光声光谱检测电路整体方案.docx

光声光谱检测电路光声光谱检测电路框图:MIC1) 2) 3)4) 5)八八8) I数据采集存储模块9)显示标定宼浓1锁相放大1模块度计算V模块10)STM32F407八 ) 中心频率 控制模块11)7)程控放人控制模块显示屏外部存储器◎工作流程：微音器MIC接收到信号后，将其转换为电信号，由于电信号微弱且噪声人，必 须经过放人电路、滤波电路才能被AD转换器采集微控制器STM32F407内部有多个模块， 负贵控制带通滤波器的中心频率、程控放人器的放人倍数以及将AD采集到的数据存储到存 储器中，锁相放大模块读取外部存储器中的数据，并处理数据得到光声信号数值，得到光声 信号数值之后进行气体浓度标定或者气体浓度计算，最后将数据处理的结果显示到显示屏上各模块功能指标:1) MIC将声音信号转换为电信号，调制频率为3kHZ,其声电特性如下:符号条件MIN.Nom・Max.单位灵敏度S@lkHz(0dB=lv/pa)-45-42-39dB输出电阻^OUT@lkHz(0dB=lv/pa)300Q电流消耗Idss1.5到3・6v之间250信噪比S/N@lkHz(0dB=lv/pa)59―dB供电电压Vs1.53.6VTHDlOOdB SPLzTHD

光声信号的表达式S = p(r^;) = aPgiCgsc，式中弘表示的是入射调制光光强功率，住是 待测样品吸收系数，Qsc是与光声池的结构、微音器和调制频率密切相关的比例常数假定输出电压范围0—200pV2) 放大电路分为两级放人，第一级、第二级放人各放人100倍，共放大10000倍；选用AD8629 芯片，其特点为，低失调电压：1RV；输入失调漂移：0.002 uV/oC；高增益、高共模抑 制比（CMRR）和高电源抑制比（PSRR）： 130 dB输出电压范围为：-2V至:IV之间3） 带通滤波电路滤除信号中的高频和低频噪声，其中心频率和信号的调制频率一致，为3kH乙并 由微控制器STM32F407产生的时钟控制所选用芯片为LTC1067,低噪声双二阶滤波器， 可构成四阶滤波器，可以是高通、低通、带通或者带阻滤波器其中心频率可以由外部 输入时钟控制，时钟和中心频率的比例为100： 2；中心频率偏差<±0.2%；低噪声： v Q<5o4） 程控放大电器放大信号，放大倍数由微控制器控制，使其输出电压适合AD采集芯片选用MCP6S21,单输入通道，8个增益档,分别是1,2,4,5,8,10,16,32；微控制 器通过SPI接I I控制它的増益倍数。

低増益偏差:±l%（max）;低失调电压:±275pV（max）； 带宽：2 到 12MHz （典型）;低噪声：10nWSz@10fcHz（typ） o所选芯片单电源供电，在该芯片之前应该将输入信号抬高到正电压最终输出电压 在0-5V之间5） AD数据采集将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号通过微控制器存储到存储器中要保证 每个信号调制周期内采样偶数个点暂定为10个点，则SPI时钟频率为 3k*10*16bit=480kHz.所选用芯片为AD7686,单电源供电，16位分辨率、无失码，SPI接II；吞吐速率： 500 kSPS：积分非线性（INL）：典型值±0.6 LSB,最大值±2LSB（FSR的土0.003%）：信噪比 （SNR）： 92.5 dB（20 kHz）；总谐波失真（THD）： -110 dB（20 kHz）；伪差分模拟输入范围0V 至 REF06） 中心频率控制模块控制带通滤波器的中心频率，中心频率与信号调制频率一致，为3kHz,产生的时 钟频率为 3k*100=300kHzo7） 程控放大模块在每次测量气体浓度之前，根据采集到的数据值（一个或者几个信号周期采样的均 值）改变增益的放人倍数，之后増益值固定。

在计算采集信号的电压时要除以增益值8） 数据釆集存储模块控制AD进行数据采集，并将采集到的数据（或者是转换成实际电压后的数据）存 放到存储器中9） 锁相放大模块从存储器中读出数据，并根据数字式锁定放大器的计算公式计算得到光声信号值10） 标定和浓度计算如果没有标定，则先标定，也就是得到光声信号值和样本气体浓度之间的关系（微 控制器只需要显示光声信号值，我们会根据光声信号值和样本气体浓度，在电脑上拟合 出它们之间的函数，例如线性关系，则得到直线方程的参数，将参数写入到程序当中）； 如果已经标定，则可以通过标定后的光声信号值和气体浓度关系计算被测气体浓度11） 显示模块通过TFT屏，显示测试条件和被测气体浓度附：测量气体浓度范闱（单位：ppm）：气体编号气体名称检测下限浓度上限一般含量特征波数（cm1）特征波长（皿1°22ch4525002012547.9743c2h20.550178312.7714C2H41500510619.4255C2H61500586111.6146co10015000100021504.6517co2501000020066814.978h200.5505注：测量精度能达到10%也认门J!笑浓度采用超声波测量。