一种用于作物生长信息监测的信号调理电路

摘要

一种用于作物生长信息监测的信号调理电路，其特征是包括前级放大器电路、仪表放大器电路和峰值信号检波电路；前级放大器电路的电流信号输入端连接光电探测器输出端，前级放大器电路的电压输出端连接仪表放大器电路的电压输入端，仪表放大器电路的调制信号输出端连接峰值信号检波电路的调制信号输入端。本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路采用光电二极管接收作物冠层反射的敏感光谱信息，将其转化为电信号，电信号中主要含有固定频率信号（有效信号）、低频日光干扰信号和高频电磁波干扰信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于作物生长信息监测的信号调理电路，尤其涉及基于主动 光源的作物生长信息无损监测的信号调理电路，属于作物生长信息智能检测领 域。专用于农田作物生长信息的实时、简便、无损获取。

背景技术

作物生长信息无损监测仪是信息农业应用上用于快速、无损获取作物生长指 标，指导农田作物的精确管理调控。根据不同的监测原理，作物生长信息无损 监测仪可以分为基于被动光源方式和基于主动光源方式两类。与基于被动光源 作物生长信息无损监测仪相比，基于主动光源的作物生长信息无损监测仪具有 不受天气限制、全天候监测的优点。基于主动光源方式含有两种具体的实现模 式分别为非光谱调制模式和光谱调制模式，与非光谱调制模式相比，光谱调制 模式具有测量精度高、抗干扰能力强、稳定性好等特点。专利201210554515.7 公开了一种基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪的装置，提出了采用光 谱调制技术对作物生长信息进行实时监测的方法，但未见其关于光谱信号采集 装置中信号调理电路设计的相关报道。

信号调理电路的设计是基于调制光源的作物生长信息无损监测装置的关键 技术。在基于调制光源的作物生长信息无损监测装置的设计中，光电探测器输 出信号很微弱，且含有日光、电磁波和噪声等干扰信息，不能通过简单的放大 处理后使用。需要通过信号调理电路，对光电探测器输出信号进行合适的缓冲、 放大、滤波、整形等操作，使其输出信号便于后级电路处理与分析。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种实时性好、工作性 能稳定、抗日光干扰能力强、测量结果准确、不受天气制约的一种用于作物生 长信息监测的信号调理电路，为基于主动光源的作物生长信息无损监测仪的实 现提供技术支撑，为数字农业的精确化管理的实现提供数据支持，实现农田环 境下低成本、高精度、便携式测量作物的生长信息。

本发明的技术方案如下：

一种用于作物生长信息监测的信号调理电路，包括前级放大器电路、仪表放 大器电路和峰值信号检波电路；前级放大器电路的电流信号输入端连接光电探 测器输出端，前级放大器电路的电压输出端连接仪表放大器电路的电压输入端， 仪表放大器电路的调制信号输出端连接峰值信号检波电路的调制信号输入端。 前级放大器电路接收光电探测器输出微弱电流信号，并将微弱电流信号放大、 转换为电压信号；仪表放大器电路接收光电转换电路输出的电压信号，对其进 行信号的放大、滤波、整形等操作；峰值信号检波电路接收仪表放大器电路输 出的调制信号，对其进行峰值提取。

所述前级放大器电路包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2 和第三电阻R3；第一运算放大器U1的反向输入端接光电探测器输入端并与第 一电阻R1的一端连接；第一运算放大器U1的同向输入端接地；第一电阻R1 的另一端分别与第二电阻R2一端和第三电阻R3一端连接，第二电阻R2另一 端连接到地，第三电阻R3另一端与第一运算放大器U1的输出端连接。

所述仪表放大器电路包括第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运 算放大器U4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第四 电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻 R9、第十电阻R10和第十一电阻R11；第一电容C1的一端连接第一运算放大器 U1的输出端，另一端连接第二运算放大器U2的同向输入端；第二运算放大器 U2反向输入端分别与第四电阻R4一端和第六电阻R6一端连接；第二运算放大 U2输出端分别与第六电阻R6另一端、第二电容C2一端和第八电阻R8一端连 接；第三运算放大器U3同向输入端与第五电阻R5一端连接；第三运算放大器 U3反向输入端分别与第四电阻R4另一端和第七电阻R7一端连接；第三运算放 大器U3输出端分别与第七电阻R7另一端、第三电容C3一端和第九电阻R9一 端连接；第四运算放大器U4同向输入端分别于第九电阻R9另一端和第十电阻 R10一端连接；第四运算放大器U4反向输入端分别于第八电阻R8另一端和第 十一电阻R11一端连接；第四运算放大器U4输出端分别于第十一电阻R11另 一端和第十二电阻R12一端连接；第五电阻R5另一端、第十电阻R10另一端、 第二电容C2另一端、第三电容C3另一端连接到地；第十二电阻R12与第四电 容C4组成低通滤波器。

所述峰值信号检波电路包括第五运算放大器U5、第一导通二极管D1、第十 三电阻R13、第五电容C5；第五运算放大器U5的同向输入端分别与第十二电 阻R12另一端和第四电容C4一端连接，第四电容C4另一端接地；第五运算放 大器U5输出端与第一导通二极管D1一端连接；第五运算放大器U5反向输入 端分别于第一导通二极管D1另一端、第十三电阻R13一端和第五电容C5一端 连接；第十三电阻R13另一端和第五电容R5另一端连接到地，第十三电阻R13 与第五电容R5组成低通滤波器。

所述仪表放大器电路中的电阻阻值应满足的关系式为：R6=R7，R8=R9。第 六电阻R6和第七电阻R7的阻值相同，第八电阻R8和第九电阻R9的阻值相同。

本发明的有益效果：

本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路采用光电二极管接收作物 冠层反射的敏感光谱信息，将其转化为电信号，电信号中主要含有固定频率信 号（有效信号）、低频日光干扰信号和高频电磁波干扰信号。

本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路采用电容耦合的方式将光 电转换电路与仪表放大器电路连接起来，可有效去除信号中的低频日光干扰。 仪表放大器电路与峰值信号检波电路中低通滤波器可有效抑制高频电磁波干扰 信号。

本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的仪表放大器电路采用三 运算放大器结构增大了电路的共模抑制比和差模放大倍数，提高了信号调理电 路的稳定性和可靠性。

本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的光电二极管采用无偏置 连接，能有效保证电路的抗干扰能力和工作稳定性。

本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的峰值检波电路针对A/D 转换不能直接测量调制信号峰值，而输出稳定的峰值电压，供后级电路处理分 析。

附图说明

图1为本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的连接示意图；

图2为本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的光电转换电路的原 理图；

图3为本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的仪表放大器电路的 原理图；

图4为本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的峰值信号检波电路 的原理图。

具体实施方式

以下结合具体实施方案，对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的信号调理电路包括前级放大器电路、仪表放大电路和 峰值信号检波电路组成；其中前级放大器电路接收光电探测器输出微弱电流信 号，并将微弱电流信号放大、转换为电压信号，仪表放大器电路输入接前级放 大器电路输出，峰值信号检波电路输入接仪表放大电路输出，前级放大器电路 与仪表放大器电路之间采用电容耦合方式连接。

如图2所示，所述前级放大器电路包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、 第二电阻R2和第三电阻R3；第一运算放大器U1的反向输入端接光电探测器输 入端IN并与第一电阻R1的一端连接；第一运算放大器U1的同向输入端接地； 第一电阻R1的另一端分别与第二电阻R2一端和第三电阻R3一端连接，第二 电阻R2另一端连接到地，第三电阻R3另一端与第一运算放大器U1的输出端 连接。第一运算放大器U1选用低噪声、零漂移轨对轨运算放大器AD8551；第 一电阻R1与第三电阻R3均为1KΩ，第二电阻R2为100Ω。

如图3所示，所述仪表放大器电路包括第二运算放大器U2、第三运算放大 器U3、第四运算放大器U4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四 电容C4、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻 R8、第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11；第一电容C1的一端连接 第一运算放大器U1的输出端，另一端连接第二运算放大器U2的同向输入端； 第二运算放大器U2反向输入端分别与第四电阻R4一端和第六电阻R6一端连 接；第二运算放大U2输出端分别与第六电阻R6另一端、第二电容C2一端和 第八电阻R8一端连接；第三运算放大器U3同向输入端与第五电阻R5一端连 接；第三运算放大器U3反向输入端分别与第四电阻R4另一端和第七电阻R7 一端连接；第三运算放大器U3输出端分别与第七电阻R7另一端、第三电容C3 一端和第九电阻R9一端连接；第四运算放大器U4同向输入端分别于第九电阻 R9另一端和第十电阻R10一端连接；第四运算放大器U4反向输入端分别于第 八电阻R8另一端和第十一电阻R11一端连接；第四运算放大器U4输出端分别 于第十一电阻R11另一端和第十二电阻R12一端连接；第五电阻R5另一端、 第十电阻R10另一端、第二电容C2另一端、第三电容C3另一端连接到地；第 十二电阻R12与第四电容C4组成低通滤波器。第二运算放大器U2与第三运算 放大器U3均选用高精度斩波稳零运算放大器TLC2652；第四运算放大器U4选 用低噪声、零漂移轨对轨运算放大器AD8551；第一电容C1、第二电容C2、第 三电容C3和第四电容C4均为0.1uF的陶瓷电容；第四电阻R4为10KΩ，第五 电阻R5为5KΩ，第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9均 为10KΩ，第十电阻R10和第十一电阻R11均为500KΩ，第十二电阻R12为1KΩ。

如图4所示，所示峰值信号检波电路包括第五运算放大器U5、第一导通二 极管D1、第十三电阻R13、第五电容C5；第五运算放大器U5的同向输入端分 别与第十二电阻R12另一端和第四电容C4一端连接，第四电容C4另一端接地； 第五运算放大器U5输出端与第一导通二极管D1一端连接；第五运算放大器U5 反向输入端分别于第一导通二极管D1另一端、第十三电阻R13一端和第五电容 C5一端连接；第十三电阻R13另一端和第五电容R5另一端连接到地，第十三 电阻R13与第五电容R5组成低通滤波器。第五运算放大器U5选用低噪声、低 零漂的运算放大器OPA335；第一导通二极管D1选用IN4148；第五电容C5选 用22uF的电解电容；第十三电阻R13为10KΩ。

本发明电路的工作原理如下：

光电二极管输出的电流信号I1输入到前级放大电路一端，作为整个电路的输 入信号。第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3组成 的T型电阻网络前级放大电路，将光电二极管输出的电流信号I1放大并转换为 电压信号，设第一运放输出端电压为VO1，根据运算放大的“虚短”和“虚断”， 可得VO1与I1的关系式：

$\mathrm{VO}1=\left(\frac{R1*R3}{R2}\right)I1$

第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第四电阻 R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、 第十电阻R10和第十一电阻R11组成一个三运放差动放大电路，设整个仪表放 大电路输出信号为VO2，根据运算放大器的“虚短”和“虚断”，可得VO2与 VO1的关系式：

$\mathrm{VO}2=\frac{R11}{R8}(1+\frac{2R6}{R4})\mathrm{VO}1$

第一电容C1耦合前级放大电路与仪表放大电路，可有效去除前级放大电路 输出电压信号中的日光干扰，实现信号调理电路的抗太阳光干扰；第二电容C2 与第八电阻R8、第三电容C3与第九电阻R9组成的低通滤波器滤除信号中的高 频干扰，保证信号可靠性与稳定性。

第五运算放大器U5、第一导通二极管D1、第十三电阻R13和第五电容C5 组成调制信号峰值检波电路，实现调制信号峰值的采集与保持，便于后级模拟/ 数字转换、微机系统处理等；调制信号为正半周时，第一导通二极管D1导通， 第五电容C5充电直到调制信号峰值，当信号峰值减小时，第五电容C5通过第 十三电阻R13进行放电，保证调制信号峰值的输出与保持。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发 明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工 程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保 护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。