空气离子测量系统的设计.pdf

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1、万方数据2013正第3期仪表技术与传感器InstrumentTechniqueandSensor2013No．3空气离子测量系统的设计李庆，甘罕，李文昭(河北大学静电研究所，河北保定071000)摘要：针对空气离子的不稳定性，设计了一种抗干扰能力强的程控增益微电流放大电路系统，包括I—V转换电路、前置放大电路和低通滤波电路。系统采用STM32实现对数字电位器及继电器的自动控制，根据空气离子浓度的变换来自动调节增益，从而得到最佳的AD转换量程，最终精确得出空气离子浓度值。关键词：程控增益；微电流；前置放大电路；低通滤波电路中图分类号：TH7文献标识码：A文章编号：1002—1841(2

2、013)03—0064—02DesignofAirIonMeasurementSystemLIQing，GANHan，LIWen·zhao(ElectrostaticResearchInstitute，HebdUniversity，Baoding071002，China)Abstract：Aimedatairioninstability，thispaperdesignedakindofmicro-currentamplifiercircuitsystem．Thesystemhasstrongercapacityofresistingdisturbance．ItWascontrolle

3、dbyprogram．ItincludedI-Vconversioncircuit，amplifiercircuitandalow—passfiltercircuit．ItusedSTM32toacheievethecontorlofdigitalpotentiometerandrelay．Accordingtotheairioneoncentra-tion，STM32Canautomaticallyadjustthegainofoperationalamplifier．ThenitwillgettheoptimalADconversionrange．Finallyitprecise

4、lygetthatairionconcentrationvalue．Keywords：gajncontrollable；nliero-current；amplifiercircuit；low-passfiltercircuit0引言由于空气离子浓度的测量范围比较宽，若放大电路采用固定的增益，则可能会导致放大信号在模数转换器的测量范围之外，引起测量误差，文中设计一种增益自动可调的放大电路，使增益跟随空气离子浓度的变化而改变。空气离子浓度信号为低频信号，设计了有源三阶低通滤波从而有效提高了信噪比。1程控增益微电流放大电路的设计1．1整体设计稳速风机将空气离子吸入收集器中，被测离子极性选定

5、后，由于电场力的作用被选离子吸附在收集极上，从而形成微弱的电流信号⋯，通过采样电阻将其转换成电压信号，然后依次通过放大电路、AD转换电路、MCU对量程切换、数值分析等环节，最终在显示器上显示出空气离子的浓度值。1．2I—V转换电路的设计选用采样式I—V转换的方法测量弱电流¨J，，s转换成输入电压K。。图1中，通过单片机对继电器的控制，可根据离子浓度的大小对采样电阻尺H，R叭R加进行选择，分别得到100MQ和100Kn的采样电阻。2程控增益放大电路的设计采集器的信号输出为前级放大器的信号源，其等效阻抗R。随采集信号的变化而改变，为了减弱器对放大能力的影响，放大器的阻抗咒应远大于信号源阻

6、抗尺。D1。选用INAl16为前置放大器，其高输入阻抗、低电压偏置、低噪声、低温漂的性能适用于微电流的测量。增益可调放大电路的方案设计主要有3种：采用集成程控收稿日期：2012—05—08收修改稿日期：2012—12—28=GND图1采样式I—V转换原理图增益放大器、采用多路模拟开关控制增益、采用数字电位器控制增益HJ。文中采用数字电位器的方法来实现增益的自动可调，所选数字电位器为AD5291。其中供给数字电位器的逻辑电压为5V，AD5291的DIN引脚、SCLK引脚、SYNC引脚分别与STM32的引脚portD2、portD3、portD4相接；7引脚加一个l妒的电容，起滤波作用。

7、2引脚和5引脚分别为电位器的双向供电电压引脚，通过单片机对数字电位器的控制以实现对增益的调节。图2中，尺。R。。避免了输出端产生零漂和饱和等现象”1。对于微弱信号的测量，除了考虑噪声干扰和偏置电流以外，偏置电压对第一级放大电路的影响也不容忽视，因此INAll6的引脚9处接一个调零电路可以使测量更精确。3有源低通滤波电路的设计选用三阶巴特沃斯低通滤波电路处理噪声信号。截止频率工为1kHz，截止频率与电容电阻的关系有：工=丽1(1)二耵b^由正归一化表得出三阶