专利名称：一种用于水质监测设备中的双锁相放大器的利记博彩app
技术领域：
本发明属于模拟电路及仪器设计领域，具体涉及一种用于水质监测设备中的双锁相放大器。
背景技术：
锁相放大器(Lock-1n Amplifier，简称LIA)主要用于检测信噪比很低的微弱信号，即使有用信号被淹没在噪声信号中，噪声信号比有用的信号大很多，只要已知有用信号的频率值，就能准确测量出这个信号的振幅值。锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于输入信号中某一特定频率(参考信号的频率)的信号幅值，而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献；所以锁相放大器必须保证输入的有用信号和参考信号频率一样，且两者的相位差不变，并且有用信号的振幅保持稳定，其输出的直流电压信号大小才与有用信号的振幅成正比，此比例和锁相放大器的放大倍数、输入信号和参考信号的相位差有关。因此，现有锁相放大器在应用时需要知道输入信号的频率，且必须保持输入信号和参考信号的相位差不变；而在实际应用中，在很多场合，由于各种原因(器件的延时，温湿度的变化，化学试剂导致光信号的变化)会导致输入信号中有用信号的相位发生变化，且这种变化又是不可估计和测量的，因此，要从噪声中提取微弱的有用信号，即使知道有用信号的频率，一旦有用信号和参考信号的相位差发生变化，锁相放大器输出的直流电压值就会不准确，且不稳定，这将直接导致监测仪器的测量结果不准确，不稳定。此外，现有水质监测设备仪器，尤其是水质在线监测仪器，普遍存在因抗外界干扰能力差、环境适应性不强导致的测量结果的示值误差和重复性误差偏大等问题。
发明内容
本发明目的是:提供一种能够实现对提取出的有用信号的振幅进行准确、稳定测量的用于水质监测设备中的双锁相放大器。本发明的技术方案是:一种用于水质监测设备中的双锁相放大器，包括:信号转换单元、信号调整单元、双锁相放大器单元和MCU单元。参考信号Z经信号转换单元的电光转换、光电转换和初始信号处理后转换为杂波、噪声和有用信号共存的信号Z’ ；信号Z’经信号调整单元的滤波、放大及反相处理后得到两个相位完全相反的信号A和B ;信号A和B经双锁相放大器单元分别与参考信号X和Y相乘，之后再经滤波和放大后得到信号A’和B’ ；最后，MCU单元将信号A’和B’进行AD采样和数字信号处理，输出目标信号；同时MCU单元为双锁相放大器单元和信号转换单元提供参考信号X、Y和Z。以下结合各个模块详述双锁相放大器的信号处理方法。(I)信号转换单元，
信号转换单元，主要包含电光转换模块、目标反应模块、光电转换模块和AC放大器。此单元首先通过电光转换将参考信号Z转换成随参考信号Z变化的原始光源信号Zl，光信号Zl经目标反应后变成Z2，Z2再经光电转换变换成Z3，而Z3是由参考信号Z控制，和目标反应中检测物质溶度变化有关，Z3经初步的AC放大器后变成Z’。由于电光转换模块的失真、目标反应中存在干扰因素、背景光对Z2的影响、光电转换和AC放大器的失真及各电路的热噪声等诸多因素的影响，最后得到的Z’信号带有很多杂波。本单元主要目的是得到一个频率可控(频率与参考信号Z相同且由MCU控制)的信号Z’，且此信号中包含经过目标反应之后的有用信号。(2)信号调整单元，
信号调整单元，包含带通滤波器、AC放大器、跟随和反相模块。带通滤波器单元可将从信号转换单元得到的带有很多杂波的电信号Z’经过本带通滤波器的滤波处理，得到所需的与参考信号Z频率相同的有用信号Z’ ’，随后，将此信号Z’’传输给々(:放大器进行放大，得到2’’’，2’’’经过跟随和反相处理，得到两个无延时、相位完全相反、振幅相同的信号A和B。此单元主要从Z’中提取出有用信号A和B。A、B两信号的频率皆与参考信号Z相同，且其振幅跟目标反应相关。(3)双锁相放大器单元，
双锁相放大器单元，包含模拟开关、低通滤波器和DC放大器。由与参考信号Z的频率相同、相位差为90°的参考信号X、Y来控制模拟开关的通断，从而对信号调整单元输出的两信号A和B进行分时导通，得到另外两个不同的交流信号Al和BI。此单元相当于一个模拟乘法器，可将有用信号Α、B和参考信号X、Y进行相乘，得到Al和BI ;低通滤波器模块里包含两路完全一样的低通滤波器，分别对Al和BI进行低通滤波处理，得到两个直流信号Α2和Β2 ；DC放大器模块中包含两个DC放大器，分别对A2和B2进行DC放大处理，得到两个放大后的直流信号A’和B’。此单元是本发明的核心单元。它将有用信号A和B转换为直流信号A’和B’，而直流信号A’和B’的电压信号跟有用信号A和B的振幅相关，其值大小由目标反应决定。(4) MCU 单元，
MCU单元，包含AD采样和MCU。AD采样模块，包含两路AD采样器，分别对直流信号A’和B’进行采样处理，得到两个数字信号VA和VB ;最后，MCU对VA和VB进行数字运算，得到目标数据。此外，信号转换单元和双锁相放大器单元所需要的3个参考信号X、Y、Z均由MCU产生。本单元主要用于产生参考信号X、Y、Z，计算直流信号Α’和B’的大小并进行运算，从而得出有用信号A和B的振幅大小，最后可得到目标反应之后的目标信号。应用方式:在原有水质监测设备中加入双锁相放大器，即在主板中设计相关电路，在芯片中嵌入对应程序；对测试流程中比色反应得到的光信号进行信号转换、信号调整、双锁相放大，随后进行采样和运算，得到目标信号值即反应产物的吸光度值；最后根据标准曲线得到样品中的目标物质含量。有益效果:
(O提高现有水质监测仪器的抗干扰能力，增强环境适应性；
(2)与未应用该双锁相放大器相比，仪器测量结果的示值误差减少2%-10%；
(3)与未应用该双锁相放大器相比，仪器测量结果的重复性误差减少2%-9%；
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
图1为本发明的双锁相放大器结构示意图。图2为信号转换单元结构示意图。图3为信号调整单元结构示意图。图4为双锁相放大器单元结构示意图。图5为MCU单元结构示意图。图6为双锁相放大器应用在水质监测设备中的原理图。
具体实施例方式实施例:如图1所示的双锁相放大器包括:信号转换单元、信号调整单元、双锁相放大器单元和MCU单元。(I)信号转换单包括元:电光转换、比色池、光电转换和AC放大器，如图2所示。电光转换由一个频率为350HZ的参考信号Z控制的，可控恒流源来驱动LED发光；恒流源中所用稳压三极管为TL431，参考信号Z的控制电路由S8050和FDN336P组成，经电光转换，Z转化为原始光源信号Zl。比色池是一个能够对抽取的水样进行自动加热、温控的透明容器，在420nm波长灯的照射下经目标反应后，Zl转变成Z2。光电转换是一个由硅光电池接收光信号Z2，再经IV转换，转换为电流信号Z3的电路，所用IV转换芯片为0PA656U。放大器是一个具有高精度和高增益带宽比的放大电路，所用运放为0PA2140，Z3经初步的AC放大器后变成一个跟参考信号Z频率相同的信号Z’。(2)信号调整单元，包含带通滤波器、AC放大器、跟随和反相，如图3所示。带通滤波器采用通用有源滤波器芯片UAF42AU，可将从信号转换单元得到的带有很多杂波的电信号Z’经过滤波处理，得到所需的特定频率(350HZ)的有用信号Z’ ’。放大器是一个具有高精度和高增益带宽比的放大电路，将信号Z’’放大后得到Z’’’，所用运放为0PA2140。之后，Z’ ’ ’经过跟随和反相处理，得到两个相位完全相反，振幅相同的信号A和B，跟随和反相所用运放为0PA2140。(3)双锁相放大器单元，包含模拟开关、低通滤波器和DC放大器，如图4所示。模拟开关由特定频率(350HZ)、特定相位(相位差为90° )的参考信号X、Y来控制模拟开关的通断，从而对信号调整单元输出的两信号A和B进行分时导通，得到另外两个不同的交流信号Al和BI ;该模拟开关采用具有4路开关的芯片DG413，此芯片内部自带死区时间锁存。低通滤波器采样普通的RC低通滤波器，时间常数为6S ;该模块中包含两路完全一样的低通滤波器，分别对Al和BI进行低通滤波处理，得到两个直流信号Α2和Β2。放大器是一个具有高精度和高增益的放大电路，所用运放为0ΡΑ2140 ;该模块中包含两个DC放大器，分别对Α2和Β2进行DC放大处理，得到直流信号Α’和B’。
(4) MCU单元，包含AD采样和MCU，如图5所示。采样模块采用MCU内部自带的AD模块，包含两路AD采样器，分别对直流信号A’和B’进行采样处理，得到两个数字信号VA和VB。选用TMS320F2808处理器，对VA和VB进行数字运算，得出有用信号A和B的振幅大小，进而得到目标数据即比色反应之后溶液的吸光度。应用方式:如图6所示，在原有COD水质在线分析仪(量程为0_80mg/L)中加入双锁相放大器，即在主板中设计相关电路，在芯片中嵌入对应程序，对测试流程中比色反应得到的光信号进行信号转换、信号调整、双锁相放大，随后进行采样和运算，得到目标信号值即反应产物的吸光度值；最后根据已有标准曲线得到水样中COD浓度值。经测试，在原有量程为0_80mg/L的COD水质在线分析仪设备中加入双锁相放大器后，在昼夜温差为I (TC左右的条件下，连续24h检测COD浓度分别为50、30、15、10mg/L的实际水样，检测结果与未应用该双锁相放大器相比:
显著提高COD水质在线分析仪的抗干扰能力，增强环境适应性；
仪器测量结果的示值误差分别由5.2%、8.6%、11%、15%降至3%、4.5%、6.2%、8.1% ；
仪器测量结果的重复性误差分别由3.8%、9.2%、12.5%、16.1%降至1.2%、3.9%、6.7%、7.4%。
权利要求
1.一种用于水质监测设备中的双锁相放大器，其特征在于，包括: 信号转换单元，包括电光转换模块、目标反应模块、光电转换模块和AC放大器，电光转换模块通过目标反应模块与光电转换模块相连，所述光电转换模块与AC放大器相连； 信号调整单元，包括带通滤波器、AC放大器、跟随和反相模块，AC放大器的输出与带通滤波器相连，带通滤波器通过AC放大器与跟随和反相模块相连； 双锁相放大器单元，包括模拟开关、低通滤波器和DC放大器，跟随和反相模块的输出与模拟开关相连，模拟开关通过低通滤波器与DC放大器相连； MCU单元，包括AD采样模块和MCU，AD采样模块与DC放大器的输出相连，AD采样模块的输出与MCU相连。
2.一种用于水质监测设备中的双锁相放大器的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤: (O电光转换模块将参考信号Z转换成随参考信号Z变化的原始光源信号Zl，光信号Zl经目标反应模块后变成信号Z2，信号Z2再经光电转换模块变换成信号Z3，信号Z3经初步的AC放大器后变成信号Z’ ； (2)带通滤波器单元将从信号转换单元得到信号Z’进行滤波处理，得到信号Z’’，AC放大器对信号Z’ ’进行放大，得到信号Z’ ’ ’，信号Z’ ’ ’通过跟随和反相模块处理后得到两个无延时、相位完全相反、振幅相同的信号A和B ; (3)由与参考信号Z的频率相同、相位差为90°的参考信号X、Y来控制模拟开关的通断，从而对信号调整单元输出的两信号A和B进行分时导通，得到另外两个不同的交流信号Al和BI，然后分别对Al和BI进行低通滤波处理，得到两个直流信号A2和B2 ；DC放大器模块中包含两个DC放大器，分别对A2和B2进行DC放大处理，得到两个放大后的直流信号A’和B，； (4)由两路AD采样器分别对直流信号A’和B’进行采样处理，得到两个数字信号VA和VB ;最后，MCU对VA和VB进行数字运算，得到目标数据。
3.一种水质监测设备，其特征在于，包括权利要求1所述的用于水质监测设备中的双锁相放大器。
全文摘要
本发明公开了一种用于水质监测设备中的双锁相放大器，其特征在于，包括信号转换单元，包括电光转换模块、目标反应模块、光电转换模块和AC放大器，电光转换模块通过目标反应模块与光电转换模块相连，所述光电转换模块与AC放大器相连；信号调整单元，包括带通滤波器、AC放大器、跟随和反相模块，AC放大器的输出与带通滤波器相连，带通滤波器通过AC放大器与跟随和反相模块相连；双锁相放大器单元，包括模拟开关、低通滤波器和DC放大器，跟随和反相模块的输出与模拟开关相连，模拟开关通过低通滤波器与DC放大器相连；MCU单元，包括AD采样模块和MCU，AD采样模块与DC放大器的输出相连，AD采样模块的输出与MCU相连。本发明能够实现对提取出的有用信号的振幅进行准确、稳定的测量。
文档编号G01N21/01GK103107788SQ20121043862
公开日2013年5月15日 申请日期2012年11月6日 优先权日2012年11月6日
发明者谢明明, 李伟, 李红丽, 庄晓东 申请人:苏州聚阳环保科技有限公司