劉松斌 趙 宇 李晶娜 王 威

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院；2.大慶油田電力職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)中心)

TDLAS甲烷氣體檢測中驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

劉松斌1趙 宇1李晶娜2王 威2

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院；2.大慶油田電力職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)中心)

為了滿足TDLAS甲烷氣體檢測要求，以STM32為核心，結(jié)合DAC8830、AD9833和OPA188芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：低頻鋸齒波信號和正弦波信號噪聲小，有效濾除低頻噪聲干擾；將低頻鋸齒波信號與10kHz正弦波疊加，使信號調(diào)制到較高頻率，通過二倍頻正弦波對檢測信號進(jìn)行分析，滿足激光器對氣體檢測驅(qū)動(dòng)信號的要求。

甲烷檢測 TDLAS 驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路 STM32

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)是一種利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光二極管的窄線寬和輸出波長的溫度、電流調(diào)諧特性對分子吸收譜線進(jìn)行測量、分析，得到分子性質(zhì)或濃度的光譜分析方法[1,2]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對氣體檢測精度的要求不斷提高，TDLAS氣體檢測技術(shù)因具有速度快、靈敏度高、選擇性好和非接觸式的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于科研、軍事及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中[3]。

筆者以STM32為核心，利用DAC8830、AD9833和OPA188芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路，通過驅(qū)動(dòng)信號使激光器發(fā)出的波長更加穩(wěn)定，并且圍繞氣體中心波長進(jìn)行掃描，使氣體吸收充分，提高TDLAS甲烷檢測精度，同時(shí)，通過在電路疊加高頻正弦波來減少系統(tǒng)干擾、提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

1 總體結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。激光器驅(qū)動(dòng)信號由直流偏置信號、低頻鋸齒波信號、一倍頻和二倍頻正弦波信號4部分組成。其中直流偏置穩(wěn)定在氣體主吸收峰位置；低頻鋸齒波和一倍頻正弦波通過OPA188產(chǎn)生的加法電路相疊加并加載到激光器電流輸入端實(shí)現(xiàn)對激光器的驅(qū)動(dòng)，使激光器發(fā)出的激光在被測氣體吸收峰附近掃描，將檢測信號調(diào)制到高頻域；二倍頻正弦波用于對檢測氣體進(jìn)行分析解調(diào)。

圖1 驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路的總體結(jié)構(gòu)框圖

2 電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路以STM32為主控制器，集成了SPI、DA、AD及IO等端口，以滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和后續(xù)擴(kuò)展的要求。

2.1 低頻鋸齒波發(fā)生電路

2.1.1 硬件部分

低頻鋸齒波發(fā)生電路(圖2)主要由主控制器STM32、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換芯片DAC8830、OPA188構(gòu)成的電壓跟隨器組成。DAC8830是一個(gè)16位、低功耗、單端電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用3～5V電源供電，具有噪聲低、干擾小及快速穩(wěn)定等特點(diǎn)[4～6]。STM32的GPIO通用輸入輸出端口PA12、SPI1-SCK、SPI1-MOSI分別與DAC8830的片選/CS、時(shí)鐘SCLK和數(shù)據(jù)SDI相連。

圖2 低頻鋸齒波發(fā)生電路

2.1.2 軟件流程

DAC8830與STM32通過SPI方式進(jìn)行通信，為了產(chǎn)生均勻而穩(wěn)定的鋸齒波，軟件采用定時(shí)器中斷的控制方式，具體流程如圖3所示，其中a為自定義變量。

圖3 DAC8830軟件流程

2.2 正弦波發(fā)生電路

本設(shè)計(jì)中10kHz(一倍頻)和20kHz(二倍頻)正弦波發(fā)生電路的核心是AD9833芯片，它是一款能夠產(chǎn)生正弦波、三角波和方波的DDS芯片。該芯片從相位概念出發(fā)直接合成所需波形，具有成本低、功耗低、分辨率高及轉(zhuǎn)換時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種測量、激勵(lì)和時(shí)域響應(yīng)領(lǐng)域。AD9833芯片無需外接元件，輸出頻率、相位等可以通過軟件編程調(diào)節(jié)，具有28位頻率寄存器，當(dāng)主頻時(shí)鐘為1MHz時(shí)，精度可達(dá)0.004Hz。AD9833的核心是28位相位累加器(由加法器和相位寄存器組成)，每來一個(gè)時(shí)鐘，相位寄存器步長增加，相位寄存器的輸出與相位控制字相加后輸入到正弦查詢表地址中[7,8]，再通過3個(gè)串行接口(SPI通信方式)將數(shù)據(jù)寫入AD9833。工作電壓范圍為2.3～5.5V。

圖4 正弦波發(fā)生電路

輸出的正弦波頻率fOUT為：

fOUT=M(fMCLK/228)

其中，M為頻率控制字，數(shù)值由外部編程給定，0≤M≤228；fMCLK為不同頻率控制字下的輸出頻率。

AD9833包含兩個(gè)頻率寄存器和兩個(gè)相位寄存器，其模擬輸出為fMCLK/228×F，其中F為所選頻率寄存器的頻率控制字；信號的移項(xiàng)為2π/4096×P，其中P為所選相位寄存器的相位控制字。

2.3 加法電路

利用兩個(gè)OPA188構(gòu)成加法電路，具體如圖5示。將AD9833產(chǎn)生的10kHz正弦波信號疊加到DAC8830產(chǎn)生的低頻鋸齒波信號上，即可得到激光器的驅(qū)動(dòng)掃描信號。

圖5 加法電路

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過示波器對電路產(chǎn)生的波形進(jìn)行顯示，低頻鋸齒波與正弦波曲線如圖6所示，兩者的疊加波形如圖7所示?？梢钥闯觯P者設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路輸出波形干擾較小，信號穩(wěn)定，充分滿足激光器的驅(qū)動(dòng)需求。

圖6 低頻鋸齒波與正弦波

圖7 低頻鋸齒波與一倍頻正弦波的疊加波形

4 結(jié)束語

筆者以STM32為主控制器，結(jié)合DAC8830、AD9833和OPA188設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于TDLAS甲烷氣體檢測的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路。該驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫中給出的譜線參數(shù)，通過改變注入電流控制VCSEL激光器輸出波長在氣體吸收峰附近掃描，并在波長變化范圍內(nèi)獲得包含氣體濃度信息的諧波幅值信號。通過二倍頻正弦波信號的調(diào)制作用，有效降低了激光器的噪聲干擾，增強(qiáng)了氣體檢測靈敏度，驅(qū)動(dòng)信號的穩(wěn)定性使電路可靠性更高，滿足激光器對驅(qū)動(dòng)波形的要求。

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DesignofDrivingSignalCircuitforTDLASMethaneGasDetection

LIU Song-bin1, ZHAO Yu1, LI Jing-na2, WANG Wei2

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity; 2.ElectricPowerVocationalandTechnicalTrainingCenter,DaqingOilfield)

In order to satisfy TDLAS gas detection, having STM32 cored and DAC8830, AD9833 and OPA188 chips combined to design a driving signal circuit was implemented. Experimental data indicate that, the low signal noise of both LF sawtooth signal and sine wave signal can filter LF noise interference effectively; having LF sawtooth signal superimposed with 10kHz sine wave signal to make the signal modulated to a higher

TH811

A

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劉松斌(1970-)，副教授，從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的工作。

聯(lián) 系 人：趙宇(1992-)，碩士研究生，從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的工作，1045090829@qq.com。

2016-04-29，

2016-08-11)