激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路、方法及系统与流程

本发明涉及激光气体分析仪技术领域，特别是一种激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路、方法及系统。

背景技术：

随着人类生存环境的恶化，环境污染对人类的健康和安全的影响日益成为人们密切关注的问题，而工业生产作为造成环境污染的主要因素之一，对其环境的检测也已成为当今技术研究的重点，尤其是对其生产过程中产生的气体浓度的检测。如今，随着半导体激光吸收光谱技术的发展，得知被测气体只能够对特定波长的激光进行吸收，又根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律得知，半导体激光穿过被测气体的光强衰减与被测气体的浓度成一定的函数关系，因此，在实际应用中可通过测量待测气体对激光的衰减来测量气体的浓度。

目前，通常都是采用激光气体分析仪来实现对待测气体浓度的检测，其是一种在线监测管道内指定气体浓度的分析仪器，激光气体分析仪工作时需要用高频正弦波信号对光源进行调制，一般激光气体分析仪包括发射单元、测量气室、接收单元和分析仪单元，通过发射单元发出特定波长的激光束，穿过测量气室(其内部是待测气体)之后，由所述接收单元接收穿过待测气体的信号，并将其转换成光强信号，并通过所述分析单元对光强信号以及发射单元发出的激光信号进行分析，从而确定待测气体的浓度。所述发射单元包括可调谐激光二极管和光源驱动器，该可调谐发光二极管是由光源驱动器提供其工作所需的温度和电流，并通过所述温度和电流来控制发出的激光的波长，所以，对于上述特定波长的激光束可通过温度或电流两种调节方式来获得，而由于对可调谐激光二极管的电流信号进行调节的方式能够获取较快的频率调谐速度，所以，在实际应用中，通常都是采用电流调节方式，即通过一低频锯齿波信号与高频正弦波信号叠加后对所述光源驱动器输出的驱动信号进行调制，从而实现对可调谐激光二极管的电流信号的调制，进而得到具有特定波长的激光束。

目前，上述低频锯齿波信号与高频正弦波信号皆由中央处理单元和数字模拟转换器配合工作直接给出，具体为在数字模拟转换器的参考输入端输入一个直流电压基准(通常为2.5V)，在数字模拟转换器的数字信号输入端按照预先要求输入的不同的数字信号以产生所需要的低频锯齿波信号及高频正弦波信号。以直流电压基准为参考，通过改变数字模拟转换器的数字信号输入端的数字信号产生正弦波的方法需由中央处理单元计算出正弦波每一点对应的电压值，再依次将每个电压值对应的数字信号传输给数字模拟转换器，再由数字模拟转换器依次将电压值输出，其产生的正弦信号受数字模拟转换器有效位数及响应速度影响较大，尤其是正弦波信号频率较高时，数字模拟转换器有效位数及响应速度对其影响会特别大，使得正弦波信号噪声大，平滑度差。

技术实现要素：

本发明提供一种激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路、方法及系统，其采用产生正弦波的另一种方法，使正弦波信号噪声小，平滑度好，且受数字模拟转换器有效位数及响应速度的影响较小。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例提供一种激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路，包括：

方波生成电路，用于生成与待产生的第一正弦波的频率相同的方波；

波形转换电路，与所述方波生成电路连接，用于将所述方波生成电路输出的所述方波转换为第二正弦波，所述第二正弦波的峰峰值与所述方波的峰峰值相同；

信号调理电路，与所述波形转换电路连接，用于对所述波形转换电路输出的所述第二正弦波进行调理，使所述第二正弦波的峰峰值符合数字模拟转换器的参考端输入峰峰值范围要求；

幅度生成电路，与所述数字模拟转换器的数字输入端连接，用于输出与所述待产生的第一正弦波的幅度对应的固定数字信号；

所述数字模拟转换器，其参考端与所述信号调理电路连接，用于接收所述信号调理电路调理后输出的所述第二正弦波，其数字输入端用于接收所述幅度生成电路输出的所述固定数字信号，使得该数字模拟转换器的输出端输出需要的所述第一正弦波。

本发明是通过波形转换电路将与需要的正弦波频率相同的所述方波转换为第二正弦波，此时已经形成了平滑度好的正弦波，经过调理使其符合数字模拟转换器的参考端输入要求，正弦波信号噪声减小，再将第二正弦波输入数字模拟转换器的参考端，同时在数字模拟转换器的数字输入端只需要输入与需要的正弦波幅度对应的一个固定数字信号，从而产生需要的幅度、频率的正弦波，本发明产生正弦波采用不同于现有技术的另一种方式，使正弦波信号噪声小，平滑度好，且受数字模拟转换器有效位数及响应速度的影响较小。

在一个实施例中，所述波形转换电路为电容器，所述电容器的电容值为1000pF至1uF；所述方波的占空比为50％。采用电容器将所述方波转换为第二正弦波，实现电路简单，成本低，且电容器转换后的波形平滑度更好。

进一步的，所述电容器的电容值为0.1uF，采用该值波形平滑度更好。

在一个实施例中，所述电容器与所述方波生成电路之间连接有与非门电路。

在一个实施例中，所述信号调理电路包括：

峰峰值调整电路，与所述电容器连接，用于接收所述电容器输出的所述第二正弦波，当所述第二正弦波的峰峰值包含0V以下的值时，将所述第二正弦波的峰峰值调整到0V以上；

放大滤波电路，其输入端与所述峰峰值调整电路连接，输出端与所述数字模拟转换器的参考端连接，用于接收所述峰峰值调整电路输出的所述第二正弦波，通过滤波、放大信号方式调节所述第二正弦波的峰峰差值的大小使所述第二正弦波的峰峰值符合所述数字模拟转换器的参考端输入峰峰值范围要求。

数字模拟转换器参考端输入峰峰值范围要求一般为正值，如果所述第二正弦波的峰峰值包含0V以下的值时，则不能输入数字模拟转换器从而影响发明实现，因此需要调理使其符合，该具体调节电路实现简单，调理效果好。

在一个实施例中，所述峰峰值调整电路包括：

直流电压基准电路，用于提供直流基准电压；

加法器电路，连接在所述电容器和所述放大滤波电路之间，用于将所述电容器输出的所述第二正弦波和所述直流电压基准电路输出的直流基准电压相加，从而使所述第二正弦波的峰峰值调整到0V以上。该电路实现简单方便成本低。

本发明实施例还提供一种激光气体分析仪调制信号正弦波产生方法，包括以下步骤：

方波生成电路生成与待产生的第一正弦波的频率相同的方波；

波形转换电路将所述方波转换为第二正弦波，所述第二正弦波的峰峰值与所述方波的峰峰值相同；

信号调理电路对所述第二正弦波进行调理，使所述第二正弦波的峰峰值符合数字模拟转换器的参考端输入峰峰值范围要求；

通过幅度生成电路输出与所述待产生的第一正弦波的幅度对应的固定数字信号；

通过所述数字模拟转换器的参考端接收调理后的所述第二正弦波，同时通过所述数字模拟转换器的数字输入端接收所述幅度生成电路输出的所述固定数字信号，使得该数字模拟转换器的输出端输出需要的所述第一正弦波。

在一个实施例中，所述波形转换电路将所述方波转换为第二正弦波，具体为：通过电容器将所述方波转换为所述第二正弦波，所述电容器的电容值为1000PF至1uF，所述方波的占空比为50％。

在一个实施例中，所述信号调理电路对所述第二正弦波进行调理，使所述第二正弦波的峰峰值符合数字模拟转换器的参考端输入峰峰值范围要求，具体为：通过峰峰值调整电路接收所述电容器输出的所述第二正弦波，当所述第二正弦波的峰峰值包含0V以下的值时，将所述第二正弦波的峰峰值调整到0V以上；放大滤波电路接收所述峰峰值调整电路输出的所述第二正弦波，通过滤波、放大信号方式调节所述第二正弦波的峰峰差值的大小使所述第二正弦波的峰峰值符合所述数字模拟转换器的参考端输入峰峰值范围要求。

本发明实施例还提供一种激光气体分析仪系统，包括发射单元，所述发射单元包括依次电连接的光源驱动器和可调谐激光二极管，该系统还包括上述任一实施例所述的激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路，所述激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路中的所述数字模拟转换器的输出端连接所述光源驱动器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是通过波形转换电路将与需要的正弦波频率相同的所述方波转换为第二正弦波，此时已经形成了平滑度好的正弦波，经过调理使其符合数字模拟转换器的参考端输入要求，正弦波信号噪声减小，再将第二正弦波输入数字模拟转换器的参考端，同时在数字模拟转换器的数字输入端只需要输入与需要的正弦波幅度对应的一个固定数字信号，从而产生需要的幅度、频率的正弦波，本发明产生正弦波采用不同于现有技术的另一种方式，使正弦波信号噪声小，平滑度好，且受数字模拟转换器有效位数及响应速度的影响较小。

附图说明

图1是本发明激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路示意图；

图2是本发明激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路中的信号调理电路示意图；

图3是本发明激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路中的信号调理电路中的峰峰值调整电路示意图；

图4是本发明激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示的激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路，包括方波生成电路101(如中央处理器、微处理器或微控制器等)、波形转换电路102、信号调理电路103、数字模拟转换器DAC104和幅度生成电路105(如单片机、微处理器或微控制器等)。所述方波生成电路101，用于生成与待产生的第一正弦波的频率相同的方波；所述波形转换电路102，与所述方波生成电路连接，用于将所述方波生成电路输出的所述方波转换为第二正弦波，所述第二正弦波的峰峰值与所述方波的峰峰值相同；所述信号调理电路103，与所述波形转换电路连接，用于对所述波形转换电路输出的所述第二正弦波进行调理，使所述第二正弦波的峰峰值符合数字模拟转换器的参考端输入峰峰值范围要求；所述幅度生成电路105，与所述数字模拟转换器的数字输入端连接，用于输出与所述待产生的第一正弦波的幅度对应的固定数字信号；所述数字模拟转换器104，其参考端与所述信号调理电路连接，用于接收所述信号调理电路调理后输出的所述第二正弦波，其数字输入端用于接收所述幅度生成电路输出的所述固定数字信号，使得该数字模拟转换器的输出端输出需要的所述第一正弦波。

现有技术中中央处理单元计算出正弦波每一点对应的电压值，再依次将每个电压值对应的数字信号传输给数字模拟转换器，再由数字模拟转换器依次将电压值输出，其产生的正弦信号受数字模拟转换器有效位数及响应速度影响较大，尤其是正弦波信号频率较高时，数字模拟转换器有效位数及响应速度对其影响会特别大，使得正弦波信号噪声大，平滑度差。

本发明是通过波形转换电路将与需要的正弦波频率相同的所述方波转换为第二正弦波，此时已经形成了平滑度好的正弦波，经过调理使其符合数字模拟转换器的参考端输入要求，正弦波信号噪声减小，再将第二正弦波输入数字模拟转换器的参考端，同时在数字模拟转换器的数字输入端只需要输入与需要的正弦波幅度对应的一个固定数字信号，无需多次计算输入正弦波每一点对应的电压值相关的数字信号，受数字模拟转换器有效位数及响应速度的影响小。本发明产生需要的正弦波采用不同于现有技术的另一种方式，使正弦波信号噪声小，平滑度好，且受数字模拟转换器有效位数及响应速度的影响较小。

具体的，在一个实施例中，所述波形转换电路为电容器，所述电容器的电容值为1000pF至1uF；所述方波的占空比为50％。采用电容器将所述方波转换为第二正弦波，实现电路简单，成本低，且电容器转换后的波形平滑度更好。当然也可是采用其他电路实现波形转换，对此不作限制，本领域技术人员容易知晓如何实现波形转换。所述电容器的电容值优选为0.1uF，采用该值波形平滑度更好。当然也可以是其他电容值，如1000pF、1uF、0.5uF等等，1000pF至1uF之间的任一值都可以实现平滑度好的正弦波。

在一个实施例中，所述电容器与所述方波生成电路之间连接有与非门电路，增加信号驱动能力。

在又一个实施例中，参看图2，所述信号调理电路包括峰峰值调整电路和放大滤波电路。所述峰峰值调整电路，与所述电容器连接，用于接收所述电容器输出的所述第二正弦波，当所述第二正弦波的峰峰值包含0V以下的值时，将所述第二正弦波的峰峰值调整到0V以上；所述放大滤波电路，其输入端与所述峰峰值调整电路连接，输出端与所述数字模拟转换器的参考端连接，用于接收所述峰峰值调整电路输出的所述第二正弦波，通过滤波、放大信号方式调节所述第二正弦波的峰峰差值的大小使所述第二正弦波的峰峰值符合所述数字模拟转换器的参考端输入峰峰值范围要求。数字模拟转换器参考端输入峰峰值范围要求一般为正值，如果所述第二正弦波的峰峰值包含0V以下的值时，则不能输入数字模拟转换器从而影响发明实现，因此需要调理使其符合，同时滤除干扰信号，信号噪声小，信号调理也能够增大带载能力。该具体调节电路实现简单，调理效果好。

具体的，参看图3，所述峰峰值调整电路包括直流电压基准电路和加法器电路。所述直流电压基准电路，用于提供直流基准电压(如2.5V)。所述加法器电路，连接在所述电容器和所述放大滤波电路之间，用于将所述电容器输出的所述第二正弦波和所述直流电压基准电路输出的直流基准电压相加，从而使所述第二正弦波的峰峰值调整到0V以上。该电路实现简单方便成本低。峰峰值调整电路只是将正弦波整体波形移动使峰峰值调整到0V以上，不改变波形及峰峰差值(即波峰和波谷之间的距离)。例如正弦波峰峰值为-1.65到+1.65V，通过调整使峰峰值变为0.85到4.15V。调整到0V以上后的正弦波由放大滤波电路处理，调整峰峰差值大小，使其符合所述数字模拟转换器的参考端输入峰峰值范围要求。

下面结合一个具体示例说明本发明：

如图4所示的激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路原理图，其中，电容C118、C119构成滤波电路，用于对直流电压基准电路(图未示)提供的2.5V基准电压信号进行滤波输出，电阻R87、R91和R92、电容C125、C128和运放U33B构成加法器电路。直流电压基准电路和加法器电路两者共同构成峰峰值调整电路。电阻R83、R84、电容C117、C122和运放U33A以及电容C120、C126共同构成放大滤波电路，放大滤波电路和峰峰值调整电路通过电阻R90连接。DAC数字模拟转换器为U34，通过引脚5、6、7和幅度生成电路(即单片机)通过串口连接，其参考端VREF通过电阻R88与运放U33A的输出端连接。本实施例中，R87、R91和R92三个电阻阻值相同，一般均取值在5K-10K。R9没有限定，一般取值为2K-10K。电容C120、C126取值没有限定，一般在1000PF-100nF。电阻R88没有限定，一般取值1K-10K。C121取值没有限定，一般在1000PF-100nF。

工作时，中央处理器(图未示)生成与待产生的第一正弦波的频率相同的方波信号，即CLK_OUT0，CLK_OUT0中央处理器产生的同频方波信号，经过与非门U29D增加驱动能力，通过电容器C124(电容值为1000pF至1uF之间任一值)为滤波后形成平滑度好的固定幅值的正弦波信号。再通过加法器电路及放大滤波电路的整形，将固定幅值的正弦波调理至符合DAC数字模拟转换器U34的参考输入。加法器电路将正弦波信号与2.5V基准电压叠加，将正弦波整体波形移动使其峰峰值调整到0V以上，不改变波形及峰峰差值(即波峰和波谷之间的距离)。例如正弦波峰峰值为-1.65到+1.65V，通过调整峰峰值变为0.85到4.15V。SDO_MDXB、SCK_CLKXB、CS_B0为数字模拟转换器U34的数字信号输入引脚，即数字输入端，通过串口连接幅度生成电路(即单片机)。本发明中只需将所需正弦波的固定幅值由单片机输入到数字模拟转换器DAC的数字输入端即可从其输出端VOUT得到所需正弦波信号OUT。

其中，调理正弦波的目的主要有两个，一是根据DAC参考端输入要求，通过放大及滤波来改变峰峰值，使其符合DAC的参考端输入要求，第二个是增大带载能力。如果DAC参考端的输入范围比较小，而正弦波的峰峰值很大，那么DAC工作不正常，就不能输出正弦波。比如C124后端输出的正弦波峰峰值为-1.65到+1.65V，通过加法器将参考基准电压和正弦波叠加，使峰峰值变为0.85到4.15V，加法器是把正弦波整个波形都放到0V以上，后边的放大滤波电路调节峰峰差值的大小。

本发明中数字模拟转换器的数字输入端只需提供所需正弦波的幅值即可。作为数字模拟转换器参考的正弦波是由硬件电路生成，不仅十分精准，而且可靠稳定。所以其产生的正弦波信号噪声小，平滑度好，且受数字模拟转换器有效位数及响应速度的影响较小。

基于同一构思，本发明实施例还提供一种激光气体分析仪调制信号正弦波产生方法，该方法以上述激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路为载体执行，包括以下步骤：

步骤一、方波生成电路生成与待产生的第一正弦波的频率相同的方波；

步骤二、波形转换电路将所述方波转换为第二正弦波，所述第二正弦波的峰峰值与所述方波的峰峰值相同；

步骤三、信号调理电路对所述第二正弦波进行调理，使所述第二正弦波的峰峰值符合数字模拟转换器的参考端输入峰峰值范围要求；

步骤四、通过幅度生成电路输出与所述待产生的第一正弦波的幅度对应的固定数字信号；

步骤五、通过所述数字模拟转换器的参考端接收调理后的所述第二正弦波，同时通过所述数字模拟转换器的数字输入端接收所述幅度生成电路输出的所述固定数字信号，使得该数字模拟转换器的输出端输出需要的所述第一正弦波。

在一个实施例中，所述波形转换电路将所述方波转换为第二正弦波，具体为：通过电容器将所述方波转换为所述第二正弦波，所述电容器的电容值为1000PF至1uF，所述方波的占空比为50％。

在一个实施例中，所述信号调理电路对所述第二正弦波进行调理，使所述第二正弦波的峰峰值符合数字模拟转换器的参考端输入峰峰值范围要求，具体为：通过峰峰值调整电路接收所述电容器输出的所述第二正弦波，当所述第二正弦波的峰峰值包含0V以下的值时，将所述第二正弦波的峰峰值调整到0V以上；放大滤波电路接收所述峰峰值调整电路输出的所述第二正弦波，通过滤波、放大信号方式调节所述第二正弦波的峰峰差值的大小使所述第二正弦波的峰峰值符合所述数字模拟转换器的参考端输入峰峰值范围要求。需要说明的是，该方法实施例可参考前述激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路实施例的全部内容，这里不再详述。

现有技术中中央处理单元计算出正弦波每一点对应的电压值，再依次将每个电压值对应的数字信号传输给数字模拟转换器，再由数字模拟转换器依次将电压值输出，其产生的正弦信号受数字模拟转换器有效位数及响应速度影响较大，尤其是正弦波信号频率较高时，数字模拟转换器有效位数及响应速度对其影响会特别大，使得正弦波信号噪声大，平滑度差。

本发明是通过波形转换电路将与需要的正弦波频率相同的所述方波转换为第二正弦波，此时已经形成了平滑度好的正弦波，经过调理使其符合数字模拟转换器的参考端输入要求，正弦波信号噪声减小，再将第二正弦波输入数字模拟转换器的参考端，同时在数字模拟转换器的数字输入端只需要输入与需要的正弦波幅度对应的一个固定数字信号，无需多次计算输入正弦波每一点对应的电压值相关的数字信号，受数字模拟转换器有效位数及响应速度的影响小。本发明产生需要的正弦波采用不同于现有技术的另一种方式，使正弦波信号噪声小，平滑度好，且受数字模拟转换器有效位数及响应速度的影响较小。

本发明实施例还提供一种激光气体分析仪系统，包括发射单元，所述发射单元包括依次电连接的光源驱动器和可调谐激光二极管，该系统还包括上述任一实施例所述的激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路，所述激光气体分析仪调制信号正弦波产生电路中的所述数字模拟转换器的输出端连接所述光源驱动器。激光气体分析仪的其他结构请参看背景技术部分以及现有技术，不再详述。

本发明是通过波形转换电路将与需要的正弦波频率相同的所述方波转换为第二正弦波，此时已经形成了平滑度好的正弦波，经过调理使其符合数字模拟转换器的参考端输入要求，正弦波信号噪声减小，再将第二正弦波输入数字模拟转换器的参考端，同时在数字模拟转换器的数字输入端只需要输入与需要的正弦波幅度对应的一个固定数字信号，从而产生需要的幅度、频率的正弦波，通过该正弦波对所述光源驱动器输出的驱动信号进行调制。具体的，光源(即可调谐激光二极管)的调制过程是这样的：调制信号输入到光源驱动器，此处的调制信号不止正弦波一个，还有一个低频的三角波。三角波和正弦波会在光源驱动器里叠加后再作用于光源(即可调谐激光二极管)。光源发出激光束的波长是由三角波控制的，正弦波调制的作用是增加信噪比。本发明可实现对可调谐激光二极管的电流信号的调制，进而得到具有特定波长的激光束，提高了激光气体分析仪的检测精度和准确度。

以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。