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专利名称：微电流化学信号拾取装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及信号采集领域，特别涉及一种微电流化学信号拾取装置。
背景技术：
化学信号是指与化学过程中相关的化学信息，可以通过测量化学过程产生的物理和化学信号而获取。物理变化被特定的化学和物理传感器所感知而转换成电信号。这些电信号进过测量和处理后便组成化学数据即化学信息。微电流化学信号是通过离子化检测器基于高压电极间隙的气体导电性，即气体中的一些分子以带电粒子(正离子、负离子、离子)在高压电场的作用下，产生的微电流信号，从而反映了化学信息。皮安PA级微电流信号拾取技术是当前色谱、质谱、光谱等分析仪器中信号采集的 重要环节，是直接影响仪器的性能、检测灵敏度、测量数据精确度和检测的动态范围等技术性指标。微电流信号拾取研究中的重点是如何消除噪声，从强噪声中拾取有用的信号，以此提高系统的信号的信噪比。在测量微电流信号时，必须首先进行微弱的电流信号(PA级电流)到电压信号的转换，并放大处理，由此引起基于微弱信号中的背景噪声也随之放大，从而使测量的灵敏度和精确度会受到一定的限制。在高压静电场作用下，当化学物质在被激发源激发后，形成了正离子、负离子和电子，其中正离子移向负极，负离子和电子移向正极，形成了微小离子电流信号，其电流的大小为皮安(PA，10_12)到微安(uA，10_6)。微电流信号中存在着系统噪声和不同化学物质的浓度信息(即电流强度)，需将微电流信号中的噪声滤除，并数字量化处理，以方便对数字化的化学信息做进一步优化及分析。信号噪声是一种特殊的干扰，是由于系统设计中包括印板设计、元器件(放大器)、外界电磁干扰、电源系统、电子热运动等引起，是无法可避免的。噪声根据频谱分析可分为三种来源，即σ 2 = σ w2+o f2+o /，其中ow称为白噪声，of称为Ι/f噪声，Oi称为干扰噪声，σ 2表示总的功率等于各噪声功率之和。而其中白噪声的频谱在频率轴方向上功率密度处处相等。在化学信号测量中，接近O测量(直流)频率段处的噪声为低频噪声，而其他噪声称为高频噪声，高频噪声反映了短时间的功率，并且有效化学信号基本为低频正态非周期性信号，因此可选用软件连续信号测量平均和硬件高频过滤方法来滤除噪声。低频噪声(即白噪声)来源于电子热运动、光子或离子的不规则运动、电子的自发运动，而有效化学信号的检测基本都是对正、负电子在高压电场中运动而产生的微弱电信号的强弱来表示其化学信息。白噪声寄生于有效的化学信号中，能影响系统检测的信噪比(即信号强度S和噪声强度N的比值，S/N)和灵敏度，因此低频滤波是化学数据采集中关键的技术。从微电流信号中拾取有效信号，传统方法采用电流-电压转换技术(I-V转换技术)，即将高输出阻抗电流转换为低输出阻抗电压，使用一个高阻电阻与一个低偏置电流较高输入阻抗的放大器组成一个跨阻放大器。其原理图如图I所示，输出电压与输入电流之间的关系为[0008]Vout = -Ii X Rf其中Vout为输出电压，Ii为微电流化学信号的电流，Rf为高阻电阻。根据以上原理，当输入pA级微电流信号转换成电压信号时，需要兆欧姆(ΜΩ)或千兆欧姆(GQ)的高阻电阻作为反馈电阻，其放大倍数达到IO9或101(1，是一种线性放大。微弱信号和噪声几乎处于同一数量级，有效信号很容易淹没于噪声中，不利于信号的后续处理。此方法的缺点在于放大增益太大，对于微电流信号中的有效信号和噪声同时进行放大，输出噪声功率也增大，并没有有效改善输入信号中的信噪比；动态范围窄，其瞬间动态范围通常小于30dB，信号量程只能通过机械开关(干簧继电器)进行切换，应用方面具有一定的局限性。

实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种微电流化学信号拾取装置，使得信号的信噪比有 了显著降低，并提高了信号的动态范围。为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种微电流化学信号拾取装置，包含微电流对数放大处理器、模数转换器、信号噪声低通滤波器、计算机化学数据处理器、CPU控制器；所述微电流对数放大处理器与模数转换器相连，所述CPU控制器分别与所述微电流对数放大处理器、所述模数转换器、所述信号噪声低通滤波器和所述计算机化学数据处理器相连；其中，所述微电流对数放大处理器包含对数转换器和反对数转换器，所述对数转换器将从所述微电流对数放大处理器的输入端接收到的微电流化学信号转换成与输入微电流成对数关系的电压信号，将转换后得到的电压信号输入到所述反对数转换器，该反对数转换器将所述与输入微电流成对数关系的电压信号进行反对数处理生成与输入微电流成线性关系的电压信号，该电压信号从所述微电流对数放大处理器的输出端输出给所述模数转换器；所述模数转换器将接收到的电压信号转换为数字信号输出给所述CPU控制器，由所述CPU控制器将该数字信号输出给所述信号噪声低通滤波器；所述信号噪声低通滤波器对接收到的数字信号进行低通滤波处理后输出给所述CPU控制器，由所述CPU控制器将该滤波后的数字信号输出给所述计算机化学数据处理器；所述计算机化学数据处理器将滤波后的数字信号的处理结果输出给CPU控制器。本实用新型实施方式相对于现有技术而言，采用“非线性压缩”动态范围技术，SP对数转换器，利用对数函数可以压缩系统信号的动态范围，以及对于小信号呈现大增益的功能，提高信号的动态范围；但其电流与电压之间关系是一种对数关系，因此采用了反对数转换器，将与输入电流成对数关系的输出电压进行反对，从而使最终的输出电压与输入微电流成线性关系；由于对信号和叠加在信号上的噪声的压缩比对基线上信号的压缩更大，因此信号的信噪比也有了显著的降低。另外，所述对数转换器具有对数转换器晶体管，利用该对数转换器晶体管将所述微电流化学信号转换成与输入微电流成对数关系的电压信号，从而提高信号的动态范围；而所述反对数转换器具有反对数转换器晶体管，利用该反对数转换器晶体管将所述与输入微电流成对数关系的电压信号进行反对数处理生成与输入微电流成线性关系的电压信号，并对应放大，有利于后续的模数转换处理。优选地，所述对数转换器和所述反对数转换器具有温度补偿管，进一步对对数转换器晶体管和反对数转换器晶体管的失调性和温度补偿性做出补偿，以及实现对微电流信号转换成电压的对应放大，有利于模数转换器将模拟的微电流化学信号转换成数字信号。优选地，所述信号噪声低通滤波器为数字高斯滤波器。可以减少模拟滤波器中存在的与温度、元器件相关的噪声，以及与时间相关的噪声。优选地，所述信号噪声低通滤波器为三次均值滤波器。计算简单，易于实现。

图I是现有技术中电流-电压转换原理图；图2是根据本实用新型第一实施方式的微电流化学信号拾取装置的结构示意图；图3是对数转换器的结构图；图4是反对数转换器的结构图；图5是具有温度补偿管的对数转换器和反对数转换器连接图；图6是根据本实用新型第三实施方式的微电流化学信号拾取装置的高斯滤波器的实时数据缓冲区f (η)的分布图；图7是根据本实用新型第三实施方式的微电流化学信号拾取装置的高斯滤波器的一次均值滤波后数字信号fl(n)的分布图；图8是根据本实用新型第三实施方式的微电流化学信号拾取装置的高斯滤波器的二次均值滤波后数字信号f2(n)的分布图；图9是根据本实用新型第三实施方式的微电流化学信号拾取装置的高斯滤波器的三次均值滤波后数字信号f3(n)的分布图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。本实用新型的第一实施方式涉及一种微电流化学信号拾取装置，如图2所示，包含微电流对数放大处理器、模数转换器、信号噪声低通滤波器、计算机化学数据处理器、CPU控制器。微电流对数放大处理器与模数转换器相连，CPU控制器分别与微电流对数放大处理器、模数转换器、信号噪声低通滤波器和计算机化学数据处理器相连。其中，微电流对数放大处理器包含对数转换器和反对数转换器，对数转换器将从微电流对数放大处理器的输入端接收到的微电流化学信号转换成与输入微电流成对数关系的电压信号，将转换后得到的电压信号输入到反对数转换器，该反对数转换器将与输入微电流成对数关系的电压信号进行反对数处理生成与输入微电流成线性关系的电压信号，该电压信号从微电流对数放大处理器的输出端输出给模数转换器。此外，对数转换器具有对数转换器晶体管，利用该对数转换器晶体管将微电流化学信号转换成与输入微电流成对数关系的电压信号，从而提高信号的动态范围；而反对数转换器具有反对数转换器晶体管，利用该反对数转换器晶体管将与输入微电流成对数关系的电压信号进行反对数处理生成与输入微电流成线性关系的电压信号，并对应放大，有利于后续的模数转换处理。如图3所示是对数转换器原理图，图中对数转换器晶体管的“基-射”电压Ube与射极输出电流Ie之间具有相当精确的对数关系，可用式①表示
JqUbe = Ut In —①
Is Ii = Ie②Vout = -Ube ③根据式①、②和③推导出输入微电流Ii与输出电压Vout之间的对数关系用下式表不 HVout - -Ut In —④
Is
kT其中I s为PN结的反向饱和电流；Ut为温度的电压当量，即为常数％= —，T为
q
热力学温度，q是电子的电荷量冰为玻耳兹曼常数；Ii是输入微电流信号的电流。使用对数转换器后，利用半导体晶体管的伏安特性的非线性，将微电流化学信号转换成与输入微电流成对数关系的电压信号，具有提高动态范围的作用，但其电流与电压之间关系是一种对数关系，而不是线性关系，因此采用了反对数转换器，将输出电压进行反对，将与输入微电流成对数关系的电压信号进行反对数处理生成与输入微电流成线性关系的电压信号。其将“基-射”工作于非线性区的对数转换器的输出电压，由反馈支路移至反相运算放大器的输入回路中，即组成了简单的反对数转换器，如图4所示。对数转换器和反对数转换器中电流和电压之间的关系如下Ii = Ie = If⑤Vout = -If X Rf = -IeX Rf⑥Ie = Is^ 根据式⑥和⑦推导出输入电流与输出电压之间的关系式如下
Ube Vout = -IsxRf X eUT 其中，If为反馈电流，Rf为反馈电阻，Ube为对数转换器晶体管的“基-射”电压，Ii是反对数转换器中电流。由以上公式可以看出，采用对数、反对数放大器将微弱信号进行电流-电压转换。传统高阻放大是一种线性放大，对于PA至uA级电流的检测范围，需多级放大满足其满足分辨率，PA至纳安nA电流范围放大IO9倍，nA至uA电流范围放大IO8倍；存在着放大倍数过大，基线噪声也放大的缺点。本实施方式的动态范围与传统的高阻放大相比，采用对数反对数放大电流，提高动态范围，微电流信号以幂函数放大，即非线性放大，其线性校正再通过软件进行处理。模数转换器将接收到的电压信号转换为数字信号输出给CPU控制器，由CPU控制器将该数字信号输出给信号噪声低通滤波器。信号噪声低通滤波器对接收到的数字信号进行低通滤波处理后输出给CPU控制器，由CPU控制器将该滤波后的数字信号输出给计算机化学数据处理器。计算机化学数据处理器将对滤波后的数字信号的处理结果输出给CPU控制器。本实用新型的第二实施方式涉及一种微电流化学信号拾取装置。第二实施方式在第一实施方式基础上做了进一步改进，其改进之处在于在本实用新型第二实施方式中，对数转换器和反对数转换器具有温度补偿管，进一步对对数转换器晶体管和反对数转换器晶体管的失调性和温度补偿性做出补偿，以及实现对微电流信号转换成电压的对应放大，有利于模数转换器将模拟的微电流化学信号转换成数字信号。如图5所示。 对数和反对数转换器在微电流信号拾取的实际应用中，需考虑对数和反对数晶体管的失调性和温度补偿性，以及对微电流信号转换成电压信号的对应放大，有利于模数转换器将模拟的微电流化学信号转换成数字信号。图5中Ql和Q2是一种低噪声双匹配的PNP晶体管，Ql-A是对数转换器晶体管，Ql-B是对数管Ql-A的温度补偿管；Q2_B是反对数转换晶体管，Q2-A是反对数管Q2-B的温度补偿管。在本实施方式中，输入微电流与输出电压之间的关系如下Vout = Rf x^-x Ii 其中，Vout为输出电压，Ii为输入微电流化学信号的电流，R，Rf为电阻值，V,ef为参考电压，微电流的拾取范围在IpA至9. 34uA之间。对数转换器和反对数转换器在微电流信号的应用中对输入信号的动态范围从一般线性放大器的30dB提高到本实施方式的200dB，提高了信号动态范围；由于对信号和叠加在信号上的噪声的压缩比对基线上信号的压缩更大，因此信号的信噪比也有了显著的降低。本实用新型第三实施方式涉及一种微电流化学信号拾取装置，第三实施方式在第一实施方式基础上做了进一步改进，其改进之处在于在本实用新型第三实施方式中，信号噪声低通滤波器为数字高斯滤波器。采用软件高斯滤波器对模数转换器生成的数字信号进行低通滤波处理，可以减少模拟滤波器中存在的与温度、元器件相关的噪声，以及与时间相关的噪声。高斯滤波器无论在空间域还是在频率域都是一种有效的低通滤波器，凭借其优良的特性，被广泛应用于信号处理、信号检测等领域。对于在实时采集数据中任意位i数据，其输出高斯方程为
I/'2A (O = —P= exp(- τ)⑨
2^m 4a式中a为常数。由于式⑨中存在指数函数，因此在计算上很复杂。在实际应用中，可以使用均值滤波器多次逼近，一般采用大于或等于三次逼近来近似计算ga(i)。推导公式如下对于η位的数字信号为f (η) = {β1；β2,β3,……an}，以窗口宽度N = 5为例，采用三级均值滤波逼近高斯方法。I) 一次均值滤波后数字信号为fl (n) = {b1； b2, b3, ......bn},其计算式如下
权利要求1.一种微电流化学信号拾取装置，其特征在于，包含微电流对数放大处理器、模数转换器、信号噪声低通滤波器、计算机化学数据处理器、CPU控制器； 所述微电流对数放大处理器与模数转换器相连，所述CPU控制器分别与所述微电流对数放大处理器、所述模数转换器、所述信号噪声低通滤波器和所述计算机化学数据处理器相连； 其中，所述微电流对数放大处理器包含对数转换器和反对数转换器，所述对数转换器将从所述微电流对数放大处理器的输入端接收到的微电流化学信号转换成与输入微电流成对数关系的电压信号，将转换后得到的电压信号输入到所述反对数转换器，该反对数转换器将所述与输入微电流成对数关系的电压信号进行反对数处理生成与输入微电流成线性关系的电压信号，该电压信号从所述微电流对数放大处理器的输出端输出给所述模数转换器； 所述模数转换器将接收到的电压信号转换为数字信号输出给所述CPU控制器，由所述CPU控制器将该数字信号输出给所述信号噪声低通滤波器； 所述信号噪声低通滤波器对接收到的数字信号进行低通滤波处理后输出给所述CPU控制器，由所述CPU控制器将该滤波后的数字信号输出给所述计算机化学数据处理器； 所述计算机化学数据处理器将对滤波后的数字信号的处理结果输出给CPU控制器。
2.根据权利要求I所述的微电流化学信号拾取装置，其特征在于，所述对数转换器具有对数转换器晶体管，利用该对数转换器晶体管将所述微电流化学信号转换成与输入微电流成对数关系的电压信号； 所述反对数转换器具有反对数转换器晶体管，利用该反对数转换器晶体管将所述与输入微电流成对数关系的电压信号进行反对数处理生成与输入微电流成线性关系的电压信号。
3.根据权利要求2中所述的微电流化学信号拾取装置，其特征在于，所述对数转换器和所述反对数转换器具有温度补偿管。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的微电流化学信号拾取装置，其特征在于，所述信号噪声低通滤波器为数字高斯滤波器。
5.根据权利要求I至3中任一项所述的微电流化学信号拾取装置，其特征在于，所述信号噪声低通滤波器为三次均值滤波器。
专利摘要本实用新型涉及信号采集领域，公开了一种微电流化学信号拾取装置。本实用新型中，利用半导体晶体管的伏安特性的非线性，采用对数转换器将微电流化学信号转换成与输入微电流成对数关系的电压信号，从而提高信号的动态范围；采用反对数转换器将与输入微电流成对数关系的电压信号进行反对数处理生成与输入微电流成线性关系的电压信号，从而使输出电压与输入电流成线性关系。由于对信号和叠加在信号上的噪声的压缩比对基线上信号的压缩更大，因此信号的信噪比也有了显著的降低。
文档编号G01N27/49GK202548093SQ20122011765
公开日2012年11月21日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者王勇军 申请人:上海市计算技术研究所