原位海水叶绿素a传感器的电路设计

吴 宁，王昭玉，曹 煊，马海宽，褚东志，张 婷

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东省海洋监测仪器装备技术重点实验室，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东青岛 266001；2.中国海洋大学化学化工学院，山东青岛 266001)

0 引言

叶绿素a浓度直接反映了海水浮游植物的活跃度和生物量，成为评价海水营养化和预测赤潮灾害的重要参数。目前检测海水叶绿素a浓度的最直接有效的方法是荧光检测法，通过一定波长LED激发海水产生荧光信号，通过测量荧光信号间接跟踪水体营养化程度的变化就可以完全反应海水有机污染物的浓度[1]。

但激发的荧光信号为微弱信号，且信号掺杂大量的环境光，热噪声等干扰信号而淹没在强背景噪声下。采用传统的模拟、放大、滤波等很难完全屏蔽环境光的干扰，实现荧光信号的检测。为提取和测量强背景噪声下的痕量荧光信号，设计一种基于可编程增益跨阻放大器和正交同步检波功能的电路用来提取微弱荧光信号[2]，该电路通过对激发光源调制，荧光信号正交同步检波和FIR/IIR混合低通滤波可以完全消除环境光和低频噪声产生的测量误差，能够显著提高信噪比、灵敏度和准确度[3]。

1 系统方案设计

海水中激发的荧光信号幅值通常在pA级，伴随的环境光噪声可能是实际荧光信号的数千倍。传统滤波受Q值限制不能完全将不同频率的噪声移除。因此设计了基于AD8616的I/V转换电路，AD8231的可编程增益放大器和AD630的正交同步检波电路对微弱荧光信号进行提取，系统电路设计如图1所示，首先STM32F407通过直接数字频率合成器(DDS)单元产生正弦波，对470 nm的LED进行调制后激发海水叶绿素a产生荧光信号，荧光信号通过光电二极管接收，接收的电流信号经过可编程增益放大器AD8231以及跨阻放大器AD8616进行I/V转换并放大，得到输入信号Y=Asin(αt+φ)+n(t)，分别与相位差为90°的参考信号F1(t)=Bsin(αt+β)和参考信号F2(t)=Bcos(αt+ω)进行乘法运算，正交同步检波结果如式(1)和式(2)所示。经过A/D转换和FIR/IIR混合低通滤波后得到结果如式(3)和式(4)所示，最后通过STM32F407单片机运算单元进行平方根运算就可得到待测信号的幅值Z如式(5)所示，相位η如式(6)所示[4-5]。

图1 系统电路设计图

0.5AB[cos(φ-β)-cos(2αt+φ+β)]+n(t)Bsin(αt+β)

(1)

0.5AB[sin(φ-β)-sin(2αt+φ+β)]+n(t)cos(αt+β)

(2)

M=0.5ABcos(φ-β)

(3)

N=0.5ABsin(φ-ω)

(4)

(5)

η=arctan(N/M)

(6)

式中：A为输入信号幅值；B为参考信号幅值；α为输入信号与参考信号的角频率；φ为输入信号相位；β为参考信号相位，其中两个信号的相位差为90°；M为同相输出；N为正交输出；Z为待测信号幅值；η为待测信号相位。

2 激发LED光源调制电路

系统中的STM32F407模块主要包括DDS单元和FIR/IIR混合低通滤波单元，其中DDS单元采用了基于查表法和Coedic算法相结合的原理产生同频同相的参考信号和LED调频驱动信号。激发光源采用的是470 nm的LED，以恒流源驱动保证激发光源的稳定性，驱动信号通过控制恒流源的通断对LED进行调制，恒流驱动电路如图2所示，采用AD8615和NPN三极管以及ADG819单刀双掷开关构成了一个恒流源，ILED=Vref/R2，其中Vref为数字电位器的输出电压，R2为三极管发射极电阻，改变Vref或R2即可以改变LED的电流值，从而改变LDE的亮度。在本设计中，ADG819的控制端接DDS驱动脉冲信号，开关连接到参考电压与地之间，参考电压采用了可编程电阻分压器，因此只要改变参考电压的值就可以改变LED的驱动电流[6]。

图2 激发LED光源恒流驱动电路图

3 可编程跨阻式I/V转换与放大电路

由于激发荧光信号为微弱信号，因此本文采用高灵敏度、低暗电流型的S2386-18L型光电二极管，该光电二极管在680 nm的灵敏度可达0.4 A/W，暗电流低至2 pA。其中光电二极管输出电流信号经过如图3所示的可编程跨阻放大电路，AD8616完成I/V转换并放大，由于光电二极管产生的极小电流，因此采用了1 MΩ的反馈电阻，为保证输出的稳定性，使用反馈电容以补偿总输入电容以及反馈电阻产生的极点，保证电路的稳定性[3]。AD8231主要是对转换完成的信号进行次级放大，其中AD8231为程控放大器，可根据量程实现放大倍数的自动补偿。输出电压为

Vo=Id·R5·A8231

式中：Id为光电二极管输出电流；R5为反馈电阻；A8231为放大增益。

图3 跨阻式I/V转换及可编程放大电路

4 正交同步检波电路

基于AD630的正交同步检波电路如图4所示。其中STM32F407产生激励信号驱动LED，输入信号分别与DDS输出的同频正弦参考信号和90°相移正弦波相乘，产生2个输出信号经过低通滤波器后输出解调信号，解调信号经过低频滤波后信号经过24位AD7175对2个通道进行采集转换为数字信号输入到STM32F407数字处理单元，数字处理单元分别对2个分量进行平方和根得到输入荧光信号的幅值，从而得到荧光信号的强度[9-10]。本文中采用可编程FIR/IIR混合数字低通滤波对输出信号进行低通滤波，可以达到普通RC滤波器难以达到的滤波效果，将有用信号频率不同的噪声大部分滤出，大幅提高信噪比。

图4 基于AD630的正交同步检波电路

5 对比实验结果

为验证正交同步检波电路在检测微弱荧光信号的可行性与传感器的可靠性，将基于该正交同步检波电路功能的传感器与国外叶绿素传感器进行了实验比对，并将得到的数据进行了分析。首先配置一定浓度梯度的叶绿素a标准溶液，按照一定比例进行稀释配成系列标准液，将该传感器与国外叶绿素传感器分别置于不同浓度的叶绿素a标准溶液并按照一定梯度浓度进行混合。将测量结果进行曲线拟合后如图5所示，从图5可以看出基于该电路完成的传感器其测量结果与叶绿素a浓度成良好的线性关系，能够实现最小1 pA光电流的分辨率，基于该电路设计的传感器能够实现最小0.01 μg/L的海水叶绿素a浓度的分辨率，且已达到了国外传感器水平。

图5 与国外仪器对比试验

6 结束语

本文以荧光检测原理为基础，设计完成了基于AD630正交同步检波功能的海水叶绿素a含量检测的电路，并基于该电路设计完成了叶绿素a浓度检测传感器，验证了该电路检测微弱荧光信号的可行性，基于该电路完成的检测传感器不仅能够实时、连续地反映海水中叶绿素a浓度的变化趋势，并不受环境光等背景光的干扰，提高了仪器运行的稳定性和抗干扰性，还具有低功耗、便携化、高精度等优点，可以广泛应用于海洋浮标、台站等生态环境监测载体，具备广泛的应用前景。