CN110752828B - 一种用于天然气泄漏激光检测***的多源噪声抑制电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于天然气泄漏激光检测***的多源噪声抑制电路，涉及检测设备技术领域，它包括电源电路、偏置电路、运放电路和滤波电路，电源电路和偏置电路分别与运放电路连接，运放电路与滤波电路连接。本用于天然气泄漏激光检测***的多源噪声抑制电路采用的电源电路采用RC有源滤波形式可以直接过滤直流电源里的杂波，并为电路中运放提供稳定输出电压；运放单电路采用运放反馈电阻并联电容的构造方案，实现I/V转换的同时还可以减少转换损失；滤波电路采用窄带滤波法，既提高电路整体信噪比同时也保障了后续数据的准确度。
Description
技术领域：
本发明涉及检测设备技术领域，具体涉及一种用于天然气泄漏激光检测***的多源噪声抑制电路。
背景技术：
近些年来，我国各地煤气中毒、天然气***事故常有发生，因此人们越来越重视如何实现泄漏天然气的快速、准确的检测。随着半导体激光器、传感器等技术的发展，使得天然气检测技术有了较好的发展前景。然而在实际检测的过程中，常常会遇到微毫伏级信号测量问题，这些被测信号都十分微弱，很容易就淹没于噪声之中，因而无法对被测信号进行精准的测量，于是就产生了微弱信号检测这门新兴技术。微弱信号检测就是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号，而低噪声前置放大器是其非常重要的组成部分，常用于接收***的前端，在放大接收信号的同时抑制噪声干扰，提高***精准度。如果在接收***的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器增益足够大的情况下，就能够抑制后续电路的噪声，则整个接收***的噪声将主要取决于放大器的噪声。因此，本发明的主要目的是设计一种多源噪声抑制电路，使其达到一定的放大倍数，并具有较好的抗干扰能力。
发明内容：
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足之处，而提供一种用于天然气泄漏激光检测***的多源噪声抑制电路，它设计结构紧凑、实时性好，具有响应迅速、可靠性高、稳定性好等优点。
为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用如下技术方案：它包括电源电路、偏置电路、运放电路和滤波电路，电源电路和偏置电路分别与运放电路连接，运放电路与滤波电路连接。
所述的电源电路包括电源电路一和电源电路二，电源电路一和电源电路二分别与运放电路连接。
所述的电源电路一通过电源、电容、电阻和NPN型晶体管2N6727构建而成；所述的电源电路二通过电源、电容、电阻和NPN型晶体管2N6714构建而成。
所述的电源电路采用RC有源滤波形式。
所述的偏置电路通过电源、电压、电容、电阻、变阻器和NPN型晶体管2N2222构建而成。
所述的偏置电路采用NPN型晶体管2N2222搭建射级跟随电路且在晶体管的基级和发射极添加电容以构成低通滤波电路。
所述的运放电路包括第一级运放电路和第二级运放电路，第一级运放电路和第二级运放电路之间采用阻容耦合的连接方式。
所述的第一级运放电路即为I/V转换电路，第一级运放电路通过电源、电容、电阻和超精密高速低噪声运放LT1028构建而成；所述的第二级运放电路通过电源、电阻、变阻器和低噪声低温漂的运放OP37构建而成，其中电阻和变阻器形成反馈阻值较低的T型反馈网络。
所述的滤波电路采用窄带滤波法，滤波电路通过电源、电容、电阻和两个运放OP37构建而成，两个运放OP37分别构造成二阶高通滤波器和二阶低通滤波器，二阶高通滤波器和二阶低通滤波器串联组成带通滤波器。
工作流程如下：
1）探测器接受干涉光信号后完成信号转换；
2）偏置电路为探测器提供正常工作所需的偏置电压；
3）运放电路实现I/V转换以及信号放大，在I/V转换过程汇总，选择利用反馈电阻并联补偿电容的方式来降低噪声对电路的影响，提高电路整体信噪比；
4）在第二级运放电路中，采用电压增益高且反馈阻值较低的T型反馈网络来改进电路的结构以避免引入较大的热噪声；
5）滤波电路则采用窄带滤波法，进一步提高电路整体信噪比，同时保障后续采集数据的准确度。
本发明的有益效果是：
1）电源电路采用RC有源滤波形式可以直接过滤直流电源里的杂波，并为电路中运放提供稳定输出电压；
2）运放单电路采用运放反馈电阻并联电容的构造方案，实现I/V转换的同时还可以减少转换损失；
3）滤波电路采用窄带滤波法，既提高电路整体信噪比同时也保障了后续数据的准确度。
附图说明：
图1是本发明整体电路图；
图2是本发明电源电路一电路图；
图3是本发明电源电路二电路图；
图4是本发明偏置电路电路图；
图5是本发明运放电路电路图；
图6是本发明滤波电路电路图；
图7是本发明工作流程图。
具体实施方式：
参照各图，本发明具体采用如下实施方式：它包括电源电路1、偏置电路2、运放电路3和滤波电路4，电源电路1和偏置电路2分别与运放电路3连接，运放电路3与滤波电路4连接。所述的电源电路1包括电源电路一11和电源电路二12，电源电路一11和电源电路二12分别与运放电路3连接。所述的电源电路一11通过电源、电容、电阻和NPN型晶体管2N6727构建而成；所述的电源电路二12通过电源、电容、电阻和NPN型晶体管2N6714构建而成。所述的电源电路1采用RC有源滤波形式。所述的偏置电路2通过电源、电压、电容、电阻、变阻器和NPN型晶体管2N2222构建而成。所述的偏置电路2采用NPN型晶体管2N2222搭建射级跟随电路且在晶体管的基级和发射极添加电容以构成低通滤波电路。所述的运放电路3包括第一级运放电路31和第二级运放电路32，第一级运放电路31和第二级运放电路32之间采用阻容耦合的连接方式。所述的第一级运放电路31即为I/V转换电路，第一级运放电路31通过电源、电容、电阻和超精密高速低噪声运放LT1028构建而成；所述的第二级运放电路32通过电源、电阻、变阻器和低噪声低温漂的运放OP37构建而成，其中电阻和变阻器形成反馈阻值较低的T型反馈网络。所述的滤波电路4采用窄带滤波法，滤波电路4通过电源、电容、电阻和两个运放OP37构建而成，两个运放OP37分别构造成二阶高通滤波器和二阶低通滤波器，二阶高通滤波器和二阶低通滤波器串联组成带通滤波器。
参照图7，工作流程如下：
1）探测器接受干涉光信号后完成信号转换；
2）偏置电路2为探测器提供正常工作所需的偏置电压；
3）运放电路3实现I/V转换以及信号放大，在I/V转换过程汇总，选择利用反馈电阻并联补偿电容的方式来降低噪声对电路的影响，提高电路整体信噪比；
4）在第二级运放电路32中，采用电压增益高且反馈阻值较低的T型反馈网络来改进电路的结构以避免引入较大的热噪声；
5）滤波电路4则采用窄带滤波法，进一步提高电路整体信噪比，同时保障后续采集数据的准确度。
参照图2和图3，电源电路1采用RC有源滤波形式，直接滤除直流电源里的杂波，并为电路中运放提供稳定的输出电压。
参照图4，在偏置电路2中选取功耗小、电流特性好且增益较高的NPN型晶体管2N2222，搭建晶体管射级跟随电路以实现电压跟随。在晶体管基级和发射极添加电容，可降低工频干扰。晶体管基级端电容C1、C2以及电阻R3可以滤除电路中脉动信号，由电容C1和电阻R3构成的低通滤波电路可以消除高频信号干扰。电阻R4取较大阻值可使晶体管偏置电路2获得较为稳定的静态工作点，变阻器P1可以调节晶体管的工作状态使其运行在放大区，从而获得较为理想的输出偏置电压。
参照图5，在运放电路3中的运放可等效为一个理想无噪声运放的同相端串联一个噪声电压源，同相、反相输入端分别串联一个噪声电流源。等效噪声电压源产生噪声，等效噪声电流源产生噪声/>。在I/V转换电路中选用超低噪声高速运放LT1028，再采用运放反馈电阻并联补偿电容的方法对电路的相位裕度进行超前补偿并使其保持在45°～60°以增大电路稳定性。第二级运放电路32与第一级运放电路31之间采取阻容耦合的方式，不但使两级运放的静态工作点互不影响，而且还可以过滤一部分直流信号，以避免其对被测信号产生影响。第二级运放电路32选用低噪声低温漂放大器OP37，同时采取电压增益高且反馈阻值较低的T型反馈网络来改进反馈电路的结构，以解决为了获得较高增益而必须引入阻值较大的反馈电阻，而反馈电阻过大则会带来较大的热噪声，容易将被测信号淹没的问题。
参照图6，在滤波电路4中采取窄带滤波法，通过宽带压缩的方法不但可以提高电路的整体信噪比还保证后续收集数据的精准度，因此选用低噪声且负载能力强的运放OP37，分别构造一个二阶高通滤波器与一个二阶低通滤波器，然后再把这两个滤波器串联组成带通滤波器进行滤波。设计带通滤波器的截止频率的下限是70HZ，上限频率是14HZ，既能抑制外带噪声又方便后续数据采集。
综上所述，本一种用于天然气泄漏激光检测***的多源噪声抑制电路，采用的电源电路采用RC有源滤波形式可以直接过滤直流电源里的杂波，并为电路中运放提供稳定输出电压；运放单电路采用运放反馈电阻并联电容的构造方案，实现I/V转换的同时还可以减少转换损失；滤波电路采用窄带滤波法，既提高电路整体信噪比同时也保障了后续数据的准确度。
Claims (2)
1.一种用于天然气泄漏激光检测***的多源噪声抑制电路，其特征在于：包括电源电路(1)、偏置电路(2)、运放电路(3)和滤波电路(4)，电源电路(1)和偏置电路(2)分别与运放电路(3)连接，运放电路(3)与滤波电路(4)连接；
所述的电源电路(1)包括电源电路一(11)和电源电路二(12)，电源电路一(11)和电源电路二(12)分别与运放电路(3)连接；
所述的电源电路一(11)包括35V电源，以及分别与所述35V电源电性连接的电阻R10和电阻R12；
所述电阻R10分别与电容C8和NPN型晶体管2N6727的发射极电性连接；
所述电阻R12通过电阻R11与所述NPN型晶体管2N6727的基极电性连接；
所述NPN型晶体管2N6727的集电极分别与电阻R13、电容C9、电容C10和电容C11电性连接；
所述电阻R13、所述电容C9和所述电容C10并联连接，并分别与所述R12和所述电阻R11电性连接；
所述的电源电路二(12)包括：25V电源以及分别与所述25V电源电性连接的电阻R6和电阻R8；
所述电阻R6和电容C3分别与NPN型晶体管2N6714的集电极电性连接；
所述电阻R8通过电阻R7与所述NPN型晶体管2N6714的基极电性连接；
所述NPN型晶体管2N6714的发射极分别与电容C4和电容C5电性连接；
所述电容C4和所述电容C5并联连接后，分别与电容C6、电容C7和电阻R9电性连接；
所述电容C6、所述电容C7和所述电阻R9并联连接，并分别与所述电阻R8和所述电阻R7电性连接；
所述的电源电路(1)采用RC有源滤波形式；
所述的偏置电路(2)包括：15V电源以及分别与所述15V电源电性连接的电阻R1和电阻R5；
所述电阻R1与NPN型晶体管2N2222的发射极电性连接；
所述电阻R5分别与电阻R4、变阻器P1、电容C1和电容C2电性连接；
所述电容C1分别与电阻R3和所述NPN型晶体管2N2222的基极电性连接；
所述NPN型晶体管2N2222的集电极与电阻R2电性连接；
所述电阻R3分别与所述电容C2、所述变阻器P1和所述所述NPN型晶体管2N2222的基极电性连接；
所述的偏置电路(2)采用NPN型晶体管2N2222搭建射级跟随电路且在晶体管的基级和发射极添加电容以构成低通滤波电路；
所述的运放电路(3)包括包括运放OP1和运放OP2；
所述运放OP1与所述运放OP2之间通过串联的电容C14和电阻R16相互电性连接；
所述运放OP1通过电阻R14接地；
所述运放OP2通过电阻R17接地；
所述运放OP1分别与电容C12、电容C13和电阻R15电性连接；
所述电容C12与所述电阻R2电性连接；
所述电容C13和所述电阻R15并联连接后与所述电容C14电性连接；
所述运放OP2分别与电阻R18和变阻器P2电性连接；
所述电阻R18分别与电阻R19、所述变阻器P2和所述电阻R16电性连接；
所述滤波电路(4)包括运放OP3和运放OP4；
所述运放OP3和所述运放OP4之间通过串联的电阻R24和电阻R25电性连接；
所述运放OP3分别通过电阻R20和电阻R22接地；
所述运放OP3分别与电阻R21、电容C16和电阻R23电性连接；
所述电容C16分别与电容C15、所述电阻R21和所述电阻R20电性连接；
所述电容C15与所述运放OP2电性连接；
所述电阻R21分别与所述电阻R23和电阻R24电性连接；
所述电阻R23与所述电阻R22电性连接；
所述运放OP4分别通过电容C17和电阻R27接地；
所述运放OP4分别与电容C18和电阻R26电性连接；
所述电容C18分别与所述电阻R24、所述电阻R25和所述电阻R26电性连接；
所述电阻R25与所述电容C17电性连接；
所述电阻R26与所述电阻R27电性连接；
所述NPN型晶体管2N6714的发射极分别与所述运放OP1、所述运放OP2、所述运放OP3和所述运放OP4电性连接；
所述NPN型晶体管2N6727的集电极分别与所述运放OP1、所述运放OP2、所述运放OP3和所述运放OP4电性连接。
2.一种根据权利要求1所述的用于天然气泄漏激光检测***的多源噪声抑制电路的使用方法，其特征在于：工作流程如下：
探测器接受干涉光信号后完成信号转换；
偏置电路(2)为探测器提供正常工作所需的偏置电压；
运放电路(3)实现I/V转换以及信号放大，在I/V转换过程汇总，选择利用反馈电阻并联补偿电容的方式来降低噪声对电路的影响，提高电路整体信噪比；
在第二级运放电路(32)中，采用电压增益高且反馈阻值低的T型反馈网络来改进电路的结构以避免引入较大的热噪声；
滤波电路(4)则采用窄带滤波法，进一步提高电路整体信噪比，同时保障后续采集数据的准确度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Yushuang Inventor after: Wang Mingji Inventor after: Pu Yu Inventor after: Li Dong Inventor after: Lv Yan Inventor after: Wang Di Inventor after: Liang Tao Inventor before: Wang Mingji Inventor before: Liang Tao Inventor before: Li Dong Inventor before: Li Yushuang Inventor before: Lv Yan Inventor before: Wang Di |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |