摘 要:介紹北京同步輻射裝置(BSRF)真空紫外(VUV)站針對圓二色譜信號處理要求，設計實現(xiàn)硬件信號處理部分。該部分包括預放大、3階Bessel低通濾波、交直流分離、交流二次放大和6階Chebyshev帶通濾波器等，采用AD620儀放和MAX274濾波芯片為主要器件，對探測器經(jīng)前置放大器輸出的mV級直流、μV級交流圓二色信號進行硬件處理。該設計在實驗站，以商用信號處理儀器SCU-90為對比，以CSA標準品為對象進行測試。實驗結(jié)果表明，與SCU-90相比，該設計處理得到圓二色信號峰值位置為標準值290 nm，二者沒有偏差，且光譜波形平滑，證明該設計很好地實現(xiàn)了交直流信號分離放大和濾波功能。同時，該設計背景噪聲比SCU-90更低，在信噪比方面有一定改善，從而在小信號探測方面更具優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞:圓二色譜;Bessel低通濾波器;Chebyshev帶通濾波器;BSRF

中圖分類號:TL822+.6;TP368.1 文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)04-001-04

Design of Circular Dichroism Signal Processing Device in BSRF VUV Station

ZHOU Aiyu，HUANG Yan，TAO Ye

(Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049，China)

Abstract:A Circular Dichroism (CD) signal processing device is designed which aims at the demand of CD signal processing in 4B8 VUV station，Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF).The device mainly includes the pre-amplify part，3 ranks Bessel low pass filter，divider of DC/AC signal，AC signal amplifier and 6 ranks Chebyshev band pass filter.In the device，instrumentation amplifier AD620 and continuous-time active filter MAX274 are adopted as main chips.Now，in BSRF VUV station，the device has been tested with standard CSA sample and result has been compared to that obtained by SCU-90，which is commercial signal processing equipment.The experiment result shows that the wavelength of CD signal peak obtain by our designed device is the standard 290nm and is same to that obtained by SCU-90，and the CD spectrum gotten by the device is very smooth.It is proved that the device has achieved the designed aims.At the same time，it can be seen that the background noise of our designed device is lower than that of SCU-90，and the device has more advantages than SCU-90 in CD small signal detection.

Keywords:circular dichroism;Bessel low pass filter;Chebyshev band pass filter;BSRF

0 引 言

圓二色(CD)譜是一種特殊的吸收譜，其通過物質(zhì)對左、右旋圓偏振光吸收系數(shù)的差異，獲得被測樣品結(jié)構(gòu)的構(gòu)像信息[1，2]。CD信號比吸收譜弱得多，但由于它對手性分子構(gòu)像十分敏感，尤其蛋白質(zhì)肽鏈深紫外(240~160 nm)波段內(nèi)左、右旋圓偏振光吸收明顯，所以CD是研究蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)的最直接的光譜方法之一[3]。CD譜儀主要包括商用譜儀和同步輻射譜儀。同步輻射譜儀特點在于向短波的拓展，從商用的190 nm拓展到小于170 nm，其優(yōu)點是有新的躍遷，因而包含更多的結(jié)構(gòu)信息，極大改善了CD光譜分析。同時同步輻射在這個波段的高光強，使得同步輻射CD譜成為蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)和折疊變化研究的重要方法[4，5]。

CD探測是弱信號探測，由光電倍增管(PMT)經(jīng)前置放大器輸出的CD信號，直流幅值為mV量級，交流幅值為μV量級，噪聲幅值為mV量級，從而所需CD信號完全淹沒于噪聲之中。所以有效地從噪聲中提取出該CD信號是提高CD光譜信噪比，保證數(shù)據(jù)真實可靠的關(guān)鍵技術(shù)。CD探測采用鎖相放大技術(shù)來提取CD信號，而從PMT輸出的交直流信號到鎖相放大器輸入的交流信號之間，需要能實現(xiàn)交直流分離和信號初步濾波的信號處理單元。利用商用信號處理儀器SCU-90，BSRF 4B8 VUV實驗站CD譜儀已達國際水準[6]。但為進一步提高弱信號探測能力和發(fā)展ms/μs量級時間分辨實驗，SCU-90無法滿足要求。為了進一步提高該CD譜儀信噪比，同時方便時間分辨實驗所需快速時間常數(shù)等參數(shù)可調(diào)需求，設計并實現(xiàn)了對PMT前放輸出信號的處理部分。

實驗證明，與目前所用商業(yè)信號處理儀SCU-90相比，該設計背景噪聲值較低，從而在小信號探測方面有一定改善。

1 具體設計與硬件實現(xiàn)

1.1 CD譜儀信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

VUV實驗站CD譜儀信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7]如圖1所示。

圖1 VUV實驗站CD譜儀信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

BSRF VUV實驗站利用同步輻射330~170 nm波段光源，以PMT為探測器建立的CD光譜測試方法，通過調(diào)節(jié)PMT高壓值，使PMT輸出CD信號中的直流部分保持穩(wěn)定;通過檢測調(diào)制頻率為50.72 kHz[8]的交流信號值確定所測物質(zhì)CD光譜。

由圖1可以看出，信號處理部分處于前置放大器和鎖相放大器之間，用于分離來自前置放大器的交直流混疊信號，并分別進行相應的濾波、放大處理，以滿足高壓控制和鎖相放大器的需求。所以該部分是提高信噪比、保證CD光譜準確可靠的關(guān)鍵步驟之一。

1.2 信號處理部分硬件結(jié)構(gòu)

經(jīng)測試，由PMT和前置放大器輸出的CD直流信號幅值基本為mV量級，交流信號幅值為μV量級。所以經(jīng)Matlab模擬計算，確定了信號處理部分的硬件結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

圖2 信號處理部分硬件結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2可以看出，硬件設計采用放大和濾波交替進行的方式，從而既可以在最大程度上減小處理電路引入的噪聲，又可以實現(xiàn)信號自帶噪聲的分級有效處理。其中:

預放大部分以美國模擬器件公司的高精度儀放AD620[9]為核心部件，結(jié)合開關(guān)選擇方式，實現(xiàn)多種放大倍數(shù)的改變，從而滿足高壓控制的需求。具體硬件電路原理設計如圖3所示。

為實現(xiàn)放大后CD信號的濾波，并保證不產(chǎn)生畸變，經(jīng)Matlab模擬，采用3階Bessel有源低通濾波器方式，帶寬為100 kHz。具體硬件電路設計如圖4所示。

圖3 預放大部分電路設計原理圖

圖4 3階Bessel有源低通濾波器電路設計原理圖

信號隔離后輸出的交流信號調(diào)制頻率為50.72 kHz。為最大程度地降低噪聲，提高信噪比，從50.72 kHz處幅頻響應平滑度、截止頻率、衰減速度、線性程度、實現(xiàn)復雜度和穩(wěn)定性等多方面考慮，經(jīng)模擬對比，設計了以美國Maxim公司多功能濾波器MAX274[10]為核心部件的6階Chebyshev帶通硬件濾波電路， 帶通中心頻率50.72 kHz，帶寬為10 kHz，帶通中心點衰減小于0.1 dB，阻帶衰減大于20 dB。具體硬件電路如圖5所示。

2 實驗方法

(1) Matlab模擬方法

由圖2可以看出，該設計中最重要的兩個部分為Bessel有源低通濾波器(見圖4)和Chebyshev有源帶通濾波器(見圖5)。這里采用Matlab對二者濾波效果進行模擬，并在此基礎(chǔ)上確定了硬件設計參數(shù)。

(2) 對比測試方法

為測試信號處理效果，該設計在BSRF VUV實驗站，以CSA標準樣品為測試對象，以商用信號處理儀器SCU-90[8](Hinds instruments Inc.)為對比儀器進行實驗。其中，測試波段為230~330 nm，步進波長為1 nm，采樣點時間常數(shù)為2 s。

圖5 6階Chebyshev帶通濾波器電路設計原理圖

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 Matlab模擬實驗結(jié)果

3.1.1 Bessel有源低通濾波器模擬實驗結(jié)果

2~10階濾波器幅頻和相頻響應模擬結(jié)果分別如圖6(a)，(b)所示。

圖6 2~10階濾波器幅頻和相頻響應模擬結(jié)果

由圖6(a)可以看出，在截止頻率處，2階濾波器幅頻響應衰減較大，而3階則與4~10階相差較小;而在阻帶范圍內(nèi)，濾波器幅頻響應衰減速度隨濾波器階數(shù)的提高而加快。由圖6(b)可以看出，在通帶范圍內(nèi)，3階濾波器相位響應線性關(guān)系良好，保證了信號無失真?zhèn)鬏斔裕瑥臑V波效果和實現(xiàn)復雜程度兩方面考慮，最終選定濾波器階數(shù)為3階。

3.1.2 Chebyshev帶通濾波器模擬實驗結(jié)果

6階和8階濾波器幅頻和相頻響應模擬實驗結(jié)果分別如圖7(a)，(b)所示。

圖7 6階、8階濾波器幅頻和相頻響應模擬結(jié)果

由圖7(a)可以看出，在通帶中心頻率50.72 kHz的附近，6階Chebyshev帶通濾波器幅度響應基本保持恒定，而8階濾波器則幅度隨頻率變化較大;同時，由濾波器原理可知，濾波器阻帶內(nèi)衰減速度隨濾波器階數(shù)的增加而增加，所以，從可靠性、穩(wěn)定性和阻帶內(nèi)衰減速度等幾方面考慮，幅頻響應方面濾波器階數(shù)為8階較為合適。由圖7(a)還可以看出，在45 Hz和56 kHz頻率附近，6階濾波器幅度響應也存在明顯的尖峰。但由于該濾波器信號還需要經(jīng)鎖相放大器處理，且尖峰頻率與信號頻率，50.72 kHz，相差較大，所以該尖峰對信號的影響可以忽略。由圖7(b)可以看出，在50.72 kHz附近，二者相位響應線性關(guān)系均良好。所以兩種階數(shù)的帶通濾波器均可以有效地保證CD信號無失真?zhèn)鬏?，不會產(chǎn)生附加畸變。綜合考慮上述因素，最終確定Chebyshev帶通濾波器階數(shù)為6階。

3.2 CSA標準樣品測試實驗結(jié)果

為方便對比，假設在CSA樣品CD信號峰值位置290 nm處，該設計與SCU-90的測試結(jié)果相同，據(jù)此對該設計測試數(shù)據(jù)進行了線性處理。處理后結(jié)果與SCU-90測試結(jié)果對比如圖8所示。

由圖8可以看出，與經(jīng)SCU-90處理后得到的CAS樣品光譜相比，經(jīng)本設計獲得的CD光譜，信號峰值所對應的波長位置為標準值290 nm，二者沒有產(chǎn)生偏差，且波形一致，沒有畸變，在測試波段范圍內(nèi)光譜波形較平滑，證明本設計很好地實現(xiàn)了交直流分離放大和濾波功能，沒有產(chǎn)生波形失真。

從圖8還可以看出，與SCU-90相比，在230~240 nm和320~330 nm波段范圍內(nèi)，本設計處理后的CD光譜信號明顯低于SCU-90的處理信號值。由于CSA樣品的CD信號峰值為290 nm，從而本設計與SCU-90在上述兩個波段范圍內(nèi)測得的信號值基本反映了兩個測試系統(tǒng)的背景狀況。所以，與SCU-90相比，本設計背景值較低，在小信號探測方面有一定改善。

圖8 測試結(jié)果對比

4 結(jié) 語

針對BSRF VUV實驗站CD信號弱，噪聲大等狀況，設計實現(xiàn)了硬件電路信號處理部分。該部分經(jīng)過Matlab模擬計算，確定了預放大、3階Bessel低通濾波、交直流分離、交流二次放大、有源6階Chebyshev帶通濾波器，直流低通濾波的信號處理方式，采用AD620儀放和MAX274多功能連續(xù)濾波芯片為主要器件，進行了硬件實現(xiàn)。該設計在VUV站以CSA標準樣品為測試對象，以商用信號處理儀器SCU-90為對比進行了實驗。CD光譜測試結(jié)果表明，與SCU-90相比，經(jīng)本設計處理后CSA樣品CD信號峰值位置沒有偏差，仍為標準值290 nm，且光譜波形較平滑，證明本設計可以很好地實現(xiàn)交直流分離放大和濾波功能，沒有產(chǎn)生畸變。從CSA樣品CD光譜測試結(jié)果還可以看出，與SCU-90相比，本設計背景值較低，說明其在小信號探測方面有一定改善。

同時，該設計由于參數(shù)可調(diào)整，從而在探測范圍、時間常數(shù)和放大倍數(shù)等方面可根據(jù)實驗需要進行設計，從而可以為ms/μs級時間分辨CD測試等SCU-90不能滿足要求的實驗提供硬件設備支持。

參考文獻

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