一种用于作物生长信息监测的信号调理电路的制作方法
【专利摘要】一种用于作物生长信息监测的信号调理电路，其特征是包括前级放大器电路、仪表放大器电路和峰值信号检波电路；前级放大器电路的电流信号输入端连接光电探测器输出端，前级放大器电路的电压输出端连接仪表放大器电路的电压输入端，仪表放大器电路的调制信号输出端连接峰值信号检波电路的调制信号输入端。本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路采用光电二极管接收作物冠层反射的敏感光谱信息，将其转化为电信号，电信号中主要含有固定频率信号（有效信号）、低频日光干扰信号和高频电磁波干扰信号。
【专利说明】一种用于作物生长信息监测的信号调理电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于作物生长信息监测的信号调理电路，尤其涉及基于主动光源的作物生长信息无损监测的信号调理电路，属于作物生长信息智能检测领域。专用于农田作物生长信息的实时、简便、无损获取。
【背景技术】
[0002]作物生长信息无损监测仪是信息农业应用上用于快速、无损获取作物生长指标，指导农田作物的精确管理调控。根据不同的监测原理，作物生长信息无损监测仪可以分为基于被动光源方式和基于主动光源方式两类。与基于被动光源作物生长信息无损监测仪相t匕，基于主动光源的作物生长信息无损监测仪具有不受天气限制、全天候监测的优点。基于主动光源方式含有两种具体的实现模式分别为非光谱调制模式和光谱调制模式，与非光谱调制模式相比，光谱调制模式具有测量精度高、抗干扰能力强、稳定性好等特点。专利201210554515.7公开了一种基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪的装置，提出了采用光谱调制技术对作物生长信息进行实时监测的方法，但未见其关于光谱信号采集装置中信号调理电路设计的相关报道。
[0003]信号调理电路的设计是基于调制光源的作物生长信息无损监测装置的关键技术。在基于调制光源的作物生长信息无损监测装置的设计中，光电探测器输出信号很微弱，且含有日光、电磁波和噪声等干扰信息，不能通过简单的放大处理后使用。需要通过信号调理电路，对光电探测器输出信号进行合适的缓冲、放大、滤波、整形等操作，使其输出信号便于后级电路处理与分析。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种实时性好、工作性能稳定、抗日光干扰能力强、测量结果准确、不受天气制约的一种用于作物生长信息监测的信号调理电路，为基于主动光源的作物生长信息无损监测仪的实现提供技术支撑，为数字农业的精确化管理的实现提供数据支持，实现农田环境下低成本、高精度、便携式测量作物的生长信息。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]一种用于作物生长信息监测的信号调理电路，包括前级放大器电路、仪表放大器电路和峰值信号检波电路；前级放大器电路的电流信号输入端连接光电探测器输出端，前级放大器电路的电压输出端连接仪表放大器电路的电压输入端，仪表放大器电路的调制信号输出端连接峰值信号检波电路的调制信号输入端。前级放大器电路接收光电探测器输出微弱电流信号，并将微弱电流信号放大、转换为电压信号；仪表放大器电路接收光电转换电路输出的电压信号，对其进行信号的放大、滤波、整形等操作；峰值信号检波电路接收仪表放大器电路输出的调制信号，对其进行峰值提取。
[0007]所述前级放大器电路包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3 ;第一运算放大器Ul的反向输入端接光电探测器输入端并与第一电阻Rl的一端连接；第一运算放大器Ul的同向输入端接地；第一电阻Rl的另一端分别与第二电阻R2 —端和第三电阻R3 —端连接，第二电阻R2另一端连接到地，第三电阻R3另一端与第一运算放大器Ul的输出端连接。
[0008]所述仪表放大器电路包括第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第一电容Cl、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻RlO和第十一电阻Rll ;第一电容Cl的一端连接第一运算放大器Ul的输出端,另一端连接第二运算放大器U2的同向输入端；第二运算放大器U2反向输入端分别与第四电阻R4 —端和第六电阻R6 —端连接；第二运算放大U2输出端分别与第六电阻R6另一端、第二电容C2 —端和第八电阻R8 —端连接；第三运算放大器U3同向输入端与第五电阻R5 —端连接；第三运算放大器U3反向输入端分别与第四电阻R4另一端和第七电阻R7 —端连接；第三运算放大器U3输出端分别与第七电阻R7另一端、第三电容C3 —端和第九电阻R9 —端连接；第四运算放大器U4同向输入端分别于第九电阻R9另一端和第十电阻RlO —端连接；第四运算放大器U4反向输入端分别于第八电阻R8另一端和第十一电阻Rll —端连接；第四运算放大器U4输出端分别于第十一电阻Rll另一端和第十二电阻R12 —端连接；第五电阻R5另一端、第十电阻RlO另一端、第二电容C2另一端、第三电容C3另一端连接到地；第十二电阻Rl2与第四电容C4组成低通滤波器。
[0009]所述峰值信号检波电路包括第五运算放大器U5、第一导通二极管D1、第十三电阻R13、第五电容C5 ;第五运算放大器U5的同向输入端分别与第十二电阻R12另一端和第四电容C4 一端连接，第四电容C4另一端接地；第五运算放大器U5输出端与第一导通二极管Dl —端连接；第五运算放大器U5反向输入端分别于第一导通二极管Dl另一端、第十三电阻R13 —端和第五电容C5 —端连接；第十三电阻R13另一端和第五电容R5另一端连接到地，第十三电阻R13与第五电容R5组成低通滤波器。
[0010]所述仪表放大器电路中的电阻阻值应满足的关系式为:R6=R7，R8=R9。第六电阻R6和第七电阻R7的阻值相同，第八电阻R8和第九电阻R9的阻值相同。
[0011]本发明的有益效果:
[0012]本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路采用光电二极管接收作物冠层反射的敏感光谱信息，将其转化为电信号，电信号中主要含有固定频率信号(有效信号)、低频日光干扰信号和高频电磁波干扰信号。
[0013]本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路采用电容耦合的方式将光电转换电路与仪表放大器电路连接起来，可有效去除信号中的低频日光干扰。仪表放大器电路与峰值信号检波电路中低通滤波器可有效抑制高频电磁波干扰信号。
[0014]本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的仪表放大器电路采用三运算放大器结构增大了电路的共模抑制比和差模放大倍数，提高了信号调理电路的稳定性和可靠性。
[0015]本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的光电二极管采用无偏置连接，能有效保证电路的抗干扰能力和工作稳定性。
[0016]本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的峰值检波电路针对A/D转换不能直接测量调制信号峰值，而输出稳定的峰值电压，供后级电路处理分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的连接示意图；
[0018]图2为本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的光电转换电路的原理图；
[0019]图3为本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的仪表放大器电路的原理图；
[0020]图4为本发明的用于作物生长信息监测的信号调理电路的峰值信号检波电路的原理图。
【具体实施方式】
[0021]以下结合具体实施方案，对本发明进行详细说明。
[0022]如图1所示，本发明的信号调理电路包括前级放大器电路、仪表放大电路和峰值信号检波电路组成；其中前级放大器电路接收光电探测器输出微弱电流信号，并将微弱电流信号放大、转换为电压信号，仪表放大器电路输入接前级放大器电路输出，峰值信号检波电路输入接仪表放大电路输出，前级放大器电路与仪表放大器电路之间采用电容耦合方式连接。
[0023]如图2所示，所述前级放大器电路包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3 ;第一运算放大器Ul的反向输入端接光电探测器输入端IN并与第一电阻Rl的一端连接；第一运算放大器Ul的同向输入端接地；第一电阻Rl的另一端分别与第二电阻R2 —端和第三电阻R3 —端连接，第二电阻R2另一端连接到地，第三电阻R3另一端与第一运算放大器Ul的输出端连接。第一运算放大器Ul选用低噪声、零漂移轨对轨运算放大器AD8551 ;第一电阻Rl与第三电阻R3均为11^，第二电阻1?2为100 Ω。 [0024]如图3所示，所述仪表放大器电路包括第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第一电容Cl、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻RlO和第十一电阻Rll ;第一电容Cl的一端连接第一运算放大器Ul的输出端,另一端连接第二运算放大器U2的同向输入端；第二运算放大器U2反向输入端分别与第四电阻R4—端和第六电阻R6 —端连接；第二运算放大U2输出端分别与第六电阻R6另一端、第二电容C2 —端和第八电阻R8 一端连接；第三运算放大器U3同向输入端与第五电阻R5 —端连接；第三运算放大器U3反向输入端分别与第四电阻R4另一端和第七电阻R7 —端连接；第三运算放大器U3输出端分别与第七电阻R7另一端、第三电容C3 —端和第九电阻R9 —端连接；第四运算放大器U4同向输入端分别于第九电阻R9另一端和第十电阻RlO —端连接；第四运算放大器U4反向输入端分别于第八电阻R8另一端和第十一电阻Rll —端连接；第四运算放大器U4输出端分别于第十一电阻Rll另一端和第十二电阻R12 —端连接；第五电阻R5另一端、第十电阻RlO另一端、第二电容C2另一端、第三电容C3另一端连接到地；第十二电阻R12与第四电容C4组成低通滤波器。第二运算放大器U2与第三运算放大器U3均选用高精度斩波稳零运算放大器TLC2652 ;第四运算放大器U4选用低噪声、零漂移轨对轨运算放大器AD8551 ；第一电容Cl、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4均为0.1uF的陶瓷电容；第四电阻R4为10ΚΩ，第五电阻R5为5ΚΩ，第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9均为IOK Ω，第十电阻RlO和第^^一电阻Rll均为500ΚΩ，第十二电阻R12为1ΚΩ。
[0025]如图4所示，所示峰值信号检波电路包括第五运算放大器U5、第一导通二极管Dl、第十三电阻R13、第五电容C5 ;第五运算放大器U5的同向输入端分别与第十二电阻R12另一端和第四电容C4 一端连接,第四电容C4另一端接地；第五运算放大器U5输出端与第一导通二极管Dl —端连接；第五运算放大器U5反向输入端分别于第一导通二极管Dl另一端、第十三电阻Rl3 —端和第五电容C5 —端连接；第十三电阻Rl3另一端和第五电容R5另一端连接到地，第十三电阻R13与第五电容R5组成低通滤波器。第五运算放大器U5选用低噪声、低零漂的运算放大器0PA335 ;第一导通二极管Dl选用IN4148 ;第五电容C5选用22uF的电解电容；第十三电阻R13为10ΚΩ。[0026]本发明电路的工作原理如下:
[0027]光电二极管输出的电流信号Il输入到前级放大电路一端，作为整个电路的输入信号。第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3组成的T型电阻网络前级放大电路，将光电二极管输出的电流信号Il放大并转换为电压信号，设第一运放输出端电压为V01，根据运算放大的“虚短”和“虚断”，可得VOl与Il的关系式:
【权利要求】
1.一种用于作物生长信息监测的信号调理电路，其特征是包括前级放大器电路、仪表放大器电路和峰值信号检波电路；前级放大器电路的电流信号输入端连接光电探测器输出端，前级放大器电路的电压输出端连接仪表放大器电路的电压输入端，仪表放大器电路的调制信号输出端连接峰值信号检波电路的调制信号输入端。
2.根据权利要求1所述的用于作物生长信息监测的信号调理电路，其特征在于所述前级放大器电路包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3 ;第一运算放大器Ul的反向输入端接光电探测器输入端并与第一电阻Rl的一端连接；第一运算放大器Ul的同向输入端接地；第一电阻Rl的另一端分别与第二电阻R2 —端和第三电阻R3 —端连接，第二电阻R2另一端连接到地，第三电阻R3另一端与第一运算放大器Ul的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的用于作物生长信息监测的信号调理电路，其特征在于所述仪表放大器电路包括第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第一电容Cl、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻RlO和第十一电阻Rll ;第一电容Cl的一端连接第一运算放大器Ul的输出端，另一端连接第二运算放大器U2的同向输入端；第二运算放大器U2反向输入端分别与第四电阻R4 —端和第六电阻R6 —端连接；第二运算放大U2输出端分别与第六电阻R6另一端、第二电容C2 —端和第八电阻R8 —端连接；第三运算放大器U3同向输入端与第五电阻R5 —端连接；第三运算放大器U3反向输入端分别与第四电阻R4另一端和第七电阻R7 —端连接；第三运算放大器U3输出端分别与第七电阻R7另一端、第三电容C3—端和第九电阻R9—端连接；第四运算放大器U4同向输入端分别于第九电阻R9另一端和第十电阻RlO —端连接；第四运算放大器U4反向输入端分别于第八电阻R8另一端和第十一电阻Rll—端连接；第四运算放大器U4输出端分别于第十一电阻Rll另一端和第十二电阻R12 —端连接；第五电阻R5另一端、第十电阻RlO另一端、第二电容C2另一端、第三电容C3另一端连接到地；第十二电阻R12与第四电容C4组成低通滤波器。
4.根据权利要求1所述的.用于作物生长信息监测的信号调理电路，其特征在于所述峰值信号检波电路包括第五运算放大器U5、第一导通二极管D1、第十三电阻R13、第五电容C5 ;第五运算放大器U5的同向输入端分别与第十二电阻R12另一端和第四电容C4 一端连接，第四电容C4另一端接地；第五运算放大器U5输出端与第一导通二极管Dl —端连接；第五运算放大器U5反向输入端分别于第一导通二极管Dl另一端、第十三电阻R13 —端和第五电容C5 —端连接；第十三电阻Rl3另一端和第五电容R5另一端连接到地，第十三电阻R13与第五电容R5组成低通滤波器。
5.根据权利要求3所述的用于作物生长信息监测的信号调理电路，其特征在于所述仪表放大器电路中的电阻阻值应满足的关系式为:R6=R7，R8=R9。
【文档编号】G01N21/27GK103472012SQ201310423209
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】朱艳, 曹卫星, 倪军, 卢少林, 姚霞, 田永超 申请人:南京农业大学