一种红外光谱仪放大采样电路

摘要

一种红外光谱仪放大采样电路，属于大气成分测定领域。该红外光谱仪放大采样电路包括电源转换模块、传感器与前置放大器模块、放大器主体模块、ADC模数转换模块和接口模块，所述放大器主体模块包括顺序连接的固定增益放大器、可变增益放大器和低通滤波器。本发明的采样电路分辨率18位、噪声低、6档可变增益，最大增益ll0dB，带宽覆盖了8KHz—110KHz。

说明书

技术领域

本发明涉及一种红外光谱仪放大采样电路，属于大气成分测定领域。

背景技术

近年来，全球气候发生显著变化，平均气温逐年攀升，它不仅直接影响着人类的生活环境，还随着其在世界范围内关注与争议的增加，成为当前世界几大热点政治问题之一，深刻影响着世界包括中国的环境、经济和国家安全。而自工业革命以来，世界各地频发的大气污染事件更加迫切地使人类感受到大气问题的严重性。大气问题已不仅是自然科学的前沿问题，还成为关系到社会与经济的可持续发展、国家安全与环境外交的政治问题。而解决大气问题的症结就是测定特定层次的大气成分。1991年美国发射的上层大气研究卫星UARS通过有史以来第一次对臭氧层结构与成分的直接测定，确凿地证实了人类生产活动产生的氟利昂等物质对臭氧层的破坏作用，直接促成了国际污染防治署(IPPC)1994年第一个关于禁用氟利昂的决议。通过大气组分研究大气圈，在气候变化与大气污染研究中占有重要地位，大气相关数据和动力学特性的测定，是分析地球气候变化趋势与评估气体污染程度的基础。

对大气成分的探测通常选择红外波段和微波波段的光谱仪进行遥感测量，因为对于大气某些重要的中间层来说，气象气球由于其高度太高，气压太低球体可能爆裂无法使用，而携带接触式测量载荷的卫星则由于轨道太低，摩擦严重可能烧毁也无法使用，因此，红外光谱仪等遥感测量设备得到广泛应用。在红外光谱仪中，将微弱遥感信号放大量化的放大采样电路是关键组成部分之一，其性能优劣，直接影响着仪器的精度。

发明内容

本发明提出了一种红外光谱仪放大采样电路，分辨率为18位，带宽覆盖了18KHz—110KHz，噪声低，6档可变增益，最大增益ll0dB，结构简单合理。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种红外光谱仪放大采样电路，包括电源转换模块、传感器与前置放大器模块、放大器主体模块、ADC模数转换模块和接口模块，其中传感器与前置放大器模块、放大器主体模块、ADC模数转换模块和接口模块顺序连接，电源转换模块分别与传感器与前置放大器模块、放大器主体模块、ADC模数转换模块和接口模块连接；所述放大器主体模块包括顺序连接的固定增益放大器、可变增益放大器和低通滤波器。

所述传感器与前置放大器模块包括锑化铟（InSb）传感器和碲镉汞（MCT）传感器。

所述InSb传感器将产生 47KHz —110KHz的电信号，所述MCT传感器产生18KHz—47KHz的电信号。

所述可变增益放大器设置1，2，4，8，16，32六个指数增加的放大倍数档位。

所述低通滤波器带宽设置为18KHz —110KHz。

本发明的有益效果如下：

本发明的采样电路分辨率18位、噪声低、6档可变增益，最大增益ll0dB，带宽覆盖了8KHz—110KHz。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明所述的放大采样电路基本结构图。

图3为本发明所述的红外采样放大电路层次图。

图4为本发明所述的固定增益放大器电路图。

图5为本发明所述的可变增益放大器电路图。

图6为本发明所述的低通滤波器电路图。

图7为本发明所述的ADC采样时钟电路图。

图8为本发明所述的ADC输入驱动电路图。

图9为本发明所述的输入输出接口电路图。

图10为本发明所述的数字电源电路图。

图11为本发明所述的模拟电源电路图。

图12为本发明所述的参考电源电路图。

具体实施方式

为了使公众能充分了解本发明的技术实质，下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

请参阅图1，一种带宽覆盖了18KHz —110KHz的低噪声18位分辨率红外光谱仪放大采样电路，该电路将光学模块得到的干涉光信号转变成电信号，并将其按控制模块要求的增益进行放大量化输出。

请参阅图2，首先是放大器主体部分电路设计。考虑到系统需要的ll0dB增益，除去传感器配套前放提供的40dB增益，放大电路主体部分还需要提供70dB的增益，相对较高，故采用多级放大结构；此放大器主体部分还包括一级可变增益放大器；为了保证系统的噪声性能，在放大器最前端设置一个噪声性能优异的固定增益级；为了进一步减小放大器噪声，在放大器最后一级设置低通滤波器，滤除带外噪声。为固定增益放大器设置了40dB增益，可变增益放大器设置1，2，4，8，16，32等六个指数增加的放大倍数档位，低通滤波器带宽设置为18KHz —110KHz。其次是ADC电路，即采样电路，然后是输入输出接口部分，以方便与红外光谱仪系统中的其它部分进行联接，最后是电源部分。将这部分电路统一处理，添加一个电源转换模块，将系统的统一电源转换为符合各部分电路需求的电源。

请继续参阅图2，所述的ADC电路以AD7679为核心实现，另外还包括采样时钟电路和驱动电路，在本实施例中，由于放大采样电路后端没有实时性够好的控制模块，而仪器本身的测量精度与测量过程中电路系统的实时性直接相关，不能对ADC进行很好的实时控制，因此ADC选择主动工作模式，由ADC自己处理大部分的采样过程，其它模块仅通过采样时钟与对输出信号的选通与否来对ADC作简单控制。

请参阅图3，根据放大采样电路基本结构图，具体设计放大采样电路原理图。放大采样电路原理图采取由顶至下的层次化设计方法，将放大采样电路划分为如下层次，即：红外采样放大电路包括：电源转换部分、放大器主体部分、ADC模/数转换部分和接口电路部分；其中放大器主体部分包括：固定增益放大器、可变增益放大器和低通滤波器。

请继续参阅图3，该图显示的是两路对称放大采样电路其中的一路，为减少互相干扰，两路除了±8V供电外，完全隔离，由分离的两块电路板组成。

请参阅图4，本级直接采用极低噪声运放AD797构成同向放大器电路，50欧姆的电阻R8一方面匹配前端运放的输出端口，另一方面为运放提供一个电流通道，使AD797在无输入时也能正常工作。增益设置电阻R1与R7尽量选取较小值以减小噪声，运放1脚与5脚间设置了一个精密多圈可调电阻，用于补偿输入失调，其调节总范围为几个mV。6脚与8脚，8脚与地之间的电容用于补偿信号失真。

请参阅图5，可变增益级用LTC6910-2实现，其增益通过G2，G1，G0三个管脚设置，当G2G1G0=000时，增益为0，当G2G1G0=001时，增益为-1，当G2G1G0=010时，增益为-2，当G2G1G0=011时，增益为-4，以此类推直至当G2G1G0=111时，增益为-64，该档位在实际电路中用不到，但是在电路测试时非常有用。

请参阅图6，要设计滤波器，首先要选择合适的滤波器类型与截止频率。常用的低通滤波器中，巴特沃斯（Butterworth）滤波器通带内最平坦，切比雪夫（Chebyshev）滤波器通带边缘截止最快，贝塞尔（Bessel）滤波器群延时特性最好，在通带内基本恒定。在本发明中，红外放大采样电路的输出需要与激光电路的时钟同步以校正机械部分运动的偏差，只有当放大电路的延时恒定时，后期的同步才只需要对延时较小的信号加上延时即可，因此本发明中滤波器选用贝塞尔滤波器，同时由于通带的增益下降会带来信号失真，在通带边缘处适当延展频谱，将滤波器截止频率定为73KHZ（18KHZ至47KHZ通带）与156KHZ（47KHZ至110KHZ通带），以减小失真，将滤波器阶数定为4阶，即有效控制噪声带宽，也便于实现，在实现过程中，基于方便与电路稳定的考虑，采用了Linear公司的ltc1563-3单片滤波器芯片。

请参阅图7，ADC电路以AD7679为核心实现，另外还包括采样时钟电路，驱动器电路与单端信号转差分电路。

请继续参阅图7，由于AD7679有多种工作模式与输出接口，因此首先根据需求选择合适的工作模式与输出接口。本发明中，放大采样电路后端没有实时性足够好的控制模块，而仪器本身的测量精度与测量过程中电路系统的实时性直接相关，因此不能对ADC进行很好的实时控制，并且在实际工作中，ADC的工作流程相对简单，并不需要对其进行复杂的过程控制，故ADC选择主动工作模式。由ADC自己处理大部分的采样过程，其它模块仅仅是通过采样时钟与对输出信号的选通与否来对ADC做简单控制。考虑到在有些测量环境下，放大采样电路与后端模块之间会隔开一定的距离（一般是2米以内），此时为了使数字信号能够低误码率的在放大采样电路与后端模块之间传递，不仅需要在信号发送与接收端都加上驱动或缓冲芯片，还必须降低信号发送速度，故ADC与后端模块间的数据通讯采取低速并行模式，ADC输出接口设置为18bit并行输出。根据以上结论，设置ADC的模式位，正常供电接地之后，ADC电路才能在时钟控制下正常采样输入信号。

请继续参阅图7，AD7679由于精度高，采样精度受多种扰动影响，其中采样时钟孔径抖动对精度影响极大，因此本发明采样时钟来源于稳定度极高的激光电路，但是激光电路输出的时钟是负电平信号，整体幅值比一般5V TTL电平低。为了对这一负电平进行电平抬高，同时充分隔离激光电路与放大采样电路，避免二者相互干扰，此处采用了一个高速光耦6N137来完成电平转换与电路隔离的功能。6N137是一个速度可达10Mbps的高速器件，在该电路中R36与R27两个电阻分别起到了阻抗匹配与限流的作用。

请参阅图8，ADC输入驱动电路选用了AD8021作为核心芯片，该芯片直流精度高，失调小于1mv，温度漂移低至0.5uV/

请继续参阅图8，电路直接采用AD8021构成了一个电压跟随器，在电压跟随器的输出端加了一个一阶低通滤波器，其截止频率高至7.2MHz，不会影响最高至ADC最高采样率一半385KHz的输入信号，又可以有效抑制宽带噪声，另外R28电阻阻值很小，不会影响输入端的建立时间，但是当输入电压高于5V时，R28又起到限压保护ADC的作用。

请参阅图9，输入输出接口电路主要起到缓冲与电平变换的作用，此处由于后端模块与放大采样电路均采用5V TTL电平，电平变换功能并没有发挥。由于输入输出信号包括8位状态接口，20位数据接口(含两根地线)共计28位，故采用了两片SN74AHCT16245。

所述的红外光谱仪放大采样电路，带宽覆盖了18KHz —110KHz，18位分辨率，低噪声，6档可变增益，最大增益110dB。该电路将光学模块得到的干涉光信号转变成电信号，并将其按控制模块要求的增益进行放大量化输出，属于大气成分测定领域。该电路中放大器部分按信号流向分别由固定增益放大器，可变增益放大器与4阶Bessel低通滤波器构成，总体表现为70dB增益，18KHz —110KHz带宽的低噪声放大器，此外基本结构还包括18bit高精度采样电路，输入输出接口电路，以及能够为其它模块提供符合要求的电源、同时自身正常工作的电源变换电路。

放大采样电路具体包括电源转换部分、放大器主体、ADC部分和接口部分，其中放大器主体包括固定增益放大器、可变增益放大器和低通滤波器。

请参阅图10，在模数混合信号电路中，基于减少模数相互干扰的考虑，分别设计电源。数字电源相对简单，一般5V，3.3V等常用电平，按电压电流精度噪声等要求选择合适芯片即可。本发明中，为数字部分单独选择了5V电源，根据AD7679的典型应用，使用了ADP3334这一可变输出芯片，其输出电压可通过电阻来调节。调节后的电压可供AD7679数字部分，SN74AHCT16245等正常工作所需，同时其工作温度也在许可范围之内。

请参阅图11，模拟电源的设计是高精度模数混合电路中电源设计的关键。首先，模拟信号是双极性输入，但是最终在ADC输入端口时不能超过±5V，而模拟电路信号传递线路中，除了第一级芯片AD7679与ADC驱动AD8021之外均为轨到轨输入输出芯片，故这些芯片用±5V作为电源就能满足要求，AD7679由于处于最前端，处理的信号比较小，故用±5V也足够；只有当其电源为±7V以上时，才能够输出±5V，但是为了保证噪声性能，并不能直接将系统输入的电源直接作为AD8021的电源，还必须经过一级变换。数字电源芯片ADP3334只有当输入高于5.2V时，才能保证输出+5V，同时输入电压不能超过11V。根据系统需要双极性高精度电源，特别是高精度负电源这一要求，本电路选择LT1962余LT1964这对低噪声低压降电源变换芯片作为正负电源芯片的候选，这对芯片输入输出之间需要有0.5V电压差。为了减小各芯片上的压差，降低芯片功率与发热量，选择符合以上约束且方便实现具有最低电压的一组电源，按这一标准，选择输入电源为±8V（红外光谱仪有专门的电源模块，放大采样电路总供电电压可选），AD8021电源为±7V，其它模拟芯片电源选为±5V，基于各部分噪声要求的不同，决定由±8V变换产生±7V，±7V变换产生±5V，这样，±5V精度最高，噪声最小，供噪声性能要求严格的放大器前几级电路电源，±7V噪声特性相较±5V次之，故用作噪声性能要求相对较低的模拟部分最后端的ADC驱动电源。

请参阅图12，电路参考源的设计同样基于噪声与精度考虑，电路中需要两路参考源，ADC参考源REF+5V，单端转差分芯片参考源REF+2.5V，两参考源直接相关，精度噪声等要求一致，由于REF+2.5V是作为ADC输入端的共模电压存在的，当ADC参考源确定时，共模电压直接影响ADC的转换行为，为了让二者同步变化，以减小电路噪声，REF+2.5V与REF+5V需要来源于同一芯片，在本电路中采用ADR43x系列芯片生成REF+2.5V，REF+5V由一同相放大电路产生。