低噪声MEMS光干涉信号高速采集装置的制作方法

本实用新型涉及光电信号采集技术领域，具体为一种面向近红外光谱分析仪的低噪声微机电系统(MEMS)光干涉信号高速采集装置。

背景技术：

近红外分析仪是一种通过光谱信息分析物质组成和成分含量的仪器，广泛应用于石油化工、农业和医药等领域。近年来，随着MEMS技术的不断发展，便携式近红外分析仪已成为研究开发的热点。

基于MEMS的微反射镜镜面小，导致反射的光信号较弱；此外，光电探测器感光面积小，使得光通量降低；加之外界光源和环境因素等的干扰，导致光学模块输出的光信号微弱，噪声较大，给信号准确采集带来困难，从而影响近红外光谱分析仪的分辨率、吸光度重复性等性能。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，设计高信噪比的电路，提供一种低噪声 MEMS光干涉信号高速采集装置。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种低噪声MEMS光干涉信号高速采集装置，该装置包括低噪声模拟电路和高速数字电路：微机电系统MEMS发出样品光和参考光，并分别通过光电探测器后接入模拟电路，模拟电路的输出端连接数字电路，数字电路处理后将数据发送给光谱分析处理器；所述模拟电路对来自MEMS的样品光和参考光干涉信号，以及对四象限光电探测器输出的微反射镜运动位置信号进行调理和采集；所述数字电路将干涉信号和微反射镜运动位置信号转为数字信号，并发送至后端光谱分析处理器。

优选的，所述模拟电路中，样品光通过I-V转换模块后分别输出至第一信号调理和采集模块、下信号过压检测模块；参考光通过I-V转换模块后分别输出至第一信号调理和采集模块、下信号过压检测模块；四象限光电探测器输出信号至第二信号调理和采集模块；第一和第二信号调理和采集模块通过磁耦隔离模块连接数字电路，信号过压检测模块通过光耦隔离模块连接数字电路。

信号过压检测模块以防止放大器工作于非线性区。

优选的，所述数字电路中，现场可编程门阵列FPGA接收模拟电路发送的信号，包括干涉信号和微反射镜运动位置信号；静态随机存取存储器SRAM连接FPGA，FPGA同处理器 ARM连接，ARM通过USB模块连接光谱分析处理器。

优选的，I-V转换模块采用低噪声、低温漂和宽频带的运算放大器。

优选的，第一信号调理和采集模块采用差分放大电路以抑制共模噪声。

优选的，第一信号调理和采集模块采用带通滤波器电路以减小高频和工频噪声干扰。

本实用新型的有益效果：

本实用新型针对基于MEMS的光干涉信号采集中存在的噪声问题，采用包括带通滤波、差分共模抑制、磁耦光耦隔离、放大器线性区检测等手段，提高光干涉信号采集的信噪比，对提升基于MEMS的便携式近红外光谱分析仪的分辨率、重复性等诸多性能具有重要参考价值。

附图说明

图1为本实用新型的装置架构图

图2为装置I-V转换模块电路图

图3为装置过压检测模块电路图

图4为装置第一信号调理和采集模块的差分放大电路图

图5为装置第一信号调理和采集模块的带通滤波器电路图

图6为装置工作流程图

具体实施方式

如图1所示，光干涉信号采集装置由模拟电路和数字电路组成。模拟电路将来自光学系统的样品光和参考光干涉信号，以及四象限光电探测器的微反射镜运动位置信号进行放大和滤波处理，经过磁耦、光耦隔离模块，送达数字电路；信号过压检测模块检测干涉信号的幅值，保证放大器工作在线性区；数字电路实时采集干涉信号和微反射镜运动位置信号，并通过USB模块将数据上传至后端光谱分析处理器。

光电探测器输出的电流信号，经I-V转换模块(电流电压)转换为电压信号进入后续信号调理和采集模块以及信号过压检测模块，I-V转换模块如图2所示，采用ADI公司低噪声运算放大器AD8676。该电路由两个反向运算放大电路组成，在前级反向放大电路中，R1并联容值较小的电容C1，抑制高频噪声；后级采用电压跟随电路，保证I-V转换模块有较低的输出阻抗。

如图3所示，信号过压检测模块采用高增益、宽频带电压比较器LM393，光耦隔离模块采用光耦合器件TLP521。当输入信号幅值大于10.8V时，电压比较器输出高电压信号，光耦合器件输出高电平；否则输出低电平。后续数字电路根据该电平信号防止放大器工作于非线性区。

为防止电源工频信号以及高频噪声干扰，设计了二阶有源带通滤波器作为第一信号调理和采集模块，如图4所示，由二阶压控型低通滤波器和二阶压控型高通滤波器组成。二阶压控型低通滤波器由两节RC滤波电路和同相放大电路构成，具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点；同相放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益A_LF，

低通滤波器的截止频率

高通滤波器的通带电压增益A_HF为1，截止频率为

通带电压增益A_F＝A_HF*A_LF，将电阻、电容等参数带入可得，f_LO＝28K Hz，f_HO＝55Hz， A_F＝11。

设计了差分放大电路作为第一信号调理和采集模块，差分放大电路采用TI公司全差动低噪声放大器以抑制共模干扰，如图5所示，差分输出电压为V_od，

其中将电阻、电容等参数带入可得β₁＝0.5，β₂＝0.5， V_od＝V_sp。

本实施例中，数字电路的FPGA采用美国Altera公司的Cyclone系列产品EP4CE6E22C8； ARM微处理器采用ST公司的STM32F4系列微处理器STM32F407。上述器件运行速度快，满足干涉信号的高速采集要求。

如图6所示，该装置工作流程如下：

(1)接收光谱分析处理器的下发指令；

(2)指令若为干涉信号采集，转到步骤(3)；否则，若为位置探测器信号采集，转到

步骤(7)；否则，若为过压检测，转到步骤(11)；

(3)若数据采集结束，转到步骤(4)；否则，转到步骤(3)继续采集；

(4)从SRAM读取数据并上传至光谱分析处理器，转到步骤(5)；

(5)若数据校验正确，转到步骤(6)；否则，转到步骤(4)；

(6)若数据传输结束，转到步骤(2)；否则，转到步骤(4)；

(7)数据平滑滤波，转到步骤(8)；

(8)若采集点数等于1000，转到步骤(9)；否则，转到步骤(7)；

(9)上传数据至光谱分析处理器，转到步骤(10)；

(10)若数据检验正确，转到步骤(2)；否则，转到步骤(9)；

(11)若样品光峰值大于10.8V，转到步骤(12)；否则，转到步骤(2)；

(12)切换I-V转换电路的电阻，转到步骤(13)；

(13)若电阻值大于15KΩ，转到步骤(11)；否则，样品光信号异常，转到步骤(2)。

综上所述，本实用新型通过采用带通滤波、差分共模抑制、磁耦光耦隔离、放大器线性区检测等技术手段，提高了光干涉信号采集的信噪比，有利于提升信号的准确性。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过电路设定来指令相关的硬件来完成的，该电路设定可以通过单片机或其他类似功能的集成芯片完成，为现有技术。本实用新型的核心实用新型点在于系统的整体结构布局，局部控制方法可通过现有技术编程完成；局部的模块连接可通过现有技术实现。

本实用新型已通过上述实施例及其附图说明清楚，在不背离本实用新型精神和实质的情况下，所属领域的技术人员可根据本实用新型作出相应变化和修正，这些变化和修正都属于本实用新型权利要求的保护范围。