CN219760967U - 一种基于gc-fid检测器的对数放大电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于GC‑FID检测器的对数放大电路，包括MCU电路、与MCU电路通过SPI通信连接的数字隔离电路、ADC采集电路、前置放大电路、滤波电路；MCU电路是以STM32为核心的主控通讯的电路；数字隔离电路用于隔离模数信号；前置放大电路用于将GC‑FID检测器产生的电流信号放大；滤波电路，用于对前置放大电路输出的电压信号进行滤波，去除高频成分；ADC采集电路用于采集滤波电路输出的电压信号。本实用新型对数放大电路用以提取放大GC‑FID检测器正常工作下输出的微弱电流信号，从而反演出被测气体浓度；该对数放大电路对于输入动态范围大或窄的信号均可适用，可覆盖信号上下限，降低成本，从而可以对GC‑FID检测器内的电流信号进行准确、稳定的检测。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于GC-FID检测器的对数放大电路。
背景技术
GC-FID是气象色谱-火焰离子化检测器法的简称，该技术是气象色谱和FID检测器联用的测量方法。GC-FID检测器的对数放大电路是检测器是否燃烧及燃烧是否充分的必不可少电路部分，该电路可使检测器输出电流信号更加稳定，通过检测峰高与峰面积来判定气体是否燃烧充分或反演出待测气体的浓度。提高甲烷与非甲烷总烃的检测精度。
传统的GC-FID检测器输出的信号采用线性放大，即我们常说的跨阻放大，此种放大电路对于输入动态范围比较窄的信号是可以适应的，对于动态范围大、量程比较宽的就要进行多个电阻来回切换档位。因此其缺点显而易见：适用低浓度气体测量、输入动态范围大的信号，无法覆盖信号上下限、切换档位来变更采集量程或软件设计成自动控制增益增加成本。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，以解决上述背景技术中提出的适用低浓度气体测量、输入动态范围大的信号，无法覆盖信号上下限、切换档位来变更采集量程或软件设计成自动控制增益增加成本的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，包括MCU电路、与MCU电路通过SPI通信连接的数字隔离电路、ADC采集电路、前置放大电路、滤波电路；
所述MCU电路是以STM32为核心的主控通讯的电路；
所述数字隔离电路用于隔离模数信号；
所述前置放大电路用于将GC-FID检测器产生的电流信号放大；
所述滤波电路，用于对前置放大电路输出的电压信号进行滤波，去除高频成分；
所述ADC采集电路用于采集滤波电路输出的电压信号。
优选的，所述还包括高压电路，所述高压电路用于给GC-FID检测器内的电子一个偏移方向。
优选的，所述MCU电路用于提供主从模式SPI通讯采集与输出数字量信号，MCU电路包括STM32F767系列的单片机、晶振、看门口芯片、FLASH芯片、串口芯片和按键，用于实现数据通讯及电信号实时的收发，MCU电路中MCU型号为STM32F767IGT6。
优选的，所述数字隔离电路包括隔离芯，用于隔离信号地与信号电源，以防止外界扰动造成的误触发，所述隔离芯片型号为SI8641DB。
优选的，所述ADC采集电路用于调理滤波电路输出的较低频率的模拟量信号，且ADC采集电路包括高分辨率的ADC芯片、运算放大器，所述ADC芯片的型号为ADS1256IDBR。
优选的，所述前置放大电路包括4片配对的三极管，所述前置放大电路用于将GC-FID检测器输出的微弱电流信号采用硬件电路进行对数运算，使输入的电流信号进行对数放大输出相应的电压信号。
优选的，所述前置放大电路运放芯片的型号包括AD549JHZ、MAT12AH、AD706ARZ。
优选的，所述滤波电路采用四阶有源低通滤波器对对数放大后的信号进行低通滤波。
优选的，所述滤波电路中运放芯片的型号为ADA4077ARZ。
与现有技术相比，本实用新型的优点与好处：
本实用新型对数放大电路用以提取放大GC-FID检测器正常工作下输出的微弱电流信号，从而反演出被测气体浓度；该对数放大电路对于输入动态范围大或窄的信号均可适用，可覆盖信号上下限，降低成本，从而可以对GC-FID检测器内的电流信号进行准确、稳定的检测；
本实用新型对数放大电路抗干扰能力强、稳定性好、控制精度准、灵敏度高。
附图说明
图1为本实用新型整体结构示意图；
图2为本实用新型MCU电路图；
图3为本实用新型数字隔离电路图；
图4为本实用新型ADC采集电路图；
图5为本实用新型前置放大电路图；
图6为本实用新型滤波电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1-6，本实用新型提供一种技术方案：一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，包括MCU电路、与MCU电路通过SPI通信连接的数字隔离电路、ADC采集电路、前置放大电路、滤波电路；
MCU电路是以STM32为核心的主控通讯的电路，提供主从模式SPI通讯采集与输出数字量；
数字隔离电路用于隔离模数信号，隔离MCU与其他数字电路及电平的转换，数字隔离电路是用来隔离数字SPI通讯的电路；
前置放大电路用于将GC-FID检测器产生的电流信号放大；
滤波电路，用于对前置放大电路输出的电压信号进行滤波，去除高频成分；
ADC采集电路用于采集滤波电路输出的电压信号，ADC采集电路是一种调理信号与模数转换电路。
本实用新型对数放大电路用以提取放大GC-FID检测器正常工作下输出的微弱电流信号，从而反演出被测气体浓度；该对数放大电路对于输入动态范围大或窄的信号均可适用，可覆盖信号上下限，降低成本，从而可以对GC-FID检测器内的电流信号进行准确、稳定的检测。
作为优选的实施方式，该对数放大电路还包括高压电路，高压电路用于给GC-FID检测器内的电子一个偏移方向，便于放大电路采集电流。
作为优选的实施方式，MCU电路用于提供主从模式SPI通讯采集与输出数字量信号，MCU电路包括STM32F767系列的单片机、晶振、看门口芯片、FLASH芯片、串口芯片和按键，用于实现数据通讯及电信号实时的收发，MCU电路中MCU型号为STM32F767IGT6。
作为优选的实施方式，数字隔离电路包括隔离芯，用于隔离信号地与信号电源，以防止外界扰动造成的误触发，保证数据流的可靠性，隔离芯片型号为SI8641DB。
作为优选的实施方式，ADC采集电路用于调理滤波电路输出的较低频率的模拟量信号，且ADC采集电路包括较高或高分辨率的ADC芯片、运算放大器，ADC芯片的型号为ADS1256IDBR，其中该ADC芯片可由MCU通过SPI经隔离采集量化信号，MCU通过SPI采集可变的电压值以获取检测器输出的电流值。
作为优选的实施方式，前置放大电路包括4片配对的三极管，前置放大电路用于将GC-FID检测器输出的微弱电流信号采用硬件电路进行对数运算，使输入的电流信号进行对数放大输出相应的电压信号，主要由匹配型NPN对管和精密型JFET运放组成。该前置放大电路特点：带宽高、放大能力强、信号干净且灵敏。
作为优选的实施方式，前置放大电路运放芯片的型号包括AD549JHZ、MAT12AH、AD706ARZ。
作为优选的实施方式，滤波电路采用四阶有源低通滤波器对对数放大后的信号进行低通滤波，能够有效地去除杂散的高频成分，保留有用干净的实测信号。从而降低了噪声，极大提高了信噪比。
作为优选的实施方式，滤波电路中运放芯片的型号为ADA4077ARZ。
实施例1：
参考附图2，MCU电路中MCU型号为STM32F767IGT6，供电范围：1.7V～3.6V，CPU内核：主频，通过四线制的SPI4通讯ADC采集电路。
参考附图3，数字隔离电路采用数字隔离器芯片SI8440AB，供电范围为2.7V～5.5V,通过MCU的SPI4的MOSI、SCK、MISO、CS与其通信，通过CS0或者CS0来片选其中的某一芯片。其隔离电压等级可达到2500VRMS，最大速率能达到150Mbps。
参考附图4，ADC采集电路采用ADS1256IDBR。采用5V电源供电，外接基准源电压2.5V,8通道单端输入。其精度是24bit，转换速率可达30KSPS。其输入电压范围0-5V，放大电路中的电压信号经过滤波后进入ADC通道采集。
参考附图5，前置放大电路采用AD549AH与两配对三极管MAT12AH及AD706ARZ运放组成，两种运放供电电压为正负15V,该电路输入电流Iin与输出电压Uout呈现幂函数关系(指数a＝1/2),且其系数与基准源Vref、入端电阻R1、最后一级放大电阻R6有关,故对于电路的选择Vref与R1的比值要是个准定值R6决定了该电路的放大倍数。目前设计R6值为150K，Vref取定值2.5V，R1取定值25K,则输出的该放大电路的检测精度能达到0.1pA。输出电压信号幅度0-5V。
参考附图6，滤波电路采用ADA4077ARZ，用于将对数放大电路输出的信号进行滤波处理。该滤波电路的供电采用正负5V供电，输出的截止频率为5-12HZ。该电路是四阶低通滤波器，能够对于12HZ以上的信号进行有效衰减。对实际低于5HZ的有效信号进行保真。极大提高了信噪比，提高了电路的精度。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，其特征在于：包括MCU电路、与MCU电路通过SPI通信连接的数字隔离电路、ADC采集电路、前置放大电路、滤波电路；
所述MCU电路是以STM32为核心的主控通讯的电路；
所述数字隔离电路用于隔离模数信号；
所述前置放大电路用于将GC-FID检测器产生的电流信号放大；
所述滤波电路，用于对前置放大电路输出的电压信号进行滤波，去除高频成分；
所述ADC采集电路用于采集滤波电路输出的电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，其特征在于：还包括高压电路，所述高压电路用于给GC-FID检测器内的电子一个偏移方向。
3.根据权利要求1所述的一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，其特征在于：所述MCU电路用于提供主从模式SPI通讯采集与输出数字量信号，MCU电路包括STM32F767系列的单片机、晶振、看门口芯片、FLASH芯片、串口芯片和按键，用于实现数据通讯及电信号实时的收发，MCU电路中MCU型号为STM32F767IGT6。
4.根据权利要求1所述的一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，其特征在于：所述数字隔离电路包括隔离芯，用于隔离信号地与信号电源，以防止外界扰动造成的误触发，所述隔离芯片型号为SI8641DB。
5.根据权利要求1所述的一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，其特征在于：所述ADC采集电路用于调理滤波电路输出的较低频率的模拟量信号，且ADC采集电路包括高分辨率的ADC芯片、运算放大器，所述ADC芯片的型号为ADS1256IDBR。
6.根据权利要求1所述的一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，其特征在于：所述前置放大电路包括4片配对的三极管，所述前置放大电路用于将GC-FID检测器输出的微弱电流信号采用硬件电路进行对数运算，使输入的电流信号进行对数放大输出相应的电压信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，其特征在于：所述前置放大电路运放芯片的型号包括AD549JHZ、MAT12AH、AD706ARZ。
8.根据权利要求1所述的一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，其特征在于：所述滤波电路采用四阶有源低通滤波器对对数放大后的信号进行低通滤波。
9.根据权利要求8所述的一种基于GC-FID检测器的对数放大电路，其特征在于：所述滤波电路中运放芯片的型号为ADA4077ARZ。
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