熒光檢測器信號檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及雜散光研究.pdf

1、液相色譜系統(tǒng)是影響最大、發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)代分析系統(tǒng)之一,其廣泛應(yīng)用于石油化工、有機(jī)合成、生理生化、醫(yī)藥衛(wèi)生,乃至空間探索等幾乎所有的應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域,而熒光檢測器作為液相色譜系統(tǒng)的“眼睛”,是液相色譜系統(tǒng)的核心部件,其性能的好壞直接關(guān)系著定性定量分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。針對液相色譜系統(tǒng)中熒光檢測器主要依靠進(jìn)口,國內(nèi)研發(fā)落后于實(shí)際需求的現(xiàn)狀,本文理論設(shè)計(jì)、性能調(diào)試、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面深入的研究了熒光檢測器信號檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其雜散光的抑

2、制。
　　本文主要完成的工作包括以下幾個(gè)方面:1.熒光是一種極其微弱的光信號,而微弱信號的探測一直是檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常困難的問題,設(shè)計(jì)、調(diào)試中的微小疏忽,都會(huì)導(dǎo)致熒光的電信號被湮沒在各種電學(xué)噪聲中。因此,本文建立了從光電倍增管到ADC采樣電路的完整電路模型,詳細(xì)的對電路各處的信號、噪聲的帶寬以及幅值進(jìn)行分析,并最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證:本文設(shè)計(jì)調(diào)試的采樣系統(tǒng)電路噪聲僅31.7μV,光電流檢測精度可達(dá)6.4pA,折合最弱光強(qiáng)分辨能力為25.

3、6mlm,性能達(dá)到國外同類優(yōu)秀產(chǎn)品水平。2.現(xiàn)有的熒光檢測器信號采集系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換均使用△-∑調(diào)制技術(shù)的24位集成ADC,其擁有高精度、高集成度的優(yōu)點(diǎn),本文使用CS5532實(shí)現(xiàn)了常規(guī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng),經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試,系統(tǒng)有效數(shù)字精度達(dá)到18位。但是,高精度帶來的不利因素是極低的字輸出速度,并進(jìn)一步制約了熒光檢測器的波長掃描速度。
　　針對上述問題,本文又提出并實(shí)現(xiàn)了使用高速ADC過采樣,并利用硬件數(shù)字濾波模塊提高信噪比的模數(shù)轉(zhuǎn)換方案。新的

4、方案可以根據(jù)系統(tǒng)的需要,實(shí)現(xiàn)60～250k任意值的字輸出速度,并到達(dá)16～22位的數(shù)字有效精度。新方案的意義在于:使設(shè)計(jì)者和使用者可以靈活的選擇最佳的系統(tǒng)速度-精度方案,克服了常規(guī)方案波長掃描速度的限制。3.為解決常見的基于MCU的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差、運(yùn)算速度慢、集成度低的問題,本文引入并實(shí)現(xiàn)了SOPC控制系統(tǒng)。這是一種在芯片內(nèi)部集成用戶自定義外設(shè)模塊,實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性、高運(yùn)算能力、高集成度的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本文設(shè)計(jì)ADC自定義驅(qū)動(dòng),克服了

5、傳統(tǒng)ADC驅(qū)動(dòng)信號不連續(xù)造成采樣速度損失的問題,系統(tǒng)采樣速度增快10％;設(shè)計(jì)用戶自定義UART控制器,總線帶寬利用率增大3倍,大大減輕CPU與總線負(fù)擔(dān);設(shè)計(jì)嵌入式硬件IIR數(shù)字濾波協(xié)處理模塊,進(jìn)一步提高系統(tǒng)信噪比,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,其能有效抑制采樣系統(tǒng)53%的噪聲。新系統(tǒng)眾多功能集成在一個(gè)單片芯片中,大大簡化外部的連接設(shè)計(jì),減小設(shè)計(jì)、制作成本。4.針對熒光檢測器中單色器的雜散光對系統(tǒng)性能的影響,本文首次在ASAP中對熒光檢測器中單色器進(jìn)行光線

6、追跡與雜散光分析,首次引入單色器光譜傳遞函數(shù)并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論模型的正確性。在此基礎(chǔ)上,通過對系統(tǒng)光路中“關(guān)鍵表面”的分析,提出了利用視場光闌和孔徑光闌、多級葉片結(jié)構(gòu)、光柵入射光抑制結(jié)構(gòu)等方案進(jìn)行雜散光抑制,通過ASAP模擬,上述結(jié)構(gòu)的雜散光抑制比分別達(dá)到2.7×10-57.6×10-5以及0.33×10-5,為實(shí)際改進(jìn)工作提供了有益的參考。綜上所述,本文詳細(xì)分析并設(shè)計(jì)了熒光信號檢測系統(tǒng)電路;實(shí)現(xiàn)了高精度信號采樣系統(tǒng);提出一種新的精度-