氢火焰离子化检测器电子线路设计 64页

回；：ＳＴ．類Ｐ．ｍ．／巧赚私觀乂專圓硕±学位论文胃圍麟５氨火焰离子化检测器电子线路设计作者姓名吴雨翠学校导师姓名、职赖王爽觀企业导师姓各＇取疏呈弁海研巧员ＳＭ申请学位类别工程硕壬．＿一ｊ＞：—， 西安电子科技大学学位论义独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研巧工作及取得的研巧成果。尽我所知，除了文中特别加ｙ？标注和致谢中所罗列的内容Ｗ外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料一同工。与我作的同志对本研充所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。一申请学位论文与资料若有不实之处切的法律责任。，本人承担八：業呵日期本人签名：丈山西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，目Ｐ；研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，，允许查阅和借阁论文；学校可Ｗ公布论文的全部或部分内容可允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰＾写的文章律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在＾年解密后适用本授权书。本人签名；案而許导师签名：互也日期：日期： 学校代码10701学号1302121280分类号TP34密级公开西安电子科技大学硕士学位论文氢火焰离子化检测器电子线路设计作者姓名：吴雨翠领域：电子与通信工程学位类别：工程硕士学校导师姓名、职称：王爽教授企业导师姓名、职称：吴升海研究员学院：电子工程学院提交日期：2015年11月 ElectronicCircuitDesignofaHydrogenFlameIonizationDetectorAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinElectronicsandCommunicationsEngineeringByWuYucuiSupervisor:ProfessorWangShuangResearchFellowWuShenghaiNovember2015 摘要摘要近年来，氢火焰离子化检测器（FID）在气相色谱领域应用越来越广，FID具有很多优异特性，在检测器领域中具有良好的应用前景。本文作者在江苏天瑞仪器实习的过程中对FID的各个功能模块进行了系统的研究，包括信号采集部分、高压模块设计及点火电路。本文首先针对FID在气相色谱质谱联用仪上的具体应用提出了一些使用和操作上的注意事项。通过对电极形状和喷嘴内径及材料的选择可以提高它的灵敏性。此外，我们可以通过其结构和操作两方面的因素来提高有机物的离子化程度和集电极对离子的收集效率。在信号采集部分，基于原来采用的比例运放，我们引入了对数运放的思想。对数放大器兼具线性性质和信号放大特性，避免了比例运放要根据出峰情况手动调整放大倍数的缺陷。最后针对FID中的实际信号采集放大电路进行了仿真，仿真之后得到的结论和理论上推倒的数值基本吻合。对于加在离子室集电极的高压，我们利用电容二极管倍压电路设计实现了300V的高压。首先对倍压原理进行了详细阐述，然后对FID高压电路进行了Multisim电路仿真。最后我们利用开关电源控制点火丝上的电流，使其达到了自动点火的功能。通过对开关电源BUCK电路的深入理解和总结，设计了输出滤波电感和电容值，最终实现了点火丝上的额定电流输出。关键词：气相色谱，对数运放，点火丝，倍压整流I ABSTRACTABSTRACTInrecentyears,flameionizationdetector(FID)usedwidelyinthefieldofgaschromatography,andithasagoodprospectinthedetectorfield.Inthisthesis,thevariousfunctionalmodulesofFIDhavebeenstudieddeeply,includingsignalacquisition,highvoltagemoduleandtheignitioncircuit.Firstly,weputforwardtosomeconsiderationsontheuseandoperationforspecificapplicationsontheFIDgaschromatographmassspectrometer.Throughtheselectionofdiameterandmaterialofthenozzleandshapeoftheelectrodecanimproveitssensitivity.Moreover,wecanincreasethelevelofionizationoforganicmatterandthedegreeofionscollected.Forthesignalacquisition,basedontheoriginaluseoftheratioamplifier,weintroducedtheideaofalogarithmicamplifier.Logarithmicamplifierbothhaslinearnatureandsignalamplificationcharacteristics,avoidingthedisadvantageoftheratioopamptothemagnificationaccordingtothepeakmanuallyadjustedbyhands.Finally,wesimulatetheFIDamplifyingcircuit,andthesimulationresultsareconsistentwiththetheoreticalderivation.Forthehighvoltageaddedonionchambercollector,wedesignvoltagedoublingrectifingcircuitwithcapacitanceanddiodetoachieveahighvoltageof300V.First,weelaboratetheprincipleofdoublevoltage,thenwesimulatetheFIDhighvoltagecircuit.Finally,weuseswitchingpowersupplycontrolthecurrentonignitionwiretoachievetheauto-ignitionfunctionality.WeunderstandandsummarizedeeplytoBUCKswitchingpowersupplycircuit,anddesignoutputfilterinductorandcapacitorvalues.Ultimatelyreachedtheratedoutputcurrentonignition.Keywords:Gaschromatography,Logarithmicamplifier,Ignitionwire,DoublevoltagerectifierIII 插图索引插图索引图2.1GCMS仪器实物图....................................................................................................9图2.2GCMS的基本流图..................................................................................................10图2.3气相色谱工作原理图...........................................................................................10图2.4氢火焰离子化检测器实物图................................................................................11图2.5氢火焰离子化检测器离子室内部结构...............................................................12图2.6功能模块图...........................................................................................................14图3.1反相比例放大器电路原理及输出波形图...........................................................18图3.2同相比例放大器电路原理及输出波形图...........................................................20图3.3对数放大器电路原理图.......................................................................................24图3.4FID对数放大电路................................................................................................26图3.5FID对数放大电路仿真图1.................................................................................27图3.6FID对数放大电路仿真图2.................................................................................27图3.7FID对数放大电路PCB.........................................................................................28图3.8FID对数放大电路电路板....................................................................................28图4.1BUCK降压电路原理图..........................................................................................30图4.2FID点火电路原理图............................................................................................32图4.3FID点火电路仿真图............................................................................................34图4.4FID点火电路PCB.................................................................................................34图5.1二倍压整流电路图...............................................................................................35图5.2三倍压整流电路原理图.......................................................................................36图5.3FID高压模块实物图及PCB.................................................................................36图5.4FID高压电路原理图............................................................................................37图5.5FID高压电路输出电压波形图............................................................................38图5.6FID高压电路仿真图............................................................................................39图5.7FID高压电路PCB.................................................................................................39图5.8FID整体电路PCB板............................................................................................40图5.9FID整体电路板....................................................................................................41图5.10检测输出色谱峰...................................................................................................42图5.11信号基线漂移及噪声...........................................................................................43V 表格索引表格索引表1.1气相色谱检测器分类表..........................................................................................3表1.2常用检测器的性能..................................................................................................5表2.1不同仪器的分离形式表..........................................................................................9表3.1比例运放种类及其参数.........................................................................................21表3.2AD549的主要特性................................................................................................25VII 符号对照表符号对照表符号符号名称I电流A安培mA毫安uA微安V伏特uV微伏mV毫伏D二极管C电容f频率U电压R电阻Ω欧姆IX 缩略语对照表缩略语对照表缩略语英文全称中文对照FIDFlameIonizationDetector氢火焰离子化检测器GCGasChromatograph气相色谱仪MSMassSpectrometer质谱仪FPDFlamePhotometricDetector火焰光度检测器ECDElectronCaptureDetector电子捕获检测器GCMSGasChromatographMassSpectrometer气相色谱质谱联用仪SPISerialPerpheralInterface串行外设接口ADCAnalog-DigitalConverter模数转换器PWMPulse-WidthModulation脉冲宽度调制PCBPrintedCircuitBoard印制电路板PGAPmgrammableGainAmplifier可编程增益放大器XI 目录目录摘要........................................................................................................................................IABSTRACT........................................................................................................................III插图索引..............................................................................................................................V表格索引............................................................................................................................VII符号对照表.........................................................................................................................IX缩略语对照表.....................................................................................................................XI第一章绪论.......................................................................................................................11.1选题背景和意义...................................................................................................11.1.1检测器的定义及分类...............................................................................21.1.2检测器的评价指标...................................................................................31.1.3氢火焰离子化检测器概述.......................................................................51.2国内外研究现状分析...........................................................................................71.3论文的主要研究思路和研究方法.......................................................................8第二章FID的工作原理及构成........................................................................................92.1GCMS简介..........................................................................................................92.2FID基本结构.....................................................................................................112.3检测原理.............................................................................................................132.4FID的功能模块.................................................................................................14第三章信号采集电路设计与实现.................................................................................173.1运算放大器及其种类.........................................................................................173.2比例运算放大器.................................................................................................183.2.1反相比例放大器...................................................................................183.2.2同相运算放大器...................................................................................193.3对数放大器.........................................................................................................213.3.1对数放大器的分类...............................................................................223.3.2对数放大器的技术指标.......................................................................223.4FID中对数放大器的选型及理论推导.............................................................233.5FID信号采集电路仿真.....................................................................................26第四章点火电路设计与实现.........................................................................................294.1脉宽调制（PWM）开关电源简介...................................................................294.2BUCK降压电路................................................................................................30XIII 西安电子科技大学硕士学位论文4.3FID点火电路设计.............................................................................................324.3.1输出滤波电感的设计...........................................................................324.3.2输出滤波电容的设计...........................................................................334.4电路仿真............................................................................................................34第五章高压电路设计与实现...........................................................................................355.1电容二极管倍压整流电路原理........................................................................355.2FID高压电路设计.............................................................................................365.3电路仿真............................................................................................................385.4项目实验实验结果............................................................................................39第六章结论和展望...........................................................................................................456.1研究结论..............................................................................................................456.2研究展望..............................................................................................................46参考文献.............................................................................................................................47致谢.....................................................................................................................................49作者简介.............................................................................................................................51XIV 第一章绪论第一章绪论随着经济的飞速发展，食品安全、生活用品安全等问题也随之而来，有害化学物质的存在及某些化学物质超标也越来越受人们关注。面对这样的局势，分析仪器的角色变得更加重要，无论在环保领域还是在食品安全领域，对分析仪器的需求也在不断地增加。检测器在分析仪器中处于核心地位，在色谱和质谱领域，检测器依据检测原理的不同分为很多类，其中有微分型、积分型、质量型以及浓度型检测器等。基于把各种元素含量的信息转化成微小电信号的机理，使我们更方便对信息进行处理，以达到检测的目的。从始至今，对检测器性能等方面的研究也一直没有停止。在众多类型检测器中，每种检测器都有它特定的用途。检测原理不同，其所需要的检测环境也就不一样，在气相色谱仪中，最常用的就是氢火焰离子化检测器，处于比较核心的地位。本文根据不同分类标准对各类检测器进行了划分和简要介绍，对本文主要研究的氢火焰离子化检测器从结构和性能上进行了详细阐述，突出了其在众多类型检测器中的优势地位。如今检测器的结构及用途方面已有很多学者进行过研究，本文现主要针对氢火焰离子化检测器的电子线路进行设计和讨论，基于FID的结构可以知道其收集极需要300V左右的高压收集被电离的离子，点火丝需要一定的电压控制其通过2安培的额定电流以实现自燃，从检测器上方收集极输出的极其微小的电流信号需要经过放大和信号处理才可以被检测得到，从而得到色谱峰。因此，本文主要对放大电路、升压电路、电源电路进行分析、设计和仿真。另外，对PCB绘制和调试过程中注意的问题进行阐述，做到以最小的噪声和漂移实现信号检测。1.1选题背景和意义在化学分析领域，色谱（GC）可以对复杂的混合物和有机物中各组分做到良好的分离。近年来随着质谱（MS）技术的广泛应用，可以对化学物质进行定量分析，这使我们对化学物质分析更加有利。最开始研制的色谱联用仪就是气相色谱—质谱联用仪(GC-MS)，它也是最先完成市场化的色谱联用仪。现在，GCMS已然是实验室的常用仪器。氢火焰离子化检测器顾名思义是使用氢火焰当做电离源，除了对氢气、氧气、氮气、二硫化碳、硫化氢、氨气、二氧化氮等气体没有响应外，对其他化合物都有响应。由于它是要把样品电离成离子，这个过程是不可复原的，所以我们也称它是一种破坏型的检测器。FID突出的优点是对无机物不敏感，如水、二硫化碳、二氧化碳等；而对于基本上全部的有机物都有一定的响应，特别是对于烃类，有着非常高的灵敏度。1 西安电子科技大学硕士学位论文而且其响应数值和有机物中碳原子的数量成正比的关系。另一方面，它的优点也体现在结构比较简单，工作线性范围比较宽，而且操作也非常方便。而且它的死体积基本上趋于零，因此能够和毛细管柱直接连在一起，这是很多检测器都做不到的。经过电离后的样品物质，以离子的形式被收集到一起，本文要做的就是把收集到的微小电信号进行放大，在此过程中需要设计放大电路，还有加在收集极的高压，以及点火电路。这几部分电路的设计和调试会对检测结果有非常大的影响。1.1.1检测器的定义及分类检测器是指能够对流出色谱柱的组分以及它们的含量实现检测功能的器件[1]。检测的基本思想是基于样品中各组分与载气（一般为惰性气体）互不反应的特性，检测器对流过它的组分种类和浓度的变化即刻产生对应的信号。由于每个组分的化学或物理性质不同，决定了检测器转换成的对应的电信号的不同。由于电信号具有很多优点，如很容易对其进行放大处理、传送和记录等，所以现在很多仪器都采用以电信号为输出信号的检测器。检测器中最普遍的输出信号形式便是电压和电流，即使某些检测器是以其他的信号方式输出，如频率数、光信号等形式，但最终传送给数据处理设备的还是经过把它们转换后的电压或电流。1.按检测器输出信号大小随检测样品总量变化的关系分类：（1）积分型：检测器的输出信号是进入检测器中样品各个组分分量叠加得到的，意思是说它所输出的信号是在某一特定时间内通过检测器的物质的总和。比如体积型检测器、电导检测器ELCD（在色谱分析中此类应用较少）。（2）微分型：检测器的输出信号反映了进入检测器的样品中各个组分的流量随时间变化的关系。比如火焰光度检测器、电子捕获检测器、氢火焰检测器、和热离子检测器（在色谱分析中此类应用较多）[2]。2.按检测器对输入样品组分的响应分类：（1）浓度型检测器：检测器的输出信号（记录仪上的色谱峰的峰高）和待测样品流入载气中的物质浓度成正比，载气的流动速度与色谱峰面积成反比，典型的如电子捕获检测器和热导检测器（TCD）等；（2）质量型检测器：其输出信号（记录仪上的色谱峰的峰高）与待检测样品组分单位时间流入检测器的质量成正比，而与载气的流动速度并没有关系，所以色谱峰的峰面积与载气流动速度没有关系。输出信号也会随着单位时间流入检测器的组分含量的变大而变大，此类型的检测器如FID。（3）特殊型检测器：是指既没有浓度型检测器的特性也没有质量型检测器的特性的一类，此种特殊类型的并不常见，如FPD，此检测器检测硫时，它的响应既不与浓度成正比也不与浓度成反比，而是与浓度的平方成正比关系。2 第一章绪论3.按检测器对物质的适用范围分类：（1）通用型检测器：可以对所有种类的化合物实现检测功能。在任何情况和条件下，对很多种化合物都有很敏感。最常应用的就是热导检测器。不过普遍来看，此类型检测器的敏感性没有那么高。（2）选择型检测器：选择型检测器一般只对很少部分类的化合物敏感，而对其余种类化合物或混合物则没有响应。例如火焰光度检测器，它仅对有特定元素磷和硫的样品有较高的敏感度。4.按工作原理分类：按检测器的工作原理可以按热力学性质、电学性质、光学性质、分子电离等方面进行分类。基于热力学性质原理的检测器有热传导检测器（TCD）等；属于电学性质的检测器，如电导检测器（ELCD）、库伦检测器等都属于这一类；属于光学性质的检测器，如荧光光度检测器、火焰光度检测器（FPD）等；属于分子电离性质的检测器，如氢火焰离子化检测器、有电离源的ECD等；还有其他工作性质的检测器[3]。表1.1气相色谱检测器分类表检测方法工作原理检测器应用范围物理常数法热导系数差异热导检测器TCD所有化合物气相电离法火焰电离火焰电离检测器FID有机物热表面电离氮磷检测器NPD氮、磷化合物化学电离电子捕获检测器ECD电负性化合物光电离光电离检测器PID所有化合物光度法原子发射原子发射检测器AED多元素分子发射火焰光度检测器FPD硫、磷化合物分子吸收傅立叶变换红外光谱FTIR红外吸收化合物分子吸收紫外检测器UVD紫外吸收化合物电化学法电导变化电导检测器ELCD卤、硫、氮化合物1.1.2检测器的评价指标1)响应特性：这里主要是指响应时间的因素，需要检测器能够真实的并且以最快的速度对通过它的物质浓度的改变做出反应的情况。若是检测器对某种物质的响应特性不一样，那么如果它的操作参数发生变化，它对物质的敏感性也会很不一样。拿浓度型检测器来说，它检测的机理是基于载气中样品某组分的浓度在单位时间内的改变量，也就是说检测器的响应值大小与样品组分浓度的大小成正比关系。另外，浓度型检测器之所以3 西安电子科技大学硕士学位论文基线的稳定性不好，最重要的原因是它依附于温度的不变性。质量型检测器的响应则是以载气中样品某组分流入检测器的速度为检测依据，也就是说它的响应值与固定时间内流入检测器样品某种组分的含量成正比关系。质量型检测器与浓度型检测器则正好相反，色谱峰峰高的反复性取决于气体流量的恒定，而色谱峰的峰面积则与气体流量的稳定度无关。2)检出限：它是指检测器输出的信号刚好能与信号噪声相区分时，在单位时间或体积向检测器流入的样品组份的质量。通常认为这个质量对比关系为检测器所输出的信号近似等于噪声信号的两倍时物质的质量。检出限是辨别一个检测器优良的重要因素。3)噪声与漂移：它是判定检测器是否稳定的重要参数指标。如果检测器的背景信号基线有波动，那么就是检测器存在的噪声造成的，漂移是指信号基线随时间的正向改变。普遍来说，噪声一般包括短噪声与长噪声两种类别，短噪声指基线的瞬间高频率波动，它的频率数一分钟超过一次，是一般检测器所固有的背景信号，无论是检测器还是电路元件产生的噪声均归为这种类型；长噪声的波动与色谱峰信号的基线波动很类似，通常是起因于外部因素，如检测器污染或是载气的纯度所导致的，用滤波器很难除去。另外还应指出，对于气相色谱仪而言，仅当纯载气流过检测器的时候检测器所输出的信号大小叫做基流[4]。判断基流的好坏一般取决于不同检测器的类型，不是所有检测器的基流都是一样的，某些检测器是以大的基流为好的标准，比如电子捕获检测器；某些检测器则是以小的基流为好的标准，比如氢火焰离子化检测器。对大部分检测器而言，如果它的基流很高那么它也一定有着很高的噪声。尽管如此，对于电子被捕获检测器而言，如果信号的基流减小那么代表着灵敏度也会降低，所以，针对特定的检测器，有必要了解它的正常情况的基流是多大，才能知道检测器是否处于良好的状态。噪声的主要来源除了与电路元件品质、检测器的结构有关外，还与电子线路的参数设计有很大关系。漂移的产生一般是仪器的某些运转部件处于非正常状态而导致的，如载气的流速、柱箱温度，还有色谱柱固定相的流失。根据检测器原理的不同，信号噪声的单位也不尽相同，一般分为毫伏（mV）和安培（A），也就是说取决于检测器的输出信号种类是电压信号还是电流信号。对于原理论输出信号为光信号的火焰光度检测器和理论输出频率信号的电子捕获检测器，通常也将信号转变为电流信号。输出电信号的性质在进行检测器好坏的比较过程中起到重要依据作用。4)灵敏度检测器的灵敏度就是流入检测器的样品组分量引起的信号改变幅度。也就是说单位样品量流入检测器时引起的输出值。因为每种检测器的原理各不相同，原理不同的检4 第一章绪论测器对相同种类样品的敏感程度也有非常大的差异，而相同工作原理的检测器对不同种物质的敏感程度有时也有很大差别。为了实现同种类型的检测器之间的性能可以互相比较，一般规定以对某种特定的物质的灵敏度当做是衡量标准，例如常以C16的灵敏度来判断氢火焰离子化检测器的优良程度。流入检测器的物理量和检测器流出的物理量一起构成了灵敏度的物理单位。此外，现实过程中要测定某类检测器的敏感性，仅让其输入一份样品，获得响应函数图像后再进行计算。5)线性和动态范围：检测器的线性范围是指被测样品的组分量与响应值呈线性变化关系的范围。检测器的工作原理决定了其有无线性范围以及线性范围的大小，其余的影响因素是和检测器的结构设计和制造过程有关，与实际的的操作环境也有很大的影响。如果检测器不是线性的或者是线性区间很有限，就会导致在分析的过程中，无论对操作要求还是仪器的电器部件方面的要求都较为严格。在大多数实际操作中，线性区间的上限可接受5%的非线性偏离，线性下限则为该检测器的检出限。在对物质进行定量分析时，这时需要很高的精度，那么对它的上限偏差范围就需缩短，也就导致线性区间的减小。所谓检测器的动态范围就就是当待检测样品在载气中的含量增多时，它的输出信号也会跟着样品含量的增多而增大，一直增大到当待检测样品再继续增多时，输出信号基本上不会再继续增大时的区间[4]。其动态范围的最小值是它的灵敏度，其范围的最大值为当输出变化率即将为零的时候，被测样品组分在载气中的含量。很容易可以看出，线性区间一定要小于动态区间，而一定不可能大于动态区间。在实际应用中，检测器允许的进样量与他的线性范围成正比关系，即无论对于微量样品还是常量样品都可以进行检测分析，这样很有利于我们分析和检测。表1.2常用检测器的性能检测器性能热导FID电子捕获火焰光度类型浓度质量浓度质量通用型或选择型通用通用选择选择灵敏度104mV∙cm3∙mg−110−2mV∙s∙g−1800A∙cm3∙g−1400mV∙s∙g−1检出限2×10−6mg∙cm−310−12g∙s−110−14g∙cm−310−12g∙s−1最小检测浓度0.1ug∙g−11ng∙g−10.1ng∙g−110ng∙g−1线性范围104107102~104103~104适用范围有机物和无机物含碳有机物卤素含硫、磷化合物1.1.3氢火焰离子化检测器概述1958年，氢火焰离子化检侧器（FID）成功问世。由于它的工作机理是把样品通5 西安电子科技大学硕士学位论文过化学方法离子化，这个过程不可复原，所以称它为破坏性检测器，同时它也属于质量型的检测器。它以氢火焰作为能源，当样品注入离子室，在氢火焰的超高温度下发生电离，产生的带电离子要比基流多几千倍，这些离子在收集极的高压电场的作用下朝着一个方向快速移动，非常小的离子流（10−12～10−8A）通过对其进行放大之后形成比较明显的电信号，此信号与进入氢火焰的有机化合物样品的含量成正比关系。这样就可以依据电信号的强弱对样品的含量进行测定。因为FID的结构比较简单，操作也相对方便，而且性能很好，所以从始至今氢火焰检测器的结构上基本没有改变。FID的显著特性是对几乎所有的有机物都有一定的灵敏度，对全部的烃类有机化合物和含其他原子的烃类中的响应值基本上相同，非常有利于对有机物具体含量的测定。而且FID有很多优点，如它的线性范围很宽（可达106～107），灵敏度也很高（可达10−13～10−10g/s），另外它的基流小（10−14～10−13A），而且死体积几乎为零、响应非常快，能够直接与毛细管柱联用，还有对气体流速、压力的变化影响不大等，因此氢火焰离子化检测器成为在气相色谱检测器领域中应用非常普遍的一种检测器。当然它的缺点就是需要对三种气源及气体流速要有严格控制，由于有氢气的存在，所以对防爆系统有相当严格的要求。检测器的离子化效率与很多因素有关，例如火焰的形状以及温度、喷嘴的孔径大小及材料、三种气源的流量之比等。FID离子室中电离出来的离子收集率则与集电极高压、收集极的电极形状、两个电极之间的距离以及电极性等因素有关。只有考虑到上述各种因素才能设计出性能良好的检测器。使用时要严格按照说明去操作，特别要注意的是两个电极与火焰喷嘴决不允许与检测器外壳短路。而且，极化极一定要在火焰喷嘴的平面几何中心处，不要处于火焰上方位置，要不然会导致嗓声的增大；位置也不要太过于低，因为若是极化极太低会导致离子的收集率下降，而且也会导致检测器的灵敏性下降。喷嘴的材料通常是采用金属或石英制成，内径在0.4～0.6毫米。喷嘴的选择也会影响仪器的灵敏度。像美国的安捷伦公司就有六种不同型号的火焰喷嘴供多种情形下使用。近些年来，美国Varian公司对氢焰离子化检测器进行了升级，使用带有金属帽的陶瓷喷嘴取代了现有的应用广泛的金属喷嘴。这样不仅可以有效消除高温时化合物对金属的吸附导致的色谱峰拖尾从而提高分辨率以外，还可以减小嗓声，从而增加仪器的灵敏度[4]。FID除对氢气、氦气、氩气等惰性气体，以及氧气、氮气等几乎没有响应外对其余所有的有机化合物或混合物均有响应。对于含有碳氢键的有机物的响应基本上是一固定数值，与分子的相对分子质量关系很小。在化合物分子的相对分子质量比较大的情况下，响应值与有机物分子中碳原子的数量成正比例关系。当有机物分子中的氢被其他元素如氧、氮、卤素、或官能团等所代替时，其输出值与所替代元素或者官能团的类型及数目有关。如果以碳-氢键和碳-碳键中的碳原子对输出信号值的作用量为1，6 第一章绪论那么其余元素或官能团输出值的作用量与上述相比较称作有效碳原子。因此响应值可以通过在资料中查出有效碳原子数来估算。氢火焰离子化检测器对各个种类有机物的响应其实是符合某种规律的，在现实应用中，要使检测器的检测限为固定的常数基本上是不能实现的，然而其对比较敏感的物质的响应确是有着某种特定的规律。因为氢火焰离子化检测器对空气和水的灵敏度几乎为零，所以非常适用于测定大气污染物以及含有生物的水相样品。因为其对二硫化碳有极低的灵敏度使之成为待测样品的极好溶剂。另外，该检测器的检测限非常低，最小的检测量能够达到10−10~10−11g，线性区间最大值可以达到107，又因为它是质量型检测器，故而在一定程度上受操作条件的差异影响比较小，而且稳定性特别好，对于微量乃至常量的分析更有优势。又由于它的响应时间快，因此能够快速完成痕量分析。综上所述，在所有检测器中FID是目前近似理想和最受欢迎的检测器。1.2国内外研究现状分析FID很早就被研制出并且已经投入使用很多年，作为一种检测器，它可以通过配合不同的仪器在不同的领域发挥着重要的作用，无论在分析仪器领域还是环境科学、药学、生物学以及地质学领域，检测器都有着广泛的应用，研制出了大量引领科技发展进步的产品。在环境科学领域中，FID在气相、液相等领域都有着广泛的应用，并且近些年来也取得了一些技术上的创新进展。首先，气相色谱(GC-FID)检测方法对地表水中的丙烯醛、乙醛、丙烯腈实现了分析和检测，所提出的方法也能够对地表水中丙烯醛、乙醛、吡啶和丙烯腈等有机污染物进行测定。此被提出的方法可以实现对这四种物质实现很好的分离，检测过程中有较高的灵敏度，而且操作上也非常简单方便[5]。另外，GC-FID检测器也同时设计出对海类商品中氧化三甲胺和三甲胺的测定。该方法对样品中氧化三甲胺和三甲胺的分离提取和对GC-FID的分析方法实现了深入探索。在液相色谱领域，氢火焰离子化检测器作为试验中用的检测器，采用纯水作流动相，分析了异丙醇、甲醇、正丁醇、正戊醇、2-丁醇、异戊醇等有中等极性以上的醇[6]。可以看出，FID不仅可以实现检测农作物的农药残留等固相应用，在海洋生物及水生物质等领域也有很好的发展用途。在医学研究领域，鉴于FID特定的检测原理，其技术主要应用在在药物检测，临床医学以及食物防腐剂等方面。众所周知，应用于临床的新型肺癌诊断技术的电子鼻技术可以提供方便、自动、快捷的检测技术。而GC-FID分析系统的临床实验数据证明了该电子鼻技术不仅可以应用于肺癌临床诊断，还能够应用在肺癌呼出气特征性标志物方面的研究[7]。除此之外，他还可以对患者血浆中的乳酸的含量进行测定，以及各种药物中的化学成分的含量，是医药领域不可缺少的一项检测技术。在食品健康方7 西安电子科技大学硕士学位论文面，FID还曾用于对奶茶等饮料中的胆固醇的测量，对食品包装袋中的脂类物质的测定，还有对水果蔬菜中乙烯以及对白酒等发酵的液体中有机酸的测定。可见，在食品问题层出不穷的当今社会，检测器有着十分重要的作用。在煤气与热力行业，我们可以看到FID与石油化工等关键词密切相关，早在上世纪90年代，FID技术就已经应用在石油沥青的检测上，分析沥青的色谱图，并对现有的技术提出改进，从而改善了沥青的质量。近些年来，FID技术实现了和汽车相关联的思想，并设计实现了对燃气泄漏进行检测的车载系统研究案例。经过在实际过程中的研究与应用，提出了采用FID技术在GSM、GPS与GIS基础上设计实施燃气泄漏的预警装置的可实践性，并且给出了预警标准[8]。另外在城市污染方面，此项技术还曾用于对北京大气中的一氧化碳的浓度测量，以及在辽河口对湿地的土壤进行检测，评估生态的健康风险。相信随着FID技术的发展，可以使其应用在更多的领域，为人们的生活提供保障。另外需要注意，因为有的检测器中含有放射源，所以在使用中要严格保护，而且不是所有的单位或厂家都可以申请放射源，一定要有相关的资格证书，所以此项技术适于在科研领域应用。因为氢火焰离子化检测器的结构比较简单，操作也相对方便，而且性能非常好，所以从开始到现在氢火焰检测器的结构上基本没有改变。FID的显着特性是对基本上全部的有机物都有一定的灵敏度，对全部的烃类有机化合物和含其他原子的烃类中的响应值基本上相同，非常有利于对有机物具体含量的测定。在所有检测器中氢火焰离子化检测器是目前近似理想和最受欢迎的检测器。1.3论文的主要研究思路和研究方法首先第一章讲了选题的背景和意义，简单介绍了下检测器的定义及分类、检测器的评价指标，以及对本文研究的氢火焰离子化检测器进行简要阐述，对国内外研究现状进了分析；在第二章主要介绍了氢火焰离子化检测器的总体结构和检测的过程及原理，初步划分了FID的三大电子线路模块：信号采集、高压和点火模块；在第三章、第四章和第五章分别详细介绍和设计了FID的三个主要电路模块，并分别进行了电路仿真。通过仿真之后便用AltiumDesigner软件绘制原理图和PCB，最后进行PCB板调试，放在仪器上进行试验，获取实验数据。8 第二章FID的工作原理及构成第二章FID的工作原理及构成2.1GCMS简介GCMS（GasChromatographMassSpectrometer）是气相色谱质谱联用仪。连用技术是指两种或两种以上的分析技术在线结合起来，重新组合成一种以实现更快速﹑更有效地分离和分析技术。项目中用的GCMS6800如下，目前用的较多的就是食品安全领域。图2.1GCMS仪器实物图色谱分析法的所达到的结果就是把样品中所含的的各组分实现分离。在气相色谱分析中是以氮气等不活泼气体作为流动相，在气固色谱分析中，是以有活性而且表面积很大的吸附剂当做固定相[9]。在样品流入色谱柱以后，因为样品中的各个组分在固定相上的吸附力不尽相同，过了一段时间以后，样品中各个组分在色谱柱中的流动速度也就不一样。吸附能力比较弱的样品组分可以很轻易的从吸附剂上面解吸下来，因而最早与色谱柱分离进入检测器，然而吸附能力比较强的组分则最难从吸附剂上解吸下来，所以最晚流出色谱柱[10]。如此，样品中各个组分在色谱柱中得以彼此分开，相继流入检测器中最后被检测出来。表2.1不同仪器的分离形式表吸附剂形态色谱仪流动相固定相气固色谱（GSC）气态固态气液色谱（GLC）气态液态9 西安电子科技大学硕士学位论文质谱分析法是根据检测被测样品中被电离的离子的质荷比，通过不同离子的质核比不同来进行研究的一种方法。首先要将被分析的样品进行离子化处理，因为不同质核比的离子在磁场和电场中的流动方式不一样[11]，以此把不同种类离子区分开来从而得到质谱，对样品的定性和定量分析有一定的价值。气相色谱与质谱的结合，一方面有效发挥了色谱对离子的分离能力，又充分利用了质谱对离子的定性专长。做到了优势互补，再通过谱库检索，就能得到比较真实的分离和鉴定结果。气相色谱使各个组分实现相互分离，起到制备样品的作用；从气相色谱仪输出的各个组分经过接口传到质谱仪中去检测，质谱仪对流入的各个组分进行充分分析[12]。最后上位机通过对色谱仪、接口、质谱仪的操纵来实现对数据的采集、分析和处理。GC接口MS数据处理真空系统图2.2GCMS的基本流图典型的气相色谱：分子脱固定限水管流器稳压器进样口检测器电子部件流量控制器空氢氮气气气图2.3气相色谱工作原理图气体：载气--用于把样品传送通过整个系统的气体，一般为惰性气体。检测气体--某些检测器（如FID）所需要的支持气体。样品引入：将样品以蒸汽形式混入载气，该过程需要做到对样品蒸汽影响最小。色谱柱：实现分离样品组分。检测器：响应和识别从色谱柱流出的样品中各组分。数据采集：将检测器的输出信号最终变为色谱图的形式，以备分析之用。10 第二章FID的工作原理及构成2.2FID基本结构FID外表是一个金属盒，在其顶端有两个电极（收集极和极化极），下面有一个进样口和喷嘴。评价一个FID结构优良的主要指标是看它的灵敏度、线性范围和固有噪声，以及离子化效率。由于氢火焰离子化检测器结构比较简单，而且性能稳定可靠，操作也相对方便，所以从开始到现在氢火焰检测器的结构基本没有改变。图2.4氢火焰离子化检测器实物图1.电极形状和位置在氢火焰离子化检测器中，灵敏度、线性范围和噪声与很多因素有关，典型的比如电极与喷嘴的相互位置和形状大小都会有影响。极化极的材质可以用不锈钢、铂金、或镍合金造成，形状一般为圆形，而且和喷嘴处与相同平面。极化极要高于火焰喷嘴，否则会导致灵敏度降低；反之，响应值虽然可以得到增大，但是噪声也会随着增加。收集极一般是使用不锈钢材料制作，其形状也有很多种，现在最普遍用的是圆筒形，安置在火焰喷嘴的上方位置并且与喷嘴同轴。极化极和收集极之间的距离大多数情况下为0到6毫米。如果距离太短，收集极会发热，从而导致热电子的生成和噪声的增加；如果距离太高，会导致离子流到电极的历经时间太长，正、负离子容易再次结合，这样离子的收集效率就会下降。2.喷嘴的内径及材料对于填充柱来讲，喷嘴内径一般在0.5毫米左右，这个尺寸是由扩散焰决定的。因为在此内径时喷嘴流出的混合气体的速度与氧气向火焰内靠近的速度最吻合。若减小喷嘴内径，纵然使灵敏度会偏高，但是同时线性范围也会变窄；反之亦然。对于毛细管柱来讲，火焰喷嘴的内径设计以0.25毫米为最好。这时灵敏度会很高，响应时间也会变小到50毫秒，并且也不会带来峰形失真。11 西安电子科技大学硕士学位论文火焰喷嘴的材料主要指标是要抗腐蚀，不轻易损坏。实践过程中普遍采用陶瓷、石英玻璃和不锈钢材质。市面上用得最普遍的是不锈钢，但是要考虑到与地的绝缘，就要在火焰喷嘴的下方接陶瓷进行隔离。如果采用石英作为喷嘴材料，会导致灵敏度降低并且容易破碎。设计喷嘴时要求喷嘴与地要电气隔离，并且要和极化极相连接，否则火焰喷嘴会与收集极产生竞争，收集粒子的灵敏度降低而且稳定性不好，导致定量误差会很大。3.点火的方式有很多种，例如从仪器上方用点火枪进行点火，将点火线圈的其中一端和极化极相连，把剩下的一端悬空。点火时把线圈两端连通，使线圈能够导电发热，点火之后给线圈加一定值的电压。线圈材料通常用镍络丝，直径在0.25~0.3毫米，点火电压一般设置为交流3~5V。图2.5氢火焰离子化检测器离子室内部结构FID检测器的准备工作：1．首先把气源连接好，然后对仪器进行检查是否泄漏。2．在仪器的柱箱中，填充柱进样接口用的是M8螺母，然而检测器的进气口用的是M8与M10两种螺母。M8螺母用在不锈钢填充柱上，出口直径是3毫米。M10螺母用在玻璃填充柱上，出口直径是6毫米（其中玻璃填充柱的外径是6毫米）。3.氢火焰离子化检测器从毛细血管柱的入口处到检测器所有部件的接口处，一定要保证密封性，不得泄露。4.一旦有地方泄露务必要重新进行密封。检漏后进行气体流量测定。测气体流量的详细做法是把用于测流量的胶皮赛与皂膜流量计侧面的管子连好，塞至检测器的上部。然后打开需要测量的气体流量阀测定气体流速。5.流量测量完毕之后，把检测器的温度调高到工作温度，再按点火按钮，持续12 第二章FID的工作原理及构成几秒钟，如果听到“噗”的声音就证明点火成功。这个时候需要用一片类似镜子一样的亮片，将其贴放在点火器上面的孔来再次验证是否成功点燃，如若现象是亮片靠近孔侧的表面有冷凝水或者表面有水雾出现，则证明点着了。如果没有这种现象，可再次点火。如果仍就点不着，就缓慢增加氢气的流量后再进行点火试验。如果增加请气流量之后火焰点着了，一定不要忘了把氢气的流量调回原来的值。6.实验要用的色谱柱一定要进行充分活化才可以接到检测器上面。2.3检测原理在氢火焰离子化检测器中收集极和极化极之间有一高压电场，火焰喷嘴喷出的可燃气体被点燃后会在一定范围产生很高的温度，从色谱柱流出的有机物样品会在高温的作用下离子化，在高压电场的作用下正离子向收集极一侧流动，而电子和负离子向极化极一侧流动，如此一来就产生了很小的电信号。当然氢气、氮气和空气均属于无机气体，这些气体并不会被离子化，也就是说如果色谱柱没有有机气体流出，检测器就不会检测到电信号。微小电流信号首先通过高阻取出再经放大器进行放大处理，最后把放大后的信号传到色谱工作站进行数据处理，显示色谱图。氢火焰离子化检测器的稳定性以及其灵敏度一般体现在有机物的离子化效率与收集极的离子吸收效率。其中有机物在火焰中的离子化效率与氢火焰的形状、温度，以及喷嘴的孔径和材料、还有载气、氢气、空气三者的流量之比等因素有关。收集极对离子的吸收效率则取决于收集极的电极性、电极形状、极化电压以及收集极与发射极之间的距离。1)载气种类：在实际过程中我们知道，在载气的选择上，N2比H2、He、Ar等气体的灵敏度要好。2)气体比例：一般氮气、氢气、空气流速比为1:1:10。此外，如果加大空气和氢气这两种气体的流动速度还可以提升检测器的灵敏度。3)内部供氧：如果把氢气和空气事先混在一起，然后从氢火焰的内部进行供氧可以提升检测器的灵敏度。4)距离恰当：喷嘴与收集极之间的距离最好设置在5～7mm，在这个距离范围可以获得比较高的灵敏度。5)检测器温度：在氢火焰离子化检测器中，如果检测器的室内温度低于80℃，氢气燃烧产生的水就不能以气态流出检测器，会遇冷形成液态水，造成灵敏度降低和噪声增大。所以，要求FID检测器温度务必在120℃以上。6)气体纯度：从氢火焰离子化检测器本身的性能来看，在进行常量分析的时候，需要三种气体的纯度达到99.9％或以上就可以，但在对痕量进行分析的时候，则需要三种气体的纯度要超过99.999％，特别是空气的总烃一定要比0.1µL/L还要低，否则13 西安电子科技大学硕士学位论文的话就会使检测器的基线和噪声产生漂移，从而对定量分析造成一定影响。7)其他措施：在使用过程中必须要保持收集极的外表干净度。另外，适当升高气室的温度对检测高分子量的物质的灵敏度提升有很大好处。2.4FID的功能模块氢火焰离子化检测器主要有四大功能模块，信号采集、信号处理、点火、高压模块。待检测样品经过离子化以后从离子室的集电极流出，在收集极端口输出的微弱电流信号经过对数运放输出毫安（mA）级的电流，完成信号采集。在信号处理部分，经过放大电路输出的模拟信号要经过AD处理转换成数字信号，再交由单片机处理，最终完成与上位机通信，传到上位机进行显示和记录。加在离子室集电极和收集极的高压在300V左右，我们利用电容二极管倍压电路实现了高压。点火丝的电流在2A时可以自动点火，我们利用了开关电源为点火丝提供了点火电流。图2.6功能模块图在信号处理部分，由控制精度决定了AD的采样精度，我们选用了ADS1255芯片进行模数转换，ADS1255采用SSOP-20封装，24位无数据丢失，我们在调试过程中实际用了21位，使精度达到了微伏（uV）级别，已经达到了非常高的水平；带有串行外设接口(SPI)、可编程数字滤波器；具有低噪声可编程增益放大器，PGA＝1时，可提供高到25.3位有效分辨率，而且几乎所有的PGA都有系统校准和自动校准的功能。单片机我们选用了C8051，集成8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、14 第二章FID的工作原理及构成一个全双工串行口、四个8位并行口、两个16位定时/计数器。拥有64K的寻址范围和布尔处理器。我们知道在数字电路中仅有高和低两类电平，而单片机为TTL电平：高+3.3V，低0V；RS232电平：计算机的串口，高-12V，低+12V；所以要完成单片机和计算机它们之间的通信就有必要加一个有转换电平功能的电路芯片。但是由于RS232接口标准很早就使用了，避免不了会存在不尽人意的地方，然而RS-485接口的出现避免了很多问题，首先它的信号电平与RS232相比减小了许多，从而不会对接口处电路的芯片造成损坏，而且RS485电平可以和TTL电平不发生冲突，可以与TTL电路方便连接。MAX1487E的供电电平是直流+5V，当以500μA的电流进行供电时，其传输速率可以提高至2.5Mb/s，它能够用于半双工的通信方式，而且最多的情况下可以在通信总线上挂128个收发器，所以可以满足分机负载的需求，输入与输出的差动电压也符合RS-485标准，MAX1487是低功耗RS-485收发器，在每一个器件中均有接收器和驱动器。单片机有很强的功能，它的主要可以控制单片机外围的器件（如晶振等），并可以完成一定程度上的数据处理和通信功能。在单片机采集数据的过程中，一般都会有数据的随机误差产生，大多数都起因于随机干扰，即在同样的环境条件下测定相同物理量的时候，其符号和大小会发生无法预测的变化，但经过多次测量之后的结果遵循某一特定的统计规律。为了避免这种干扰的产生，在硬件方面可以采用电路滤波器，软件方面可以使用软件编写算法进行数字滤波以达到目的。15 西安电子科技大学硕士学位论文16 第三章信号采集电路设计与实现第三章信号采集电路设计与实现我们采集从离子室出来的微小电流信号，首先要经过放大，以便我们对采集的信号实施处理。运放的种类很多，FID之前用的运放是比例放大器，由于其存在很多弊端所以现在改用对数放大器。在这一章中主要对比例放大器和对数放大器进行详细描述和对比，最后对FID对数放大电路部分进行理论分析和仿真。3.1运算放大器及其种类运算放大器在实际应用中也被称为运放，它是拥有非常大的增益的电路单元。实际上，理想运放是不存在的，但是，我们如今用的运放与理想值已非常接近，所以对实际运放的分析也与对理想运放的分析类似。理想运算放大器与实际运算放大器主要存在两方面的不同。第一在直流参数方面的差异，例如像输入失调电压（也称offset电压）的存在[13]。这些参数会导致实际值与理想值它们二者的偏差。因为对于理想运放而言，需要事先假定失调电压等于零的情况。其次是交流参数，比如增益。交流参数与频率相关。我们对于理想运放的假设，为深入分析理解运放提供了一条通路。在对理想运放分析之前，我们仍需在以下方面作出假设。第一，运放输入电流是零。对于场效应管运放来说，这个假设基本上是完全符合的，因为场效应管运放的输入电流很小，几乎为零。但是对双极高速运放来说，此假设不是在任何情况下都正确，因为它的输入电流已经达到几十微安。第二，假设理想运放的放大倍数可以达到无穷大，所以，为了满足运放的输入条件，其输出电压能达到任意数值。但是在实际过程中，输出电压将要达到电源电压的时候，运放就会进入饱和状态。尽管如此，也并不代表我们否定了此假设，只是对其设定了限度而已。另外，增益无限大的假设还代表着输入信号一定是零。这便引出第三个假设：两个输入端的电压为零。可以说若其中一个输入端是接地的，那么另外的一个输入端与其电压相等。此外，因为运放的输入端流入电流几乎是零，因此运放的输入阻抗无限大。第四，对于理想运放而言，它的输出阻抗几乎为零。理想运放能够做到带动任意负载，而不会因为自身的输出阻抗产生压降。在输入电流非常小的情况下，大部分运放的输出阻抗也就在零点几欧姆左右，因此，这个假设基本上是成立的。第五，理想运放的增益不随频率的改变而改变[14]。当运放用在低频时便符合这一假设。在实际的电路应用中，其通常通过结合某种反馈结构，共同构成具有一定用途的电路模块。其输出与输入信号的关系可以是微分或积分、相加或相减等数运算关系。可以构成微分器、积分器、比例放大器和差动放大器、以及对数放大器等[15]。17 西安电子科技大学硕士学位论文3.2比例运算放大器比例运算放大器就是将输入信号成比例进行放大的电路，比例运放又分成差动比例运放、反比例运放以及同相比例运放。比例运算放大器目的是用于处理变化连续的电流或者电压信号。运算放大器在任何电路中都是特别重要的器件。3.2.1反相比例放大器一、电路运行原理图3.1反相比例放大器电路原理及输出波形图对反相比例放大器来说，其运放的同相输入端是接地的。当反向端的输入信号为零时，若输出电压大于零，输出信号就会经过电阻R2反馈回输入端，导致输入端的电压大于零。此时又由于反向端的电压信号比同相端的电压高，就会导致输出电压为负[16]。若输出电压此时又低于零，就又会经过电阻R2反馈回输入端，使反向端的电压又小于零。此时反向端电压信号低于同相端，就又会使输出的信号变为正。因此，仅有在放大器的输出是零时，才会通过反馈使反向端电压等于同相端电压，并且稳定为零。在输入电压Ui大于零的情况下，根据理想变压器的虚地特性，反向输入端电压等于同相输入端电压等于零，那么流经R2和R1上的电流大小为UiR1，电流方向是从R1流向R2，则由此可以算出输出电压UiUR(3-1)O2R1当输入电压Ui小于零时，根据虚地特性，流经R2和R1上的电流大小依然为UiR1，电流方向是从R2流向R1，输出电压为(N1)NI1f4(3-2)fc18 第三章信号采集电路设计与实现综合上述分析得出，反相比例运算放大器的输出信号为R2UU(3-3)OiR1电压增益为R2A(3-4)uR1二、运放的虚短和虚断特性运放运行在线性区时，由于反馈电阻网络的存在，总会使输出端电压的点化反馈给输入端，最终使反向端电压等于同相端电压，虽然反向端没有与同相端在电气上相连，但等同于它们直接相连，可以看成同相端与反向端之间短路了，所以叫做虚短。如果运放的同相端接地，那么根据虚短现象，反相端的点位也就为零，虽然电气上没有与地直接相连，却等同于接地，因此叫做虚地[17]。三、反向比例放大器的输入阻抗Ri输入阻抗就是输入电压与电流之比。反向放大的时候，需要把信号源的内阻考虑进去。通常为了减小偏置电流带来的影响，还有就是降低噪声和温漂的影响，这个输入电阻一般选择在10K～100K左右的区间。如果反比例放大器的同相端是接地的，根据运放的虚地特性，反相端的电压也为零，因此反比例放大器的输入阻抗Ri就等于电阻R1。四、反向比例放大器的输出阻抗Ro反比例运算放大器的输出阻抗等于输出电压与电流的比值。鉴于反馈电阻网络的调节，输出电压永远满足R2UU(3-5)OiR1输出电压的变化与输出电流并无关系，也就可以认为运算放大器的输出电阻为零。3.2.2同相运算放大器一、电路运行原理19 西安电子科技大学硕士学位论文图3.2同相比例放大器电路原理及输出波形图对同相比例放大器而言，它的反相端是接地的。在同向端的输入电压等于零的情况下，若输出电压大于零，输出信号就会经过电阻R2反馈到反相端，导致反相端的电压信号大于零，就会导致输出电压是负[18]。若输出电压此时又低于零，就又会经过电阻R2反馈给反相端，使反向端的电压又小于零。反向端电压信号比同相端低，就又会使输出电压信号变为正。因此，仅在放大器的输出等于零时，才会通过反馈使反向端电压等于同相端电压，并且稳定为零。在输入信号电压Ui大于零时，根据理想变压器的虚短特性，反向输入端电压等于同相输入端电压等于Ui，那么流经R2和R1上的电流大小为UiR1，电流方向是从R2流向R1，则由此可以算出输出电压UiURU(3-6)Oi2R1当输入电压Ui小于零时，根据虚短特性，流经R2和R1上的电流大小依然为UiR1，电流方向是从R1流向R2，输出电压UiURU(3-7)Oi2R1综上所述，我们可以得出同相比例放大器的输出信号R2UU(3-8)OiR1电压放大倍数R2A1(3-9)uR1二、同向比例放大器的输入阻抗Ri鉴于运放的虚短性质，同相端和反向端的的电压始终保持相等，因此同相端和反20 第三章信号采集电路设计与实现向端的压差为零，因此反相端与同相端的电流变化不存在，运放同相端自身的输入阻抗无限大，∆U∆I=∞。如果同相输入端的对地阻抗是Riz，那么它的输入电阻就等于Riz[19]。三、同向放大器输出阻抗Ro鉴于反馈网络的调节作用，输出端电压永远满足UiURU(3-10)Oi2R1因此，在运放输出负载的能力范围内，输出电压与负载阻抗的变化并无关系，也就可以认为运放的输出电阻为零。表3.1比例运放种类及其参数运放种类特性同相比例放大器反相比例放大器输入阻抗RizR1输出阻抗00放大倍数1+R2R1−R2R1输出信号相位与输入信号同相与输入信号反相3.3对数放大器在现代社会中，通常会存在一些动态范围很大的信号。例如在声呐、雷达系统中，其接收机的接收信号范围可以达到一百多分贝，动态范围很宽会给电路设计带来很多困难。首先，对线性放大器来说，它没有办法对如此宽的动态范围进行处理。其次，在模数变换中，为了确保一定的分辨率，如果动态范围过大，AD的位数也会随着增加。所以，当我们需要分析的范围非常宽时，通常把宽的范围压缩至我们有能力分析的程度。若在某个阻抗是线性的系统中，那么我们既能够用电压也能够用功率来表达信号的动态范围[20]。对信号的压缩过程有非线性与线性两种形式。线性压缩方法指的是信号的强弱和放大器的放大倍数没有关系，几乎恒定的输出值。首先线性压缩可以减小谐波失真，从根本上来讲属于压控型的放大器。在非线性压缩的应用实例中应用最多的便是对数放大器。也就是说该放大器的输入输出成对数关系，其增益大小可随信号改变，当信号变大时其增益减小，反之其增益增大。像对数放大器的非线性压缩技术已经在雷达、通信中有着非常普遍的应用。一直以来，大多数人对对数放大器的理解不是很清楚。人们常常只关注它作为一21 西安电子科技大学硕士学位论文个放大器的放大作用，而很少关注它非线性的特质。例如对于射频与中频放大器，他确实对于小信号表现出比较大的增益，但是也精确地完成了对数变换的功能。3.3.1对数放大器的分类如今人们所用的对数放大器，依据其应用领域与结构的差异，能够把其分成三种类型：基本对数放大器、解调对数放大器和基带对数放大器[21]。基本对数放大器是利用三极管输出与输入的对数性质以完成对信号的转换。此类对数放大器能够对变化特别慢的输入信号有响应，它的优点在于拥有很宽的信号动态范围（可达到180分贝）以及很好的直流精度，不足之处在于它的交流特性不是很好。基带对数放大器我们也称视频对数放大器，其有效避免了基本对数放大器的不足之处，可以对变化非常快的输入做出响应。它的工作原理就是通过运用逐级压缩的技术，结果得到的交流特性比较好，但是信号的动态范围就没有那么大了。解调对数一般又叫做逐级检波对数，该放大器具备很多出色的性能，比如分段线性近似的特性，利用该特性构成对数级联以后，能取得非常好的级联函数，对数放大器在动态范围内的精度非常高，而且动态范围也同样大[22]。3.3.2对数放大器的技术指标因为对数放大器的指标与工程实践息息相关，所以我们需要对其中的一些指标进行说明。它们也是在分析和使用对数运放时需要关心的问题。一、噪声几乎所有的系统都会被噪声干扰，所以就有了对信号可被识别或检测的最低门限。输入端的信号带宽与随机噪声有着紧密的关系，通常用噪声频谱密度来表示随机噪声，系统的噪声带宽通常与总噪声功率成正比关系。针对线性系统来说，噪声带宽一般说的是3分贝带宽。然而对于非线性系统而言，比如说对数放大器，那么就截然不同了，就算是输入端存在非常小的噪声，放大器的末端都可能导致很大的输出。所以对数运放的不足之处在于会减小较大信号的信噪比（SNR）。因此在对数运放的前一级，噪声都很低[23]。二、交调失真在射频领域应用中，两个某一单一频率信号的交调失真非常关键。因为它代表了交调失真的质量因数。幅度传递函数的非线性特性会造成谐波失真。两个或是多个频率不一样的信号相混合会导致交调失真。当输入的信号中仅含有单一频率的时候，运放的输出端信号只会发生谐波失真，如果输入的信号中含有两种频率，那么输出端信号不但会发生谐波失真也会发生交调失真。这时的输出信号会包含很多分量，如有用信号、直流偏移、二阶交调失真和二次谐波，以及三阶交调失真和三次谐波等。大部22 第三章信号采集电路设计与实现分信号的交调失真是能够滤掉的，但是在输入信号的几个频率相差很小的情况下，三阶及以上的交调失真会很滤掉。一般来讲，三阶的交调失真和窄带有一定联系，而二阶的交调失真和宽带应用有一定联系[24]。三、动态范围在可以确保精度的情况下，系统信号动态范围的下限与噪声有关，而范围的上限则容易受到非线性特性的制约。所以在实践过程中，系统信号的动态范围是根据信号的总谐波失真的可接受程度而得到。或者是规定让系统的实际功率比理想功率少一分贝的信号[23]。可以看出，如若测定系统信号的动态范围，取决于信号的处理方式和信号性质，二者缺一已不可。实际上，信号处理系统的核心是让它可以最大程度对信息还原。四、对数斜率和截距对于对数放大器来说，斜率和截距是表示其传递函数的两项重要指标，在输入信号很小时，可以近似认为对数函数是线性的，函数曲线相对平缓。当信号进一步的增大，对数曲线趋近于直线，对数曲线斜率的定义是：输出信号（V）/输入信号（dBm）。如果把对数函数图像的线性区域加以延伸，则延长线和横坐标轴的交点叫做截距，代表了对数运放对微小信号的放大倍数；斜率代表了信号的输出随输入的变化率，称为对数斜率[23]。从对数的斜率可以看出其放大倍数随信号大小的改变。五、对数一致性误差把失调分量和电流误差滤除以后，对数一致性误差是指对数运放输出的真实值与通过方程所得出的理论值的偏差。它跟器件的频率特性、温度、动态范围有很大关系。一个对数放大器成品出来以后，它相应的一致性误差基本上就确定了。所以，在一个已知的误差范围，对数放大器对应的动态范围也就基本定了下来[25]。例如，AD8307的对数一致性在100Hz时为±0.3dB，500Hz为±1dB。3.4FID中对数放大器的选型及理论推导众所周知，基本对数放大器的优点是具有很宽的信号范围以及很好的直流精度，适合对低频或者是直流信号功率进行测定。这样的模拟集成电路有AD8304、AD8305。基带对数放大器的特点是具有很好的交流特性，对变化非常快速的的输入信号有一定的输出响应，但是动态范围有点小，适合在高速I/O等情况下使用。相应的器件有AD8364。解调对数放大器的输出频率响应范围宽，动态范围也比较大。特别适合对脉冲信号进行频谱分析、中频放大等应用。对数运放是一种输出与输入信号呈对数关系的电路。工程实践中的对数运放既有线性功能又有放大的功能。当输入的信号相对比较小的时候，它具有线性放大的功能，放大倍数很大；在输入的信号比较大的情况下，它具有对数放大的功能，其倍数随信23 西安电子科技大学硕士学位论文号的增大而降低[26]。在很多线性范围比较宽的系统使用对数放大器能够实现功能，它可使小信号得到足够的放大倍数，对于大信号其放大倍数则会自动降低，达到避免饱和的作用。在FID测试时比例运放的缺点是要根据出峰情况手动调整放大倍数，十分不方便。而对数运放可以缩小量程，自动调节。图3.3对数放大器电路原理图ic输出电压UuUln(3-11)ObeTIsUi由于i(3-12)cRUi得出UUln(3-13)OTIRs从而，实现了对数运算。由于对数运放的动态范围特别大，因此特别适合对数据进行压缩。假定信号的输入是从1V到10V，并且规定信号的分辨率在1V的时候为1%，为了确保精度，当信号在10V时的分辨率就是0.1%，就需要转换位数是十位的AD转换器。若保持固定的分辨率，信号的输入范围变成10V到10MV的时候，则最少要十六位的AD转换器。如果改用对数放大器，由于它的动态范围可达到103，要保证分辨率仍为1%，那么用12位AD足矣。所以对数放大器在数据压缩领域有非常广泛的应用，对数放大器通常要加在数据采集装置的前面，接着把运放输出信号送到采集卡上的模拟端，再经过电平转换之后送到模数转换器进行处理[23]。芯片选型：选型过程中要看芯片的datasheet，有一些运放参数一定要看，这些参数在数据手册中分成三种主要类型：推荐工作条件、电特性、绝对最大值。后者指的是极限值，24 第三章信号采集电路设计与实现一旦某些指标大于规定的值，那么元件的寿命就会减少。因此，在元件的测试或使用时最好不要超过最大值。顾名思义，最大值与极限值的意思相同，因此，若是将极限值的最大和最小作为端点，那么就构成了“范围”。推荐工作条件与上述绝对最大值有相同之处，即如果没有在规定的范围就会造成不好的结果。但并不代表没有在规定范围就会损坏元件。电特性是指元件的可以被测量的指标性质，这些性质是在元件被设计的过程中带有的。当元器件搭建电路时，了解电特性可以预测元件的性能。数据手册上电特性表中出现的数据是元件在推荐工作条件下取得的。常用到的运放选型参数有失调电压（运放的输出端电压是零的情况下，两个输入端之间所加的补偿电压）、失调电压的温漂（在一定的温度范围之内，失调电压的变化与温度变化的比值）、输入偏置电流（指第一级放大器输入晶体管的基极直流电流）、失调电流（当运放的输出直流电压是零时，其输入端偏置电流的差值）、输入阻抗、压摆率（一个大信号输入到运放的输入端，运放输出的斜率）等。因为我们需要测量的电流十分微小，而AD549的失调电流比一般的运放小，而且有低噪声、快响应与低漂移的特性，特别适合用于输入电流小和偏置电压低的情况。它非常适合用于输出电流信号的系统[27]。所以我们选AD549，当然也比较贵。MAT01AH温度系数一致性好，温漂小，对称性也较好，所以选择MAT01AH。表3.2AD549的主要特性AD549JAD549K参数最小典型最大最小典型最大单位输入偏置电流共模输入，VCM=0V15025075100fA共模输入，VCM=±10V15025075100fA共模输入TMAX，VCM=0V114.2pA失调电流5030fATMAX处失调电流2.21.3pA输入失调电压失调0.51.00.150.25mVTMAX处失调电压1.90.4mV受温度的影响102025μV/℃受电源的影响321001032μV/VTMIN~TMAX,受电源影响321001032μV/V长时间失调稳定性1515μV/month输入阻抗差模VDFF=±11013‖11013‖1Ω‖pF共模VCM=±101015‖0.81015‖0.8Ω‖pF25 西安电子科技大学硕士学位论文FID对数放大电路如下：图3.4FID对数放大电路vv0V(3-14)12icvuuUln(3-15)3ebbeTIsvref2.5Vi0.1mA(3-16)cRR22K3K78iinvvUln(3-17)43TIsivv2Uln(3-18)64TIs根据虚短vV0(3-19)6输出电压uiR0.25(3-20)o136最后得出输出函数ui0.110100.25(3-21)o3.5FID信号采集电路仿真对于上一小节得出的输出电压理论计算公式，我们用Multisim进行了电路仿真，26 第三章信号采集电路设计与实现并将其与理论值进行对比，最后得出的结果在可靠范围内。我们进行的可行性分析如下：图3.5FID对数放大电路仿真图1当输入电流为10nA时，理论输出250mV，实际输出250.253mV。图3.6FID对数放大电路仿真图2当输入电流为10pA时，理论输出316.mV，实际输出342.mV。可见，实际输出值与理论输出值基本相等，实现了最终的目标。PCB的绘制及调试：27 西安电子科技大学硕士学位论文图3.7FID对数放大电路PCB电路仿真通过之后，开始绘制PCB板，绘制过程中模拟电路部分需要注意将容易发热的元器件尽量远离运放、电感等敏感器件，对于滤波功能的电容要尽可能离主元器件近。地线与电源线要宽，敏感信号线布线时要尽可能短，防止受电磁干扰；走线不允许出现钝角和直角，这样会导致电流不连续；线与线之间最好是平行，而且绝对不允许交叉。在整个FID线路板上，模拟部分要用金属壳封闭，屏蔽外界电信号干扰[28]。在调试过程中，除了测量电源部分是否正常供电，模拟部分主要是联机调试，看噪声和基线漂移是否在合适范围内。一般噪声要控制在10uV之内，基线漂移控制在25uV之内。放大电路部分的电路板如下，调试时需要在其上面扣上一金属盒。图3.8FID对数放大电路电路板28 第四章点火电路设计与实现第四章点火电路设计与实现在进行点火之前，FID离子室内的温度一定要在100℃以上，不然离子室内壁会有水分，从而使收集极不能良好绝缘，造成放大器无法实现调零的现象[29]。在此过程中仍需注意，在刚开始启动仪器后，可能检测器显示的温度已达到100℃，但是加热体中心与离子室还有一段距离，所以需要再多等待一些时间，直到离子室的实际温度升至100℃以上再进行点火。点火后直接对火焰进行观察，看氢火焰是不是过旺，如果火焰过大以致烧到收集极，那么就要调节各路气体的流量使氢火焰变小，如果可以的话最好在点火之前事先设置最佳气流比。如果把空气换成氧气，注意这时需适当增大尾吹气的流量，保证不灭即可。如果气路已调好，火焰应该呈淡蓝色或是没有光的微小火焰。点火装置主要是将点火丝的电流达到2A左右，它就可以自动点火。4.1脉宽调制（PWM）开关电源简介在电子线路中，电源处于特别重要的地位。即便脉宽调制（PWM）开关电源已经出现很长时间了，但很久之后才有广泛的应用。开关电源是利用场效应管和晶体管等电子开关器件，通过对电路进行有效控制，使电子开关处于不断的关断和接通状态，从而实现对输入电压的脉冲调制[30]，以及直流到交流、直流到直流的电压转换，完成可调的输出电压和自动稳压的功能。在实际应用中开关电源相对于其他的线性电源，有非常多的不同之处。在输入功率相同的条件下，线性电源的效率远不及开关电源的效率高，而且开关电源的体积小，但是设计起来没有线性电源容易。比较晶体管在两类电源下的工作状态，线性电源是将晶体管工作在放大区状态，而脉宽调制开关电源则是将晶体管工作于开和关两种状态。功率晶体管处在开关状态时，管自身产生的功率是很小的（在导通状态下，管压降很低，通过管子的电流大；闭合状态下，管压降高，但通过管子的电流很小）。所以开关管上的损耗就很小[31]。PWM开关电源与线性电源的不同之处是在于它效率非常高的工作方式，PWM开关电源是把直流电压经过斩波之后变成幅度值不变的脉冲形式的电压来工作的。至于输出脉冲电压的占空比则是通过控制开关电源频率的信号来决定。如果输入的直流电压被转换成交流的方波形式，那么它的幅值就可使用变压器实现增大和减小。通过改变变压器的初次线圈比就可以控制输出电压值的大小。开关电源的工作形式一般分为两类：升压式和正激式。虽然它们各部分的结构形式没有什么太大差别，但工作过程会相差非常大，每种方式都有各自的工作场合。对于正激式变换：在输出的纹波上会比升压式变换器的小，而且输出功率较高，可以输29 西安电子科技大学硕士学位论文出几千瓦的功率。由于升压式变换器的峰值电流比较高，所以只适用于功率小于150瓦的场合，在几乎所有的拓扑结构中，只有此类变换器所需要的元器件最小，因此经常应用于中功率或小功率的场合。对开关电源进行设计时，首先要考虑的是采用哪种拓扑结构。在设计开关电源的过程中，选择哪种拓扑形式取决于电源中各组成元件如何分布。此种布置有着非常重要的意义，它与电源可以提供给负载的最大功率以及在什么环境下才能安全工作息息相关。这也是考虑在设计中如何取得高的性价比的重要依据。由于电路中开关器件的链接形式不同，现在应用非常普遍的开关电源一般来说可以分成：变压器式、并联式和串联式开关电源三种[30]。当中的变压器式又能够分成：全桥式、推挽式、半桥式等很多种形式；根据其输出电压的相位和变压器激励的形式不同，其又可分为：单激式、双激式以及正激式和反激式等。我们接下来对BUCK电路做详细的分析。4.2BUCK降压电路对于单片机和集成电路来说，需要的都是直流低电压，首先就要把市电AC（交流）220V经过全波整流到DC（直流）310V，然后就需要将其降压到+15V，+5V，+3.3V等低电压，这个过程就需要BUCK降压电路来解决。图4.1BUCK降压电路原理图假设我们要将电压降到5V。首先，负载端加电容以后，会使负载电压Vout相对稳定，而且在电源关断状态下能够维持负载的正常工作。由于电源直接给电容充电会产生浪涌电流，会损坏开关和电容，所以要在电容前面加一电感，之所以不用电阻是避免能量损耗，电感是电抗元件，有阻性且无损耗。当电感饱和时，对电流的阻碍作用为零，会急剧发热，所以电感前端要加一个二极管作为放电回路。这样就能得到一个输出相对稳定的电压[32]。t电感电流iV1e（4-1）Lin分析R=0时电感上的电流波形：感应电动势等于外部电压；30 第四章点火电路设计与实现diuL(4-2)Ldt电感的电流以相同的斜率递增来维持外部电压不变，所以didt不变。由电感电流方程VtRItine(4-3)1R可知，当R=0时，dVIt()in(4-4)dLt在开关闭合状态下，电流升高过程的斜率为VinL；在开关断开状态下，电流下降斜率为0.7L。要想电感上的电流稳定，就一定要遵守伏秒法则。即tVtV(4-5)onomoffoff由伏秒法则可得出占空比VoD(4-6)Vin电流的纹波率I(4-7)IL电感电流在连续模式下ρ的取值在0~2之间，考虑到电感的体积和成本，一般工程上取ρ=0.4。总结：1.电感的感应电压和电流的斜率有关，和电流大小没有关系；2.电感电压与开关动作总是相反；3.电感电压由Vin和Vout决决定；4.电感的平均电流等同于负载上的电流；电感的计算：电感感应电压=电流变化率×L31 西安电子科技大学硕士学位论文IVL(4-8)LtVIo再由D和可得VIinLVD(1)OL(4-9)IfO4.3FID点火电路设计VF_PWM是单片机提供的一个PWM波，通过控制Q5的通断来控制Q4的通断，形成一个开关电源，对LC不断地充电放电，最后输出一个稳定值的电压。P5是接点火丝的接插件，它的电阻是2Ω，它的额定电压是4V，即当它两端的电压达到4V或是它上面的电流达到2A以上时点火丝就会变红，达到点燃氢气的目的。另外，用MOS管作为开关管是由于管子本身在导通和关断时不会产生损耗。Ton所以有V4(4-10)dcTTonoffT1on占空比就确定为D(4-11)TT6onoff图4.2FID点火电路原理图4.3.1输出滤波电感的设计当负载电流为斜坡峰—峰值的一半，即Io=(I2−I1)2时，斜坡的最低点正好降到零。此最低点的电感电流是零所以储存的能量也是零。如果电感电流再次降低，电感就会转入不连续工作状态，波形就会产生震荡。选择电感时应该保证当直流为规定32 第四章点火电路设计与实现的最小电流（一般为额定负载电流的百分之十）时，也应保持电感电流的连续性。电感电流的变化率为dI=(I2−I1)，因为当电感电流的斜坡峰值等于直流电流的二倍时，电感电流就会进入断续工作模式，则I0.1I(II)/2或(II)/2dI0.2I(4-12)o(min)on2121on而且dIVT/L(VV)T/L(4-13)Lon1oon式中，V1为Q1发射极端的电压，并非常接近于Vdc，所以(VV)T(VV)T(VV)11dcoondcoondcoL(4-14)dI0.2I0.2I6fonon这里频率f在单片机能承受的范围内取得越大越好，就可以确定L的值。4.3.2输出滤波电容的设计所选择的输出电容C必须能够满足某些特性要求。C并不是理想的电容，它可以等效成电感L0和电阻R0与理想电容C0的串联。R0称作等效串联电阻（简称ESR），L0称作等效串联电感（简称ESL）。通常情况下，若我们考虑纹波电流的幅值，那么最好是让纹波电流的分量尽量全部都流到输出电容C0。所以输出的纹波电压由等效串联电感L0、等效电阻R0和输出端的滤波电容C0决定。对频率较低的纹波电流来说，等效串联电感L0可以忽视掉，纹波一般取决于R0与C0。实际的转变频率与电容的设计有关，并且电容的生产水平不断改善。转变频率一般大于500kHz。因此，大约低于500kHz时，L0可以被忽略。C0多数情况是数值较大的电解电容，所以在电源开、关对应频率的地方，C0所造成的纹波要比R0的纹波小。所以在中频阶段，对一阶系统来说，输出的纹波大小几乎等同于L的交流纹波与R0的乘积。为选择电容并对这些纹波分量进行估算，就一定要知道R0的值，但是电容厂家几乎不会直接给出此数值大小。然而从很多供应商给出的产品说明上能够看出，对于大范围内容值不同、电压不同经常使用的电解电容，它的容值接近于固定常数，为50~80×10−6ΩF。目前低ESR的电解电容已投入使用，其ESR值由厂家提供。设阻性纹波峰峰值V0.2V(4-15)rr33 西安电子科技大学硕士学位论文则需要的ESR为V0.2rrR(4-16)0dIIi21R5.0(4-17)06由RC5010得0065010C100F(4-18)05.04.4电路仿真点火丝的点火电流在2A到4A之间，所设计电路的点火电流达到2.594A，可以达到自动点火的目的。图4.3FID点火电路仿真图点火的方式有很多种，例如从仪器上方用点火枪进行点火，将点火线圈的其中一端和极化极相连，把剩下的一端悬空。点火时把线圈两端连通，使线圈能够导电发热，点火之后给线圈加一定值的电压。点火电路的PCB设计如下：图4.4FID点火电路PCB34 第五章高压电路设计与实现第五章高压电路设计与实现在氢火焰离子化检测器的气室上方有两个电极，需要把直流300V的高压加在离子室的发射极，使发射极与收集极之间形成高压电场。被氢火焰破坏的样品离子化后，在电场的作用下流向收集极，完成微小信号的采集。本章采用电容二极管倍压整流电路原理对300V的高压电路进行设计并仿真，最终达到预想值。5.1电容二极管倍压整流电路原理倍压整流的思想是用一般的电容器和二极管，把交流低压转换出一个直流高压的过程。依据输入与输出电压的倍数关系可以分成二倍压、三倍压以及多倍压整流的电路形式。倍压整流电路常用于输出为高压而且输出的电流很小的情况[33]。如图是二倍压整流电路。电路的组成元件中有2个电容器，2个二极管，以及一个变压器。其工作原理如下：图5.1二倍压整流电路图E2为经过变压器放大过的交流电压信号，在信号曲线的上半周，D1处于开通状态，D2反向截止，E2上的电压对电容C1进行充电，直到电容C1上的电压近似等于E2的峰值UE2(5-1)c12并且几乎保持不变。在信号曲线的负半周时，二极管D2处在开通状态，而此时Dl反向截止。这时，C1上的电压Uc1与E2共同作为电源对电容C2进行充电，最终充电电压为UE22(5-2)c22如此循环对电容进行充电，电容C2两端的电压Uc2就大致等于变压器次级线圈上电压的两倍，因此也叫二倍压整流。35 西安电子科技大学硕士学位论文若是在二倍压电路的后端再按照此方式放一个电容C3和二极管D3，那么构成的电路就是三倍压整流，如下图所示。三倍压整流电路与二倍压整流电路的电路形式和[34]：在E工作原理相似2的电压信号首个正半周和负半周经过时，分析方式与二倍压完全一样，即信号第一个正半周时电容C1两端的电压被充到√2E2，第一个负半周时电容C2两端的电压被充到2√2E2。当信号到第二个正半周时，二极管D1和D3处在开通的模式，而D2不导通，此时电流除了经过D1对C1进行充电外，又通过D3对C3充电，电容C3上的电压Uc3就等于E2的峰值加上Uc2再减去Uc1，这样输出直流电压就可实现三倍压整流。UUU32E(5-3)scc1c32图5.2三倍压整流电路原理图以此类推，如果再多添加几个整流二极管和相等数量的电容器，就能实现多倍压整流电路的设计，当二极管和电容的数量n是奇数的时候，倍压电路的输出电压就从电路上端取；当n是偶数的时候，倍压电路的输出电压就从电路下端取[35]。需要指出，该种倍压整流电路仅适用于负载输出电流比较小的场合，否则会导致负载输出电压低于理论值。对于电容二极管倍压整流电路来说，电路的放大倍数越高，负载输出电流的大小越会影响输出电压的高低。5.2FID高压电路设计项目之前用的是集成好的高压模块，如图5.3。放在PCB板(改进之前的)如图所示的位置。其优点是用起来方便，也实现了试验中所需的高压。图5.3FID高压模块实物图及PCB36 第五章高压电路设计与实现1.FID电路图设计由于市场上的高压模块比较贵，为了节约成本，我们用模拟电子元器件设计高压电路，根据上述倍压整流的原理，我们同样可以利用电压源、电容和二极管、变压器等元器件，应用电容的储能和滤波作用还有二极管单向导通的性能，最终达到将交流12V变换成直流300V左右的高压的目的，类似上一小结的电路结构，我们设计的电路原理图如下：图5.4FID高压电路原理图由于我们用的交流电压源都是5V或12V的低压源，要得到300V高压，需要将电路板上的交流12V转换成直流300V。先用变压器将交流12V变换成交流156V，也就是放大十三倍，然后再将变压器输出的交流156V用电容二极管2倍压整流之后得到直流312V高压。具体公式推导过程如下：UV12(5-4)1T2UU13U156V(5-5)211T1U2U312V(5-6)022.电路参数设计对于上述所设计电路，我们有必要了解的是电容以及二极管的耐压值。对于上图的电路形式，每一个电容两端的电压最大会达到变压器次级电压最大值的两倍，也就是说我们要选的电容耐压值要大于2√2U2，此项目中选的耐压值是1000V。倍压电路的输出电流值不宜过大，若过电流过大，对电容的容值要求就更高。二极管的最大耐压值为2U2。阶数越大的倍压整流电路其带动负载的能力越弱，即使输出的功率很小，也会造成输出电压急剧减小。根据资料显示，电压下降为37 西安电子科技大学硕士学位论文32I(4N3N2)NU(5-7)6fc输出的电压纹波大小为N1NIf(5-8)4fc其中，N为电路的阶数，也就是倍数为2N的电路，I为输出电流，f为交流电源的频率，C为电容量。从公式中很容易知道，电压下降幅度与电容值、交流电源频率和负载都有关。可以通过增大电容值，增加负载和交流电源频率来减小输出电压的下降幅度，同时减小纹波。但是交流电源的频率一般是固定不变的，负载也是不会更改的，只有通过对电容的改变来维持输出电压的稳定。然而电容太大会增加电路自身的体积和成本。通过调试和实验，最后我们选用了1nF的电容，得到了相对稳定的输出。输出波形图如下图所示。图5.5FID高压电路输出电压波形图5.3电路仿真针对上述FID高压电路，我们做了如下的仿真，理论上输出312V，实际仿真输出310.68V，基本符合电路需要。38 第五章高压电路设计与实现图5.6FID高压电路仿真图高压电路部分的PCB如下，为了布局美观，电阻电容等元器件的封装选择尽量一致，由于电路结构比较有规律性，所以布局布线都要方便很多，图看起来也比较美观。由于我们需要测量的输出电压是300V，因此使用万用表进行电路调试的一定要注意安全。图5.7FID高压电路PCB5.4项目实验实验结果要画一个PCB，首先要和结构工程师沟通，确定PCB的尺寸及各个接插件的位置。在对整个PCB板进行布局和布线时，首先要把模拟电路部分与数字电路部分分开，这样在最后铺铜时就避免造成地的不连续。对于运放、电感等敏感器件要远离易发热的元器件，比如电解电容、线性电源芯片。对于输入输出电压跨度较大的电源芯片下面要铺上一大片地，达到散热的作用。然后对数字部分与模拟部分分别进行布局，对于比较敏感的模拟器件以及高速的数字信号线要尽量短。信号线取10mil左右，地线和电源线尽量粗，普遍取20mil或是40mil。整个FID的PCB板如下，包括信号放大电路的部分、信号处理的部分、高压模块部分以及点火部分：39 西安电子科技大学硕士学位论文图5.8FID整体电路PCB板40 第五章高压电路设计与实现由于在实习结束时改进的电路板（带有高压电路部分）厂家还没有寄回来，所以在此附上的是改进前的调试用的电路板。图5.9FID整体电路板经过对电路板的调试，最终信号的放大和滤波处理之后，最终获得的色谱峰如下，它的横坐标是时间，纵坐标是信号幅度，色谱峰表示了检测信号随时间的变化。样品中的各组分要实现完全的分离，一定要满足相邻两个峰之间要保持一定的距离，这与热力学方面有关，而且峰的宽度要小，即峰形比较尖，与样品组份在色谱柱中的扩散行为有关。根据出峰情况与已知数据进行对比，在什么时间出现的峰代表了存在某种41 西安电子科技大学硕士学位论文元素，对应时间出现的色谱峰代表了样品中对应元素的存在。色谱峰的数量代表样品中单组份的数量，最终确定是存在何种元素。图5.10检测输出色谱峰检测器的基线噪声与检测器的干净程度有关，如果检测器或是某部件有污染就会对基线噪声造成影响；还有可能与火焰的异常有关，需要调节氢气的流量以达到氢火焰的正常燃烧；还有最重要的原因，就是色谱柱的老化问题，在进行实验之前，一定要将色谱柱活化好。对于基线噪声，可能由电磁干扰有关，还有就是检查“地”有没有被污染，仪器的地与FID电路板的地要接在一起，否则会造成相当大的噪声污染。最终信号的基线噪声和漂移如下图，实验结果的基线噪声达到2uV，基线漂移是18uV。基线噪声在10uV以内，漂移在25uV之内，就已达到很好的检测效果，所以实验结果还算令人满意。42 第五章高压电路设计与实现图5.11信号基线漂移及噪声43 西安电子科技大学硕士学位论文44 第六章结论和展望第六章结论和展望6.1研究结论通过对FID离子室的结构设计和氢火焰的燃烧程度的控制使样品离子化到最大程度，火焰的温度、有机物在火焰中的离子化效率与氢火焰的形状、温度，以及喷嘴的孔径和材料、还有载气、氢气、空气的流量比等因素有关。在高压电场的作用下离子的收集效率则与极化电压、收集极的形状、电极性、发射极与收集极之间距离等参数有关。在信号采集部分，基于原来采用的比例运放，我们引入了对数运放的思想。比例运放纵使有放大功能，但其存在诸多缺陷，首先在操作上就要根据出峰情况手动调整放大倍数，这给操作带来不便。对数放大器同时具有线性性质和信号放大特性。当输入的是微弱信号时，它起的是一个增益较大的线性放大器的作用；当输入的是较强的信号时，它起的是一个对数放大器的作用，即信号强时增益小，信号弱时增益大。它可以让小信号得到高倍数放大，对大信号可以自动降低放大倍数，从而避免发生失真。同时也避免了比例运放要根据出峰情况手动调整放大倍数的缺陷。最后针对FID中的实际信号采集放大电路进行了理论推导和仿真，对比三组数据，结果与理论值基本吻合。信号处理过程主要是把采集的微小信号放大以后，进行模数转换，转换成数字信号之后再交由单片机进行数字滤波和信号还原，最后把还原的信号送至色谱工作站和上位机进行数据记录，同时也会得到色谱峰。我们首先根据需要对AD、单片机等器件进行选型，在此次过程中我们选用的是ADS1255，它是24位AD，我们实际调的时候用的是21位，精度可达微伏级别，在色谱检测领域已经算是很高。然后设计单片机中的数字滤波算法，根据实际过程中的仿真和比较，我们最后选用平均移动滤波算法。对于加在离子室集电极的高压，我们是通过把交流12V电压转换成直流300V而获取的。首先我们利用变压器，设置初次线圈匝数比为13:1，实现直流电压13倍的放大，再用电容二极管倍压整流电路设计实现了2倍压，倍压整流的过程就是用几个简单的二极管和电容搭建电路，实现把较低的交流电转换出一个高压的直流电，最终获得300V左右的高压直流电。章节最后对FID高压电路进行了Multisim电路仿真。最后我们利用开关电源控制点火丝上的电流，此项目中当点火丝的电流达到2A就可以使其自动点火。首先，相对于线性电源来讲，开关电源的效率高，而且可以通过PWM波控制其通断，所以我们选择了开关电源。通过对开关电源BUCK电路的深入理解和总结，推导出理论的电感值，设计了输出滤波电感和电容值，最终实现了45 西安电子科技大学硕士学位论文点火丝上的额定电流输出。6.2研究展望氢火焰离子化检测器在结构的设计和性能上已经达到了一定的水平，但是在配合不同仪器使用时还需注意诸多细节，在实践中多加摸索。在本次项目中，我们所应用的平台是气相色谱仪，通过这段时间的测试也发现了一些问题和需要改进的地方，总结如下：1.在基线漂移和噪声方面虽然已经达到检测的标准，但需要继续努力和改善。2.灵敏度过高对环境要求就高，在这一方面还有待解决。3.在电容二极管倍压整流电路中，由于电容是串联放电，会产生较大纹波，还有继续改善的的空间。4.寻峰算法在检测过程中有相当大的影响，所以在算法方面还有待提高。46 参考文献参考文献[1]成钢.《燕山石化气相色谱仪的检定方法、不确定度评定及计量学保证》[R].北京:中国石油学会.第七届全国石油化工色谱学术报告会.2004-09-01.[2]易路遥.《丁酸单双甘油酯的合在及检测分析》[D].南昌大学.2011.[3]申爽.《基于固体成像器件的液相色谱检测器研究》[D].大连理工大学.2007.[4]张军杰.《采用毛细管柱与双柱箱结合的矿用气相色谱仪研究》[D].煤炭科学研究总院.2011.[5]李世刚，胡平，李振宇等.《地表水环境质量标准中特定项目乙醛、丙烯醛、丙烯腈和吡啶顶空-气相色谱(GC-FID)检测方法研究》[D].2013中国环境科学学会学术年会论文集（第五卷）.2013.[6]陆峰，李玲，孙鹏等.《填充柱和毛细管亚临界水色谱-FID检测的研究》[M]，2001.[7]陈星.《呼吸检测电子鼻及其在肺癌诊断应用中的研究》[D].浙江大学，生物医学工程，2008.[8]孙立国，周玉文，部敬孝.《车载FID市政管网燃气泄漏预警系统研究》[M]，2010.[9]艾宏志.《机动车尾气有机成分分析及天然水体中全氟有机物分析》[D].西北师范大学.2010.[10]卢晓燕.《西洋参提取物去除农药残留的工艺研究》[D].天津大学.2002[11]王海东.《药物及其代谢产物的四极杆飞行时间串联质谱研究》[D].中南民族大学.2013[12]吴宗贤.《食品中兽药残留的液相及液-质联用检测方法研究》[D].江南大学.2007[13]李鹏刘力源李冬梅.《一种高速高精度比较器的设计》[J].《半导体技术》.2010年10期:P1011—P1015.[14]徐庆姜子豪郭佳晗.《弱信号测量放大器设计与制作》[J].《科技风》.2013年11期:P22—P22.[15]黄萍.《地面数字电视路测系统的研究与设计》[D].天津大学.2009.[16]韩华.《集成运算放大器中反馈类型的分析方法》[J].《中国校外教育（理论）》.2008年4期:P88—P91.[17]朱少根潘强李源.《应用"虚短"和"虚断"求运算放大器的传输特性》[N].《电气电子教学学报》.2002年6期:P45—P53.[18]赵金龙.《集成运放线性和非线性应用浅析》[J].《中国新技术新产品》.2009年20期:P102—P105.[19]殷春英王学军.《比例运算电路与加减运算电路教学探究》[N].《衡水学院学报》.2014年1期:P79—P81.47 西安电子科技大学硕士学位论文[20]罗鹏丁亚生.《对数放大器的原理与应用(上)》[J].《电子产品世界》.2005年7期:P127—P128.[21]刘继华.《应用于卫星通信的功率放大器和无线传感网的RSSI电路设计与实现》[D].东南大学.2009.[22]梅晓云.《局放检测超声波传感器电路设计与应用》[D].西安电子科技大学.2012.[23]马战刚.《大动态高增益雷达接收机设计》[D].西安科技大学.2010.[24]赵慧.《功率放大器预失真线性化的设计与实现》[D].华中科技大学.2002.[25]梁懿.《L波段雷达接收机的设计》[D].电子科技大学.2014.[26]刘舒.《电波钟表专用接收系统的设计》[D].哈尔滨工业大学.2011.[27]聂舒华.《高场非对称波形离子迁移谱电流检测单元的研究》[D].西南科技大学.2009.[28]郭秋香.《称重仪表线路的抗干扰设计》[C].济南金钟电子衡器股份有限公司.首届全国称重技术研讨会.地点:成都.1999-11-01.[29]马敏.《气相色谱仪——氢火焰离子化检测器常见故障及排除方法》[J].《科技创新与应用》.2012年26期:P23—P26.[30]MartyBrown著.徐德宏，沈旭，杨成林译.《开关电源设计指南》[M].机械工业出版社.2014.[31]王玥.《开关电源的原理布局和故障检修分析探讨》[J].《电子世界》.2014年4期:P33—P33,34.[32]张斯珩袁开艳.《浅谈三端可调集成稳压器的应用》[N].《江西电力职业技术学院学报》.2008年4期:P8—P10.[33]陈彦龙李凯刘长军.《一种915MHz紧凑型肖特基二极管微波整流电路》[J].《信息与电子工程》.2012年1期;P64—P67.[34]张建华.《悬臂梁压电俘能器理论模型及电能存储电路的研究》[D].东南大学.2011.[35]张晶.《运动体振动能量向电能的转化与存储技术研究》[D].河北工业大学.2010.48 致谢致谢本论文是在校内导师和公司里面的技术导师的悉心共同指导下完成的，从论文的选题到论文的撰写，无不渗透着导师的心血。经过几个月的学习和工作，本次毕业设计即将接近尾声。值此论文完成之际，谨向指导我毕业设计的王爽老师，还有在公司指导我的领导和同事，感谢你们在百忙之中还要指导我学习，在这里允许我致以最诚挚的敬意和深深的谢意！在公司实践期间，领导时刻关心着我的毕设论文进展，并让我自己动手去做很多东西，让我学会了很多书本上学不到的知识。我的同事王金涛在整个实践过程中，细心的指导我每一个细节，针对我的一些问题，他也总能够提出针对性的见解，真的要特别的说声感谢。在毕设期间，王爽老师给予了我悉心的指导和无私的帮助，从毕设的选题到答疑解惑和论文的修改无不凝聚着她的心血。老师在百忙之中仍抽空为我答疑解惑，除了敬佩他的专业水平外，老师严谨的治学作风，对科学真理的不懈追求和忘我的工作精神是我在今后人生道路上的榜样和动力，能有幸接受他对我的学术指导和对我们青年人的谆谆教诲，是我一生的骄傲。其次我要感谢实验室的师兄们，他们在理论知识方面给我很大的帮助，整个教研室充满了自由而严谨的学术氛围，使我在其中受益匪浅。最后，我要感谢我的母校，是母校给我们提供了优良的学习环境和良好的师资配备。在此，我再次说一声谢谢！本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬！由于本人能力有限，论文中肯定还存在很多不足之处，欢迎老师和同学们批评指正，感谢大家！值此论文完稿之际，谨对导师的辛勤培育以及谆谆教诲表示最衷心的感谢!49 西安电子科技大学硕士学位论文50 作者简介作者简介1.基本情况吴雨翠，女，吉林长春人，1991年5月出生，西安电子科技大学电子工程学院电子与通信工程专业2013级硕士研究生。2.教育背景2009.08～2013.07西安电子科技大学，本科，专业：信息对抗技术2013.08～2016.01西安电子科技大学，硕士研究生，专业：电子与通信工程3.攻读硕士学位期间的研究成果3.1参发表学术论文3.2申请（授权）专利3.3科研项目及获奖项目名称：GC-MS6800Premium起止时间：2014.07~2015.07完成情况：GC-MS6800是天瑞仪器精心打造的一款高性价比气相色谱质谱联用仪,GC-MS6800Premium是在其基础上进行改进的一款仪器。GC-MS6800Premium增加了FID、ECD检测器；采用了大功率无刷电机；进样口、检测器采用直流加热，安全性提高；更为美观的人机界面，采用液晶屏及触摸式按键。项目基本完成。作者贡献：设计气路控制模块原理图，独立完成PCB板的设计以及测试；参与AD驱动程序开发；设计触控键盘，触控芯片的选型以及完成PCB的设计；氢焰离子化检测器（FID）电子线路设计，包括单片机及其外围电路，线性电源电路，运放及AD的选型，用示波器，信号发生器等仪器进行电路板调试。51 ＊，Ｉｆ＇為＇；！ｉ＜■■ｔｆｓ３ｆ薩編，＇ｆＶ：＾鑛痴＾＇爲參丢？种我專：ｒＸ１ＤＩ乂ＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ技，．地址：西安市太白南路２号邮编：７１００７１胃ｉｄｉａｎｅｄｕ．ｃｎ网址；ｗｗｗ．ｘ．：／Ｂ：■＇■＇■．圓．＇■