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专利名称：一种离子色谱数据采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及离子色谱仪，具体地说是一种离子色谱数据采集装置。
背景技术：
现有技术的离子色谱仪的数据采样，是采用离子色谱输出二路采集的模拟量信 号，经过一阶低通滤波器后，与数据采集装置的A、B通道直接连接的模式。数据采集卡将模 拟信号进行数字量化后，再传送到单片机系统和工作站，进行最终的数据处理、分析、显示 和操作。数据采集装置将模拟信号量化为数字信号，是整个离子色谱分析中至关重要的一 个环节。在实际应用中，当离子色谱仪采集的各个成分的模拟量信号空载时，例如没有与数 据采集装置连接时，会出现比接入数据采集装置后的模拟量数值高几mV的现象。而离子色 谱仪采集的各个成分所对应的模拟信号所要求的信号分辩率常常要求在uV级。一般模数 转换芯片转换位数要求在20位以上，甚至是24位。所以，当离子色谱仪由传感器分离出的 信号高于后级数据采集装置的输入端的电压值几mV时，使得量化后的数字信号不能真实 反映原始信号值本身，不能满足系统的精度要求，极易产生误差。造成这种现象的根本原因 在于离子色谱输出的模拟信号的输出阻抗过高，而24位模数转换装置的输入阻抗又偏低。
发明 内容本实用新型为了克服上述技术中的缺陷，提出一种能够将离子色谱的输出与数据 采集装置通道上的输入电性能完全隔离；使两者之间不因阻抗的问题相互干扰，而造成模 拟信号出现偏差的问题。使其达到数据采集装置采集的模拟信号数值与原离子色谱仪的输 出几乎无差别的离子色谱数据采集装置。本实用新型是由以下技术方案实现的一种离子色谱数据采集装置，包括单片机 系统、24位模数转换和电源部分，在离子色谱输出采集的模拟量信号与24位模数转换之间 装有与24位模数转换装置采集通道数量一致的电压跟随器电路，电压跟随器电路的一端 与离子色谱仪的模拟量输出端连接，另一端与24位模数转换器的输入通道连接。单片机系统内部包括看门狗电路、复位电路、按键电路、显示电路、指示电路、存储 电路、时间电路、打印电路、通信电路、译码电路等，通过三总线(数据总线、地址总线、控制 总线)进行有机的组合和连接。电源为各个电路部分供电，一般常用为士5V，+3. 3V、士 12V、 士 15V直流电源。具体电源可依据对应的电路来制作和连接。离子色谱仪将各个离子成份进行分离后，将其对应的模拟量输出给电压跟随器电 路，电压跟随器电路将输入阻抗提高，以减小对离子色谱输出的要求。同时，隔离离子色谱 与数据采集装置即24位模数转换装置的电气连接关系，并且将离子色谱输出的模拟量信 号值无损失的传递给24位模拟转换装置。24模拟转换装置将传输来的模拟量信号量化为 数字信号后通过SPI总线传递给单片机系统，单片机系统再将此数字信号按一定的要求通 过RS232接口发送给工作站，最终在工作站上对各个离子成分进行处理、分析和显示等操 作。[0007]电压跟随器电路使用运放电路的形式组成。电路构成形式适用于各种放大器类 型，包括普通放大器、运算放大器、仪表放大器等。电压跟随器电路使用晶体管电路的形式组成。晶体管电路构成形式适用于各种晶 体三极管型号。电压跟随器电路使用运放或晶体管电路两种形式的具体组成方式可能不同，但其 原理及作用是相同的。24位模数转换器为A、B双通道模式。目前国内离子色谱仪多采用双通道的数据 采集方式来进行。电压跟随器电路的输入电压与输出电压同相、输入阻抗高、输出阻抗低。通过在离子色谱仪与数据采集装置双通道的A、B通道上分别各新增一个电压跟 随器电路部分，使得离子色谱仪的输出与数据采集装置的电性能是隔离的。新增的电压跟 随器电路的结构使电压增益约等于1，会将离子色谱的模拟输出信号无损失的传递到数据 采集装置A、B通道引脚上来，使得数据采集装置采集的模拟信号数值与原离子色谱仪的输 出几乎无差别。由于离子色谱的输出与数据采集装置通道上的输入在电性能上是完全隔离 的，二者之间不会因阻抗相互干扰造成二者之间的模拟信号出现偏差的问题。另外，电压跟 随器电路本身具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，正好弥补了现有离子色谱在数据采集 过程当中出现的不足。由于电压跟随器电路的输入阻抗高、输出阻抗低的特点，当输入阻抗很高时，相当 于前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，使输出电压不受后 级电路阻抗的影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路具 备隔离作用，前、后级电路之间互不影响。其在电路中实质是一个深度电压串联负反馈电路 结构。实现了对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起隔离作 用和阻抗匹配的作用。当电压跟随器电路使用运放电路的形式组成时，放大器的输出端与放大器的反相 端直接连接，或放大器反相端与放大器的输出端通过串联限流电阻再直接连接；同时电压 跟随器的放大器的同相端串联限流电阻后与离子色谱仪的输出端直接连接。电路组成模式 采用从放大器的同相端输入信号，从放大器的输出端输出信号，将放大器输出端的信号再 直接反馈到放大器的反相端，而且放大器的反相端只与放大器的输出端通过导线或串联限 流电阻的导线直接连接的方式。当电压跟随器电路使用晶体管电路的形式组成时，采用从晶体三极管的基极端连 接模拟输入信号，从晶体三极管的发射端连接模拟输出信号，同时使得基极回路与发射极 回路共地。由于它是一个电压串联负反馈放大电路，具有输入电阻高，输出电阻低，电压放 大倍数接近于1，输出电压能够在较大范围内跟随输入电压作线性变化以及输入、输出信号 同相等特点，并且其输出取自发射极，故也称为射极跟随器。本实用新型的优点是在离子色谱仪与24位模数据转换装置之间，新增与24位模 数转换装置采集通道数量一致的电压跟随器电路部分，使得离子色谱的输出与24位模拟 转换装置的输入之间电性能隔离，避免了因阻抗问题相互干扰，使二者之间的模拟信号出 现偏差，进而对测量数据产生影响的现象发生；因其电压增益约等于1，会将离子色谱的模 拟输出信号无损失的传递到数据采集装置A、B通道引脚上来。使得数据采集装置采集的模拟信号数值与原离子色谱仪的输出几乎无差别。另外，电压跟随器电路本身具有输入阻抗 高，输出阻抗低的特点，正好弥补了现有离子色谱在数据采集过程当中出现的不足。

图1是本实用新型结构示意图；图2是本实用新型第一种实施例的结构示意图；图3是本实用新型第二种实施例的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示本实用新型包括单片机系统、24位模数转换、电源、电压跟随器四部分。单片机系 统通过数据总线、地址总线和控制总线对整个系统进行有机的连接。电源为各个电路部分 供电。24位模数转换装置为A、B双通道模式。离子色谱仪将各个离子成份进行分离后，将 其对应的模拟量输出给电压跟随器，电压跟随器将输入阻抗提高，减小对离子色谱输出的 要求。同时，隔离离子色谱与数据采集装置即24位模数转换装置的电气连接关系，并且将 离子色谱输出的模拟量信号值无损失的传递给24位模拟转换装置。24模拟转换装置将传 输来的模拟量信号量化为数字信号后通过SPI总线传递给单片机系统，单片机系统再将此 数字信号按一定的要求通过RS232接口发送给工作站，最终在工作站上对各个离子成分进 行处理、分析和显示等操作。如图2所示为采用放大器组成电压跟随器电路的一种具体实施方式
。离子色谱将各个离子成份以模拟电压的形式，通过Jl、J6两个2芯插座将模拟信 号传递给电压跟随器电路。电路跟随器则分别从J4、J5两个2芯插座，将信号传递给24位 模数转换装置的A通道和B通道。24位模数转换装置将模拟信号量化为数字信号后再通 过SPI总线发送给单片机系统。单片机系统接收到量化后的数字信号后，按一定的时间间 隔和格式通过RS232接口，最终将数据传输至工作站。工作站接收信号后进行数据分析、处 理、显示等操作过程。电压跟随器电源使用+5V/500mA规格供电。J2为电源插座接口，J2的第1脚接 +5V, J2的第2脚接电源地。Jl接口接离子色谱仪的一路模拟量输出。Jl的第1脚外接离子色谱仪模拟量输 出的正极端，内部则与U3的第3脚相连，即与U3第一组放大器的同相端3脚相连，作为U3 第一组电压跟随器的同相输入端信号。Jl的第2脚接J4的第2脚，为离子色谱仪模拟量一 路输出的负极端。J6接口接离子色谱仪的另一路模拟量输出。J6的第1脚外接离子色谱模拟量另 一路输出的正极端，内部与U3的第5脚相连，即与U3第二组放大器的同相端5脚相连，作 为U3第二组电压跟随器的同相输入端信号。J6的第2脚接J5的第2脚，为离子色谱模拟 量另一路输出的负极端。J4接口为电压跟随器的一路输出端，外接24位模数转换装置的双输入通道中的 一路通道。在此接24位模数转换装置的A通道，其中J4的第1脚接24位模数转换装置A 通道的Aim (+)端，即24位模数转换装置第一组输入端的正极端；J4的第2脚接24位模数转换装置A通道的Aim (-)端，即24位模数转换装置第一组输入端的负极端。J5接口为电压跟随器的第2路输出端，外接24位模数转换装置双输入通道中的另 一路通道。在此接24位模数转换装置的B通道，其中J5的第1脚接24位模数转换装置B 通道的AIN2 (+)端，即24位模数转换装置第二组输入端的正极端；J5的第2脚接24位模 数转换装置B通道的AIN2 (-)端，即24位模数转换装置第二组输入端的负极端。在此24位模数转换装置通道中的A、B通道名称，是为区别于24位模数转换装置 中的两组输入通道而起的名称，其名字不代表24位模数转换装置中的引脚名称。U3的2脚为第一组放大器的反相端，与U3第一组的输出端1脚相连，形成一个电 压增益为1的负反馈电路形式。U3的1脚作为第一组电压跟随器的输出端最后通过J4插座上的第1脚将Jl第1 脚输入的信号无损失的传递到24位模数转换装置双通道其中一个通道A通道上，进行数字
量化处理。U3的第6脚为第二组放大器的反相端，与U3第二组的输出端7脚相连。形成一个 电压增益为1的负反馈电路形式。U3的第7脚作为第二组电压跟随器的输出端最后通过J5插座上的第1脚将J6第 1脚输入的信号无损失的传递到24位模数转换装置双通道上的另一个通道B通道上，进行
数字量化处理。U3第4脚为接地端，与J2的第2脚相连。U3的第8脚则为电源输入端，与J2的 第1脚相连，接+5V直流电源。如图3所示为采用晶体管电路组成电压跟随器电路的第二种具体实施方式
。电压跟随器电源使用+12V直流供电。Jl为电源插座接口 . Jl的第1脚接+12V， J2的第2脚接电源地。Ql为NPN型三极管，在此型号选用3DG12。R7和Rl为Ql的基极提供电源。R4为 发射极限流电阻。Cl、C4均为IOuF的极性电容，在电路中称为耦合电容，同时起隔离直流 成份的作用。C5为无极性电容，在此为Ql输出的电压信号进行滤波，其容量值取0. OluF0Q2也为NPN型三极管，在此型号选用3DG12。R8和R2为Q2的基极提供工作电 流。R3为发射极限流电阻。C2、C3均为IOuF的极性电容，在电路中称为耦合电容。同时起 隔离直流成份的作用。C6为无极性电容，在此为Q2输出的电压信号进行滤波，其容量值取 0.OluF0J2外接离子色谱输出的一路模拟量信号。其中J2的第1脚外接该模拟量信号的 正输入端，内接Ql的基极输入端。由于Ql三极管的基极与发射极同相位，且与发射极共 地，所以此接法也称为共射极跟随电路，其电压增益近似为1。三极管在制作工艺已保证了 其输入高阻抗，输出低阻抗，且在原理上实现了输入与输出隔离。因此能够将J2第1脚输 入来的信号值几乎无损失的传递到J4的第1脚上。J4作为一路电压跟随器的输出插座。外接24位模数转换装置双通道中的一路输 入通道，即24位模数转换装置的A通道，将离子色谱传递来的模拟量信号无损失的传递到 24位模数转换装置上去。J4的第2脚与J2的第2脚直接相连，用于传递离子色谱传递来 的模拟量信号的负极端。此端引脚常用于与电源地相连。J3外接离子色谱输出的另一路模拟量信号。其中J3的第1脚外接该模拟量信号的正输入端，内接Q2的基极输入端。由于Q2三极管的基极与发射极也同相位，且与发射极 共地，所以此接法也称为共射极跟随电路，其电压增益近似为1。三极管在制作工艺已保证 了其输入高阻抗，输出低阻抗，且在原理上实现了输入与输出隔离，因此能够将J3第1脚输 入来的信号值几乎无损失的传递到J5的第1脚上。 J5作为另一路电压跟随器的输出插座。外接24位模数转换装置双通道中的另一 路输入通道，即24位模数转换装置的B通道。将离子色谱传递来的模拟量信号无损失的传 递到24位模数转换装置上去。J5的第2脚与J3的第2脚直接相连，用于传递离子色谱传 递来的模拟量信号的负极端。此端引脚也常用于与电源地相连。
权利要求一种离子色谱数据采集装置，包括单片机系统、24位模数转换和电源部分，其特征在于在离子色谱输出采集的模拟量信号与24位模数转换之间装有与24位模数转换装置采集通道数量一致的电压跟随器电路，电压跟随器电路的一端与离子色谱仪的模拟量输出端连接，另一端与24位模数转换器的通道连接。
2.根据权利要求1所述的一种离子色谱数据采集装置，其特征在于电压跟随器电路使 用运放电路的形式组成。
3.根据权利要求1所述的一种离子色谱数据采集装置，其特征在于电压跟随器电路使 用晶体管电路的形式组成。
4.根据权利要求1所述的一种离子色谱数据采集装置，其特征在于24位模数转换器为 A、B双通道模式。
5.根据权利要求1所述的一种离子色谱数据采集装置，其特征在于电压跟随器电路的 输入电压与输出电压同相、输入阻抗高、输出阻抗低。
6.根据权利要求2所述的一种离子色谱数据采集装置，其特征在于放大器组成电压跟 随器输出端与放大器的反相端直接连接，或放大器反相端与放大器的输出端通过串联限流 电阻再直接连接；并且电压跟随器的放大器的同相端串联限流电阻后与离子色谱仪的输出 端直接连接。
7.根据权利要求3所述的一种离子色谱数据采集装置，其特征在于晶体三极管的基极 端连接模拟输入信号，晶体三极管的发射端连接模拟输出信号，基极回路与发射极回路接 地。
专利摘要一种离子色谱数据采集装置，包括单片机系统、24位模数转换和电源部分，在离子色谱输出采集的模拟量信号与24位模数转换之间装有与24位模数转换装置采集通道数量一致的电压跟随器电路，电压跟随器电路的一端与离子色谱仪的模拟量输出端连接，另一端与24位模数转换器的输入通道连接。离子色谱输出与模拟转换装置的输入之间电性能隔离，避免了因阻抗问题造成模拟信号偏差影响测量数据的现象；因电压增益约等于1，离子色谱的模拟输出信号可以无损失的传递到数据采集装置，使采集的模拟信号数值与原离子色谱仪的输出几乎无差别；另外，电压跟随器电路输入阻抗高，输出阻抗低的特点弥补了现有离子色谱在数据采集过程中出现的不足。
文档编号G01N30/96GK201716302SQ20102020799
公开日2011年1月19日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者王钧 申请人:青岛盛瀚色谱技术有限公司