吳 寧，王昭玉，曹 煊，馬海寬，褚東志，張 婷

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋監(jiān)測(cè)儀器裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東青島 266001；2.中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266001)

0 引言

葉綠素a濃度直接反映了海水浮游植物的活躍度和生物量，成為評(píng)價(jià)海水營(yíng)養(yǎng)化和預(yù)測(cè)赤潮災(zāi)害的重要參數(shù)。目前檢測(cè)海水葉綠素a濃度的最直接有效的方法是熒光檢測(cè)法，通過一定波長(zhǎng)LED激發(fā)海水產(chǎn)生熒光信號(hào)，通過測(cè)量熒光信號(hào)間接跟蹤水體營(yíng)養(yǎng)化程度的變化就可以完全反應(yīng)海水有機(jī)污染物的濃度[1]。

但激發(fā)的熒光信號(hào)為微弱信號(hào)，且信號(hào)摻雜大量的環(huán)境光，熱噪聲等干擾信號(hào)而淹沒在強(qiáng)背景噪聲下。采用傳統(tǒng)的模擬、放大、濾波等很難完全屏蔽環(huán)境光的干擾，實(shí)現(xiàn)熒光信號(hào)的檢測(cè)。為提取和測(cè)量強(qiáng)背景噪聲下的痕量熒光信號(hào)，設(shè)計(jì)一種基于可編程增益跨阻放大器和正交同步檢波功能的電路用來提取微弱熒光信號(hào)[2]，該電路通過對(duì)激發(fā)光源調(diào)制，熒光信號(hào)正交同步檢波和FIR/IIR混合低通濾波可以完全消除環(huán)境光和低頻噪聲產(chǎn)生的測(cè)量誤差，能夠顯著提高信噪比、靈敏度和準(zhǔn)確度[3]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

海水中激發(fā)的熒光信號(hào)幅值通常在pA級(jí)，伴隨的環(huán)境光噪聲可能是實(shí)際熒光信號(hào)的數(shù)千倍。傳統(tǒng)濾波受Q值限制不能完全將不同頻率的噪聲移除。因此設(shè)計(jì)了基于AD8616的I/V轉(zhuǎn)換電路，AD8231的可編程增益放大器和AD630的正交同步檢波電路對(duì)微弱熒光信號(hào)進(jìn)行提取，系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖1所示，首先STM32F407通過直接數(shù)字頻率合成器(DDS)單元產(chǎn)生正弦波，對(duì)470 nm的LED進(jìn)行調(diào)制后激發(fā)海水葉綠素a產(chǎn)生熒光信號(hào)，熒光信號(hào)通過光電二極管接收，接收的電流信號(hào)經(jīng)過可編程增益放大器AD8231以及跨阻放大器AD8616進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換并放大，得到輸入信號(hào)Y=Asin(αt+φ)+n(t)，分別與相位差為90°的參考信號(hào)F1(t)=Bsin(αt+β)和參考信號(hào)F2(t)=Bcos(αt+ω)進(jìn)行乘法運(yùn)算，正交同步檢波結(jié)果如式(1)和式(2)所示。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和FIR/IIR混合低通濾波后得到結(jié)果如式(3)和式(4)所示，最后通過STM32F407單片機(jī)運(yùn)算單元進(jìn)行平方根運(yùn)算就可得到待測(cè)信號(hào)的幅值Z如式(5)所示，相位η如式(6)所示[4-5]。

圖1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖

0.5AB[cos(φ-β)-cos(2αt+φ+β)]+n(t)Bsin(αt+β)

(1)

0.5AB[sin(φ-β)-sin(2αt+φ+β)]+n(t)cos(αt+β)

(2)

M=0.5ABcos(φ-β)

(3)

N=0.5ABsin(φ-ω)

(4)

(5)

η=arctan(N/M)

(6)

式中：A為輸入信號(hào)幅值；B為參考信號(hào)幅值；α為輸入信號(hào)與參考信號(hào)的角頻率；φ為輸入信號(hào)相位；β為參考信號(hào)相位，其中兩個(gè)信號(hào)的相位差為90°；M為同相輸出；N為正交輸出；Z為待測(cè)信號(hào)幅值；η為待測(cè)信號(hào)相位。

2 激發(fā)LED光源調(diào)制電路

系統(tǒng)中的STM32F407模塊主要包括DDS單元和FIR/IIR混合低通濾波單元，其中DDS單元采用了基于查表法和Coedic算法相結(jié)合的原理產(chǎn)生同頻同相的參考信號(hào)和LED調(diào)頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)。激發(fā)光源采用的是470 nm的LED，以恒流源驅(qū)動(dòng)保證激發(fā)光源的穩(wěn)定性，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過控制恒流源的通斷對(duì)LED進(jìn)行調(diào)制，恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，采用AD8615和NPN三極管以及ADG819單刀雙擲開關(guān)構(gòu)成了一個(gè)恒流源，ILED=Vref/R2，其中Vref為數(shù)字電位器的輸出電壓，R2為三極管發(fā)射極電阻，改變Vref或R2即可以改變LED的電流值，從而改變LDE的亮度。在本設(shè)計(jì)中，ADG819的控制端接DDS驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，開關(guān)連接到參考電壓與地之間，參考電壓采用了可編程電阻分壓器，因此只要改變參考電壓的值就可以改變LED的驅(qū)動(dòng)電流[6]。

圖2 激發(fā)LED光源恒流驅(qū)動(dòng)電路圖

3 可編程跨阻式I/V轉(zhuǎn)換與放大電路

由于激發(fā)熒光信號(hào)為微弱信號(hào)，因此本文采用高靈敏度、低暗電流型的S2386-18L型光電二極管，該光電二極管在680 nm的靈敏度可達(dá)0.4 A/W，暗電流低至2 pA。其中光電二極管輸出電流信號(hào)經(jīng)過如圖3所示的可編程跨阻放大電路，AD8616完成I/V轉(zhuǎn)換并放大，由于光電二極管產(chǎn)生的極小電流，因此采用了1 MΩ的反饋電阻，為保證輸出的穩(wěn)定性，使用反饋電容以補(bǔ)償總輸入電容以及反饋電阻產(chǎn)生的極點(diǎn)，保證電路的穩(wěn)定性[3]。AD8231主要是對(duì)轉(zhuǎn)換完成的信號(hào)進(jìn)行次級(jí)放大，其中AD8231為程控放大器，可根據(jù)量程實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償。輸出電壓為

Vo=Id·R5·A8231

式中：Id為光電二極管輸出電流；R5為反饋電阻；A8231為放大增益。

圖3 跨阻式I/V轉(zhuǎn)換及可編程放大電路

4 正交同步檢波電路

基于AD630的正交同步檢波電路如圖4所示。其中STM32F407產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED，輸入信號(hào)分別與DDS輸出的同頻正弦參考信號(hào)和90°相移正弦波相乘，產(chǎn)生2個(gè)輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后輸出解調(diào)信號(hào)，解調(diào)信號(hào)經(jīng)過低頻濾波后信號(hào)經(jīng)過24位AD7175對(duì)2個(gè)通道進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到STM32F407數(shù)字處理單元，數(shù)字處理單元分別對(duì)2個(gè)分量進(jìn)行平方和根得到輸入熒光信號(hào)的幅值，從而得到熒光信號(hào)的強(qiáng)度[9-10]。本文中采用可編程FIR/IIR混合數(shù)字低通濾波對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波，可以達(dá)到普通RC濾波器難以達(dá)到的濾波效果，將有用信號(hào)頻率不同的噪聲大部分濾出，大幅提高信噪比。

圖4 基于AD630的正交同步檢波電路

5 對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證正交同步檢波電路在檢測(cè)微弱熒光信號(hào)的可行性與傳感器的可靠性，將基于該正交同步檢波電路功能的傳感器與國(guó)外葉綠素傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比對(duì)，并將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。首先配置一定濃度梯度的葉綠素a標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照一定比例進(jìn)行稀釋配成系列標(biāo)準(zhǔn)液，將該傳感器與國(guó)外葉綠素傳感器分別置于不同濃度的葉綠素a標(biāo)準(zhǔn)溶液并按照一定梯度濃度進(jìn)行混合。將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行曲線擬合后如圖5所示，從圖5可以看出基于該電路完成的傳感器其測(cè)量結(jié)果與葉綠素a濃度成良好的線性關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)最小1 pA光電流的分辨率，基于該電路設(shè)計(jì)的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)最小0.01 μg/L的海水葉綠素a濃度的分辨率，且已達(dá)到了國(guó)外傳感器水平。

圖5 與國(guó)外儀器對(duì)比試驗(yàn)

6 結(jié)束語

本文以熒光檢測(cè)原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)完成了基于AD630正交同步檢波功能的海水葉綠素a含量檢測(cè)的電路，并基于該電路設(shè)計(jì)完成了葉綠素a濃度檢測(cè)傳感器，驗(yàn)證了該電路檢測(cè)微弱熒光信號(hào)的可行性，基于該電路完成的檢測(cè)傳感器不僅能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地反映海水中葉綠素a濃度的變化趨勢(shì)，并不受環(huán)境光等背景光的干擾，提高了儀器運(yùn)行的穩(wěn)定性和抗干擾性，還具有低功耗、便攜化、高精度等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于海洋浮標(biāo)、臺(tái)站等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)載體，具備廣泛的應(yīng)用前景。