張趙良，潘 斐，朱菊香

（1.無錫學(xué)院 軌道交通學(xué)院，無錫 214105；2.南京信息工程大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210044）

石油化學(xué)工業(yè)在持續(xù)快速發(fā)展，對作業(yè)場所里產(chǎn)生的有毒有害氣體也有了多種檢測手段以保護(hù)人員的健康及設(shè)備的安全。比如，針對碳?xì)漕惪扇細(xì)怏w，可利用催化燃燒和紅外傳感器進(jìn)行檢測，針對大部分毒性氣體，可通過電化學(xué)及半導(dǎo)體傳感器進(jìn)行檢測。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，PID、激光氣敏傳感器也被開發(fā)出來。

NDIR（非分散性紅外線技術(shù)）是一種基于氣體吸收理論的方法。紅外光源發(fā)出的紅外輻射經(jīng)過一定濃度待測的氣體吸收之后，與氣體濃度成正比的光譜強(qiáng)度會發(fā)生變化，因此求出光譜光強(qiáng)的變化量就可以反演出待測氣體的濃度。目前NDIR 紅外氣體傳感器已成功用于二氧化碳、甲烷等氣體的精確檢測，這種傳感器的體積也已經(jīng)能做到十分小型化。朗伯-比爾定律為紅外氣體濃度精確檢測提供了有力的理論依據(jù)，根據(jù)實際需求選擇合適波長的光源和傳感器，通過信號調(diào)理電路即可采集傳感器的輸出信息，加以計算得出待測氣體的濃度[1]。因此，信號調(diào)理對于檢測的重要性不言而喻。

鑒于此，本文以紅外甲烷氣體傳感器為研究對象，在保證中間調(diào)理電路功能良好的前提下，選擇性價比高、參數(shù)符合電路設(shè)計要求的運放，并根據(jù)數(shù)學(xué)公式推算電路中的電容電阻值。最后，依據(jù)電路仿真，驗證本文所設(shè)計的調(diào)理電路效果，分析設(shè)計的優(yōu)勢性。

1 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計選用ST 公司的STM32F407 作為主控芯片，選擇OP77 作為信號調(diào)理部分各模塊的運算放大器。由主控芯片控制紅外光源的發(fā)光頻率，傳感器輸出信號一般為微安甚至納安級別小電流，通過跨阻放大器放大至毫伏級別電壓，再由可調(diào)增益模塊配合偏置電壓將輸出信號控制在0～3.3 V 之間，滿足AD 采集的條件[2]。在放大信號的同時由于有效信號的頻率較低（本設(shè)計選取10 Hz），需要對高頻噪音信號進(jìn)行濾波處理，提高信噪比。傳感器檢測整體硬件設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計流程Fig.1 Hardware system design flow chart

其中，信號調(diào)理部分主要由以下幾個模塊組成：供電模塊、偏置電壓模塊、跨阻放大器（transimpedance amplifier，TIA）模塊和可調(diào)增益電路模塊。需要一組標(biāo)定裝置實現(xiàn)對傳感器的供氣，信號調(diào)理電路對獲取的傳感器的輸出進(jìn)行一系列的數(shù)字處理，由單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，而后進(jìn)行顯示和做進(jìn)一步的處理分析[3]。

2 傳感器信號調(diào)理設(shè)計

對非分光紅外甲烷傳感器微弱信號調(diào)理的傳統(tǒng)方法有2 種，第一種方法是按照放大—整流—濾波的方式進(jìn)行處理[4]，將正負(fù)交流電壓轉(zhuǎn)換為等效的正的直流電壓信號后由ADC 進(jìn)行采集，這種設(shè)計使得電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，干擾因素較多，設(shè)計成本相對較高；另一種是由跨阻放大器配合專用可調(diào)增益放大器（variable gain amplifier，VGA）芯片進(jìn)行信號調(diào)理，根據(jù)芯片對應(yīng)的信號放大計算公式，由微控制器模塊給芯片輸出DA 模擬電壓來控制放大倍數(shù)[5]，但是此種方式對于低頻信號來說設(shè)計成本較高，由于專用VGA 芯片自身通常具有很大的帶寬，因此主要應(yīng)用于高頻信號和寬帶寬信號的處理，對于低頻信號來說性能過剩并且?guī)淼母哳l干擾太多，濾波處理等工作比較麻煩。采用精密運放OP77進(jìn)行TIA 和可調(diào)增益電路的設(shè)計不僅可以達(dá)到設(shè)計要求，降低設(shè)計成本和電路的復(fù)雜度，也可以有效避免高頻信號干擾，濾波更為簡便，電路信噪比更高[6]。

2.1 TIA 和可調(diào)增益電路的基本原理

TIA 具有電阻的量綱，所以一般稱之為跨阻放大器，TIA 的增益A=Y（電壓）/X（電流），Y 為輸出的電壓，X 為輸入的電流，增益A 由反饋電阻決定，表征一個信號由電流變成電壓并進(jìn)行一定程度的放大[7]?？烧{(diào)增益電路用來調(diào)節(jié)信號增益，由專用VGA芯片或者運放搭配電容電阻等進(jìn)行搭建。

2.2 TIA 和可調(diào)增益電路的設(shè)計

本設(shè)計采用精密運放OP77 進(jìn)行TIA 和可調(diào)增益電路的設(shè)計。OP77 在整個10 V 輸出范圍內(nèi)的增益維持在107或更高，這一出色的增益線性度可消除以前的單芯片運算放大器中常見但無法校正的系統(tǒng)非線性度。與以前的設(shè)計相比，OP77 具有較小的VOS（輸入失調(diào)電壓）、Ib（輸入偏置電流）和Ios（輸入失調(diào)電流），穩(wěn)定時間和功耗方面都有顯著改善。這些出色特性的完美組合使得OP77 成為精密誤差預(yù)算系統(tǒng)的理想之選。OP77 放大正弦波交流信號時必須采用雙電源供電，否則交流負(fù)半周將被削波，從而導(dǎo)致波形畸變。因此將該運放的同相輸入端偏置于2.5 V 電壓處，這樣即可放大所采集的交流電壓信號。OP77 運放的GBW、SR 等指標(biāo)雖然比不上更高精度運放和專用VGA 芯片，但是適合處理頻率很低的交流信號[8]。相比于電阻串聯(lián)分壓方式，采用電壓跟隨器的設(shè)計使輸出的2.5 V 更為穩(wěn)定，波動較小，2.5 V 偏置電壓產(chǎn)生電路如圖2所示。

圖2 5 V 分壓電路Fig.2 5 V voltage divider circuit

跨阻運算放大器是將電流信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號，電流到電壓增益基于反饋電阻，TIA 的設(shè)計目標(biāo)如表1所示。

表1 TIA 設(shè)計目標(biāo)Tab.1 TIA design goal

非分光紅外甲烷傳感器的輸出是納安至微安級別的電流信號，此處采用±5 μA 的電流信號進(jìn)行仿真，因此跨阻增益通常選用100 kΩ，將信號放大至毫伏級別，由于負(fù)電壓需要單獨產(chǎn)生，因此為了電路設(shè)計簡便，運放采用的是+12 V 單電源供電，輸出沒有負(fù)電壓，采用單電源供電只能采集正半軸，需要在運放的正極加入偏置電壓，確保放大信號的完整性，TIA 的輸入與輸出關(guān)系如式（1）所示：

式中：Iin為輸入端的交變電流信號；R4為增益電阻，表征放大倍數(shù)；Vout1為經(jīng)跨阻放大器放大后的電壓信號。

根據(jù)式（1），傳感器微弱的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并進(jìn)行R4倍的放大。運放正極接入2.5 V 電壓，信號以2.5 V 為虛地，具體電路如圖3所示。

圖3 跨阻放大電路Fig.3 Transimpedance amplifier circuit

帶寬與電阻電容之間的關(guān)系如式（2）所示：

式中：C1為反饋電容；fp為電路帶寬。

電路帶寬需要大于有效頻率10 Hz，代入式（2）得到C1≤159 nF，結(jié)合實際需求和仿真情況此處取10 nF 比較合適。

隔直電容取值的經(jīng)驗公式如式（3）所示：

式中：C3為隔直電容大??；f 為通過的最低頻率。

隔直電容的選擇以減小信號損耗為原則，理論上容值越大越好（與容抗成反比），實際應(yīng)用中因電容的加工工藝以及材質(zhì)的影響，大電容體積太大，帶寬較難兼顧。所以通常以小于所使用電路中的輸入輸出阻抗10 倍以上選用相應(yīng)容值，在滿足設(shè)計要求的情況下盡可能使用小電容，此處取1 μF電容。

可變增益電路的設(shè)計采用改進(jìn)的反向放大電路，首先通過固定電阻R6和R7確保固定倍數(shù)的增益，再通過數(shù)字電位器R5來控制最終的增益大小，使輸出電壓控制在最佳范圍內(nèi)，可變增益部分的OP77運放也在正極添加了2.5 V 電壓偏置，具體電路如圖4所示。

圖4 可調(diào)增益電路Fig.4 Adjustable gain circuit

因為前項電路已經(jīng)偏置2.5 V，因此前級信號再進(jìn)行放大時需要經(jīng)過電容進(jìn)行隔直，防止后續(xù)信號過大，隔直后確保再次經(jīng)過放大的最終信號保持在單片機(jī)采集電壓的范圍內(nèi)，增益如式（4）所示：

式中：R5，R6，R7為控制電路增益的電阻；Vout1為跨阻放大器的輸出；Vout為可變增益放大器的輸出。

可變增益部分的一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)如式（5）所示：

式中：T0為轉(zhuǎn)折頻率的倒數(shù)。

系統(tǒng)檢測流程如圖5所示。

圖5 氣體檢測流程圖Fig.5 Gas detection flow chart

中間電路主要是信號的放大和濾波，設(shè)計完成后需要根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)不斷反饋調(diào)整電路的元器件和參數(shù)，在設(shè)計選取元器件滿足計算公式的同時仿真結(jié)果也要滿足電路設(shè)計目標(biāo)。

3 測試與仿真

調(diào)理電路的幅頻特性曲線如圖6所示，信號在有效頻率信號10 Hz 前后形成衰減，實現(xiàn)帶通，符合設(shè)計要求，其對高頻信號的抑制較為明顯，高頻信號衰減幅度極大，電路的信噪比較高。

圖6 電路幅頻特性曲線Fig.6 Amplitude-frequency characteristic curve of circuit

調(diào)理電路的相頻特性曲線如圖7所示，所有頻

圖7 電路相頻特性曲線Fig.7 Phase frequency characteristic curve of circuit

率信號均未穿過-180°，電路系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

電路最終輸出如圖8所示，可變增益部分?jǐn)?shù)字電位器R5，和電阻R6，R7分別取值10 kΩ，10 kΩ，20 kΩ，通過瞬態(tài)分析可以看到經(jīng)TIA 電路固定增益105倍以后±5 μA 交流電流信號轉(zhuǎn)換成±0.5 V 交流電壓信號，由于2.5 V 直流偏置的存在，TIA 輸出電壓信號最終處于2 V～3 V 之間，經(jīng)隔直電容隔直后信號回到±0.5 V；通過數(shù)字電位器控制可調(diào)增益電路，將信號進(jìn)行了保持，沒有增大或者縮小，由于2.5 V 直流偏置的存在，信號最終還是處于2 V～3 V之間，電路瞬態(tài)分析信號符合電路放大倍數(shù)，并且合理保持在單片機(jī)的電壓采集范圍內(nèi)。

圖8 電路輸出瞬態(tài)分析圖Fig.8 Circuit output transient analysis diagram

4 結(jié)語

本設(shè)計介紹了一種非分光紅外甲烷傳感器檢測信號的調(diào)理方法，該方法以通用運放OP77 搭建跨阻放大器和可變增益放大器，不僅可以將傳感器微弱的電流信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以采集的電壓信號，滿足設(shè)計要求，而且相較于放大整流濾波的設(shè)計形式和使用其他高性能運放或者可變增益芯片設(shè)計的形式，此設(shè)計更容易分析處理傳感器的低頻微弱信號，在簡化電路設(shè)計的同時很好地降低了設(shè)計成本。通過MULTISIM 軟件進(jìn)行模擬仿真，驗證了設(shè)計的有效性和可行性，對設(shè)計此類信號處理電路有很好的借鑒意義和重要作用。