反饋電阻，為保證輸出的穩(wěn)定性，使用反饋電容以補(bǔ)償總輸入電容以及反饋電阻產(chǎn)生的極點(diǎn)，保證電路的穩(wěn)定性[3]。AD8231主要是對(duì)轉(zhuǎn)換完成的信號(hào)進(jìn)行次級(jí)放大，其中AD8231為程控放大器，可根據(jù)量程實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償。輸出電壓為

Vo=Id·R5·A8231

式中：Id為光電二極管輸出電流；R5為反饋電阻；A8231為放大增益。

圖3 跨阻式I/V轉(zhuǎn)換及可編程放大電路

4 正交同步檢波電路

基于AD630的正交同步檢波電路如圖4所示。其中STM32F407產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED，輸入信號(hào)分別與DDS輸出的同頻正弦參考信號(hào)和90°相移正弦波相乘，產(chǎn)生2個(gè)輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后輸出解調(diào)信號(hào)，解調(diào)信號(hào)經(jīng)過低頻濾波后信號(hào)經(jīng)過24位AD7175對(duì)2個(gè)通道進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到STM32F407數(shù)字處理單元，數(shù)字處理單元分別對(duì)2個(gè)分量進(jìn)行平方和根得到輸入熒光信號(hào)的幅值，從而得到熒光信號(hào)的強(qiáng)度[9-10]。本文中采用可編程FIR/IIR混合數(shù)字低通濾波對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波，可以達(dá)到普通RC濾波器難以達(dá)到的濾波效果，將有用信號(hào)頻率不同的噪聲大部分濾出，大幅提高信噪比。

圖4 基于AD630的正交同步檢波電路

5 對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證正交同步檢波電路在檢測(cè)微弱熒光信號(hào)的可行性與傳感器的可靠性，將基于該正交同步檢波電路功能的傳感器與國(guó)外葉綠素傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比對(duì)，并將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。首先配置一定濃度梯度的葉綠素a標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照一定比例進(jìn)行稀釋配成系列標(biāo)準(zhǔn)液，將該傳感器與國(guó)外葉綠素傳感器分別置于不同濃度的葉綠素a標(biāo)準(zhǔn)溶液并按照一定梯度濃度進(jìn)行混合。將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行曲線擬合后如圖5所示，從圖5可以看出基于該電路完成的傳感器其測(cè)量結(jié)果與葉綠素a濃度成良好的線性關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)最小1 pA光電流的分辨率，基于該電路設(shè)計(jì)的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)最小0.01 μg/L的海水葉綠素a濃度的分辨率，且已達(dá)到了國(guó)外傳感器水平。

圖5 與國(guó)外儀器對(duì)比試驗(yàn)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以熒光檢測(cè)原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)完成了基于AD630正交同步檢波功能的海水葉綠素a含量檢測(cè)的電路，并基于該電路設(shè)計(jì)完成了葉綠素a濃度檢測(cè)傳感器，驗(yàn)證了該電路檢測(cè)微弱熒光信號(hào)的可行性，基于該電路完成的檢測(cè)傳感器不僅能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地反映海水中葉綠素a濃度的變化趨勢(shì)，并不受環(huán)境光等背景光的干擾，提高了儀器運(yùn)行的穩(wěn)定性和抗干擾性，還具有低功耗、便攜化、高精度等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于海洋浮標(biāo)、臺(tái)站等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)載體，具備廣泛的應(yīng)用前景。