光聲光譜檢測電路整體方案

光聲光譜檢測電路光聲光譜檢測電路框圖:工作流程：微音器MIC接收到信號后，將其轉(zhuǎn)換為電信號，由于電信號微弱且噪聲大，必須經(jīng)過放大電路、濾波電路才能被AD轉(zhuǎn)換器采集。微控制器STM32F407內(nèi)部有多個模塊，負(fù)責(zé)控制帶通濾波器的中心頻率、程控放大器的放大倍數(shù)以及將AD采集到的數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，鎖相放大模塊讀取外部存儲器中的數(shù)據(jù)，并處理數(shù)據(jù)得到光聲信號數(shù)值，得到光聲信號數(shù)值之后進(jìn)行氣體濃度標(biāo)定或者氣體濃度計算，最后將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果顯示到顯示屏上。各模塊功能指標(biāo)：1）MIC將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，調(diào)制頻率為3kHZ,其聲電特性如卜.:符號條件MIN.Nom.Max.單位靈敏度S@lkHz(0dB=lv/pa)-45-42-39dB輸出電阻^OUT@lkHz(0dB=lv/pa)——300Q電流消耗Idss1.5到3.6v之間——250口A信噪比S/N@lkHz(0dB=lv/pa)—59—dB供電電壓Vs1.5—3.6VTHDlOOdBSPLzTHD<l%;115dBSPL,THD<10%dB注：麥克風(fēng)正常工作頻率范圍為3kHz以下。光聲信號的表達(dá)式S=p（r,知）=aPgiCgsc，式中烏】表示的是入射調(diào)制光光強功率，。是待測樣品吸收系數(shù)，％sc是與光聲池的結(jié)構(gòu)、微音器和調(diào)制頻率密切相關(guān)的比例常數(shù)。假定輸出電壓范圍0—200pV。2）放大電路分為兩級放大，第一級、第二級放大各放大100倍，共放大10000倍；選用AD8629芯片，其特點為，低失調(diào)電壓：lpv；輸入失調(diào)漂移：0.002nV/%；高增益、高共模抑制比（CMRR）和高電源抑制比（PSRR）：130dB。輸出電壓范圍為：-IV至IV之間。3） 帶通濾波電路濾除信號中的高頻和低頻噪聲，其中心頻率和信號的調(diào)制頻率一致，為3kHZ,并由微控制器STM32F407產(chǎn)生的時鐘控制。所選用芯片為LTC1067,低噪聲雙二階濾波器，可構(gòu)成四階濾波器，可■以是高通、低通、帶通或者帶阻濾波器。其中心頻率可以由外部輸入時鐘控制，時鐘和中心頻率的比例為100：1：中心頻率偏差<±0.2%；低噪聲：V40Q<5。4） 程控放大電器放大信號，放大倍數(shù)由微控制器控制，使其輸出電壓適合AD采集。芯片選用MCP6S21,單輸入通道，8個增益檔，分別是1,2,4,5,8,10,16,32；微控制器通過SPI接II控制它的增益倍數(shù)。低增益偏差:±l%（max）;低失調(diào)電壓:±275pV（max）；帶寬：2到12MHz（典型）：低噪聲：10nWSz@10fcHz（typ）o所選芯片單電源供電，在該芯片之前應(yīng)該將輸入信號抬高到正電壓。最終輸出電壓在0-5V之間。5） AD數(shù)據(jù)采集將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號通過微控制器存儲到存儲器中。要保證每個信號調(diào)制周期內(nèi)采樣偶數(shù)個點。暫定為10個點，則SPI時鐘頻率為3k*10*16bit=480kHz.所選用芯片為AD7686,單電源供電，16位分辨率、無失碼，SPI接II；吞吐速率：500kSPS：積分非線性（INL）：典型值±0.6LSB,最大值±2LSB（FSR的土0.003%）：信噪比（SNR）：92.5dB（20kHz）；總諧波失真（THD）：-110dB（20kHz）；偽差分模擬輸入范圍0V至REF06） 中心頻率控制模塊控制帶通濾波器的中心頻率，中心頻率與信號調(diào)制頻率一致，為3kHz,產(chǎn)生的時鐘頻率為3k*100=300kHz。7） 程控放大模塊在每次測量氣體濃度之前，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)值（一個或者幾個信號周期采樣的均值）改變增益的放大倍數(shù)，之后增益值固定。在計算采集信號的電壓時要除以增益值。8） 數(shù)據(jù)采集存儲模塊控制AD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)（或者是轉(zhuǎn)換成實際電壓后的數(shù)據(jù)）存放到存儲器中。9） 鎖相放大模塊從存儲器中讀出數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)字式鎖定放大器的計算公式計算得到光聲信號值。10） 標(biāo)定和濃度計算如果沒有標(biāo)定，則先標(biāo)定，也就是得到光聲信號值和樣本氣體濃度之間的關(guān)系（微控制器只需要顯示光聲信號值，我們會根據(jù)光聲信號值和樣本氣體濃度，在電腦上擬合出它們之間的函數(shù)，例如線性關(guān)系，則得到直線方程的參數(shù)，將參數(shù)寫入到程序當(dāng)中）；如果已經(jīng)標(biāo)定，則可以通過標(biāo)定后的光聲信號值和氣體濃度關(guān)系計算被測氣體濃度。11） 顯示模塊通過TFT屏，顯示測試條件和被測氣體濃度。

附：測量氣體濃度范圍(單位：ppm)：氣體編號氣體名稱檢測下限濃度上限一般含量特征波數(shù)(cm1)特征波長(pm)1°2———2ch4525002012547.9743c2h20.550178312.7714C2H41500510619.425