一种用于红外气体分析仪的增益自动调整电路的制作方法

1.本实用新型涉及红外光谱气体分析技术领域，具体涉及一种用于红外气体分析仪的增益自动调整电路。


背景技术：

2.红外光谱吸收法是气体成分分析、浓度测量的重要方法，该方法采用的传感器主要为半导体红外探测器。半导体红外探测器输出信号幅值受温度影响较大，其等效的感应信号在工作温度
‑
20℃～40℃范围内幅值变化可达10倍；电路中的其它电子元器件参数也会随温度改变而变化。若采用固定增益放大，在红外探测器输出信号较小时，信号的信噪比较低，而信号太强时，又容易引起输出饱和。这两种情况均将将严重影响红外气体分析仪测量的准确性。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型提供了一种用于红外气体分析仪的增益自动调整电路，能够保证输出信号幅值稳定。
4.本实用新型采用以下具体技术方案：
5.一种用于红外气体分析仪的增益自动调整电路，包括两级放大电路、反馈调整电路和积分调整电路；
6.所述两级放大电路包括固定增益放大电路和增益受控放大电路；所述固定增益放大电路的输入端连接输入信号，输出端连接所述增益受控放大电路的输入端；
7.所述反馈调整电路包括反馈电路和调整电路；所述反馈电路的输入端与所述增益受控放大电路的输出端连接，输出端与所述调整电路的输入端连接，用于捕获输出信号中参比信号的最大值并反馈至所述调整电路；所述调整电路的输入端连接电源电压；
8.所述积分调整电路包括积分电路和线性光耦，用于根据所述反馈调整电路输入的信号以积分形式动态调整所述两级放大电路的增益，实现整体输出信号的幅值稳定；所述积分电路的输入端连接所述调整电路的输出端，输出端连接所述线性光耦的输入电路，所述线性光耦的输出电路连接所述增益受控放大电路的输入端；所述线性光耦的输入电路通过电阻r7连接所述输入信号。
9.更进一步地，所述线性光耦包括输入发光二极管d1和输出电位器r8；所述输出电位器r8的一端接地，另一端连接所述增益受控放大电路的输入端；
10.所述积分电路包括电阻r
10
、电容c1以及放大器u3；
11.所述电阻r
10
的一端连接所述调整电路的输出端，另一端连接所述放大器u3的负输入端和所述电容c1的一端；
12.所述电容c1的另一端连接所述电阻r7和所述输入发光二极管d1的正极；
13.所述放大器u3的正输入端接地，输出端连接所述输入发光二极管d1的负极。
14.更进一步地，所述固定增益放大电路包括电阻r4、电阻r2以及放大器u2，其中：
15.所述电阻r4的一端接地，另一端连接所述放大器u2的负输入端和所述电阻r2的一端；
16.所述电阻r2的另一端连接所述放大器u2的输出端和所述增益受控放大电路的输入端；
17.所述放大器u2的正输入端连接所述输入信号。
18.更进一步地，所述增益受控放大电路包括放大器u1、电阻r1、电阻r3、电阻r5以及输出电位器r8；
19.所述电阻r1的一端接地，另一端连接所述放大器的负输入端和所述电阻r3；
20.所述电阻r3的另一端连接所述放大器u1的输出端；
21.所述电阻r5的一端连接所述放大器u2的输出端，另一端连接所述放大器u1的正输入端和所述输出电位器r8；
22.所述放大器u1的输出端连接所述反馈电路的输入端。
23.更进一步地，所述调整电路包括电阻r9、电位器r
11
、电阻r
12
以及电阻r
13
；
24.所述电阻r9的一端连接电源电压和所述电位器r
11
的第一端；
25.所述电位器r
11
的第二端接地，控制端连接所述电阻r
12
的一端；
26.所述电阻r
13
的一端连接参考信号和所述反馈电路的输出端；
27.所述电阻r9的另一端、所述电阻r
12
的另一端以及所述电阻r
13
的另一端均与所述电阻r
10
连接。
28.更进一步地，还包括电阻r6；
29.所述电阻r6的第一端连接所述输入信号，第二端接地且与所述电阻r7连接，控制端连接所述放大器u2的正输入端。
30.有益效果：
31.上述用于红外气体分析仪的增益自动调整电路包括两级放大电路、反馈调整电路和积分调整电路；两级放大电路以“固定增益放大+增益受控放大”实现对输入信号的放大，增益受控放大电路的增益由积分调整电路控制；反馈调整电路中的反馈电路捕获输出信号中参比信号的最大值并反馈至调整电路，输出连接积分调整电路；积分调整电路根据反馈调整电路给定的信号以积分形式动态调整两级放大电路的增益，进而实现整体输出信号的幅值稳定。
附图说明
32.图1为本实用新型的增益自动调整电路的电路结构图。
33.其中，1
‑
反馈电路
具体实施方式
34.下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。
35.本实用新型提供了一种用于红外气体分析仪的增益自动调整电路，参考图1，包括两级放大电路、反馈调整电路和积分调整电路；
36.两级放大电路包括固定增益放大电路和增益受控放大电路；固定增益放大电路的输入端连接输入信号，输出端连接增益受控放大电路的输入端；
37.反馈调整电路包括反馈电路1和调整电路；反馈电路1的输入端与增益受控放大电路的输出端连接，输出端与调整电路的输入端连接，用于捕获输出信号中参比信号的最大值并反馈至调整电路；调整电路的输入端连接电源电压；
38.积分调整电路包括积分电路和线性光耦，用于根据反馈调整电路输入的信号以积分形式动态调整两级放大电路的增益，实现整体输出信号的幅值稳定；积分电路的输入端连接调整电路的输出端，输出端连接线性光耦的输入电路，线性光耦的输出电路连接增益受控放大电路的输入端；线性光耦的输入电路通过电阻r7连接输入信号。
39.上述用于红外气体分析仪的增益自动调整电路包括两级放大电路、反馈调整电路和积分调整电路；两级放大电路以“固定增益放大+增益受控放大”实现对输入信号的放大，增益受控放大电路的增益由积分调整电路控制；反馈调整电路中的反馈电路1捕获输出信号中参比信号的最大值并反馈至调整电路，输出连接积分调整电路；积分调整电路根据反馈调整电路给定的信号以积分形式动态调整两级放大电路的增益，并且增益动态调整范围不小于1:20，进而实现整体输出信号的幅值稳定。
40.一种具体的实施方式中，如图1所示，线性光耦包括输入发光二极管d1和输出电位器r8；输出电位器r8的一端接地，另一端连接增益受控放大电路的输入端；
41.积分电路包括电阻r
10
、电容c1以及放大器u3；
42.电阻r
10
的一端连接调整电路的输出端，另一端连接放大器u3的负输入端和电容c1的一端；
43.电容c1的另一端连接电阻r7和输入发光二极管d1的正极；
44.放大器u3的正输入端接地，输出端连接输入发光二极管d1的负极。
45.更进一步地，如图1所示，固定增益放大电路包括电阻r4、电阻r2以及放大器u2，其中：
46.电阻r4的一端接地，另一端连接放大器u2的负输入端和电阻r2的一端；
47.电阻r2的另一端连接放大器u2的输出端和增益受控放大电路的输入端；
48.放大器u2的正输入端连接输入信号。
49.具体地，增益受控放大电路包括放大器u1、电阻r1、电阻r3、电阻r5以及输出电位器r8；
50.电阻r1的一端接地，另一端连接放大器的负输入端和电阻r3；
51.电阻r3的另一端连接放大器u1的输出端；
52.电阻r5的一端连接放大器u2的输出端，另一端连接放大器u1的正输入端和输出电位器r8；
53.放大器u1的输出端连接反馈电路1的输入端。
54.更进一步地，调整电路包括电阻r9、电位器r
11
、电阻r
12
以及电阻r
13
；
55.电阻r9的一端连接电源电压和电位器r
11
的第一端；
56.电位器r
11
的第二端接地，控制端连接电阻r
12
的一端；
57.电阻r
13
的一端连接参考信号和反馈电路1的输出端；
58.电阻r9的另一端、电阻r
12
的另一端以及电阻r
13
的另一端均与电阻r
10
连接。
59.在上述各种实施例的基础上，上述用于红外气体分析仪的增益自动调整电路还包括电阻r6；
60.电阻r6的第一端连接输入信号，第二端接地且与电阻r7连接，控制端连接放大器u2的正输入端。
61.上述用于红外气体分析仪的增益自动调整电路，将红外气体分析仪输出信号中参比信号的最大幅值通过反馈调整电路和积分调整电路进行反馈和调整，通过线性光耦动态调整电路增益，保证输出信号幅值稳定。
62.结合图1对上述增益自动调整电路的工作原理进行说明。
63.u
in
为输入信号，电阻r6拾取输入信号的一部分，防止后级电路饱和，假定拾取系数为k，其中0≤k≤1。
64.拾取信号经第一级同相放大后，接入第二级，放大倍数满足下式(1)：
[0065][0066]
第二级由分压电路和放大电路构成，此级放大倍数满足下式(2)：
[0067][0068]
至此，整个电路的放大倍数满足下式(3)：
[0069][0070]
式中，电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5均为定值电阻；r8为线性光耦的输出电位器，其电阻值受输入发光二极管d1光照的变化而改变。可见，只要改变输出电位器r8的大小，电路的增益就会发生改变。
[0071]
反馈环节用于提取输出信号中参比信号的最大值u
ref
，经过积分由u3、r
10
、c1等组成的积分电路控制输入发光二极管d1的亮度，下面对控制原理做简要说明。
[0072]
第一，当积分电路处于稳态时，电阻r
10
上没有电流流过，此时u
b
和u3反相端之间没有电势差，u
b
的电压为0；此时u
a
、u
ref
、
‑
12v之间满足下式(4)：
[0073][0074]
对上时简化可得下式(5)：
[0075][0076]
由于电阻r9、电阻r
12
、电阻r
13
均为定值，而u
a
可以由电位器r
11
控制，一旦u
a
确定，那么u
ref
也必定确定。这表明，只要输入信号u
in
的范围在一定合适范围内，输出信号u
o
中参比信号的幅值必将稳定在处。
[0077]
第二，当输入信号幅值减小时，积分电路处于变化状态。此时输出信号会减小，反馈环节提取的参比信号最大值u
ref
将减小，由于
‑
12v和u
a
均为负电压且未发生改变，因此电压u
b
＜0；电容c1通过r
10
放电，c1两端电压降低，输入发光二极管d1两端电压也降低，电流i
d
减小，输入发光二极管d1发光光强减弱，输出电位器r8的电阻增加，整个电路放大倍数a增加，输出信号变大。
[0078]
第三，当输入信号幅值增加时，积分电路也处于变化状态。此时输出信号会增大，反馈环节提取的参比信号最大值u
ref
将增加，由于
‑
12v和u
a
均为负电压且未发生改变，因此电压u
b
＞0；u
b
通过电阻r
10
对电容c1充电，电容c1两端电压增加，输入发光二极管d1两端电压也增加，电流i
d
变大，输入发光二极管d1发光光强增强，输出电位器r8的电阻减小，整个电路放大倍数a也减小，输出信号变弱。
[0079]
通过增益自动调整电路，使得最终输出信号的参比信号保持固定并保持输出信号幅值在一定范围内，减小了因温度变化、光源变化或者其它环境变化带来的影响，同时减小模数转换器非线性带来的采集误差，提高最终检测精度。
[0080]
以下为一个应用实例，电阻r9、电阻r
12
均取10k，电位器r
11
采用10k，电阻r
13
取3k，调整电位器r
11
使得电压u
a
为
‑
4.67v，则输出信号中参比信号幅值满足下式(6)：
[0081][0082]
此外，调节电位器r
11
取不同的u
a
，可得到不同的输出信号幅值(参比信号)，具体如下表1所示。
[0083][0084]
表1不同u
a
取值下输出信号中参比信号幅值对应表
[0085]
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。