空气离子测量系统的设计

由于空气离子浓度的测量范围比较宽，若放大电路采用固定的增益，则可能会导致放大信号在模数转换器的测量范围之外，引起测量误差，文中设计-种增益自动可调的放大电路，使增益跟随空气离子浓度的变化而改变≌气离子浓度信号为低频信号，设计了有源三阶低通滤波从而有效提高了信噪比。

1 程控增益微电流放大电路的设计1.1 整体设计稳速风机将空气离子吸入收集器中，被测离子极性选定后，由于电场力的作用被选离子吸附在收集极上，从而形成微弱的电流信号 ]，通过采样电阻将其转换成电压信号，然后依次通过放大电路、AD转换电路、MCU对量程切换、数值分析等环节 ，最终在显示器上显示出空气离子的浓度值。

1.2 I-V转换电路的设计选用采样式I-V转换的方法测量弱电流2J，， 转换成输入电压 。图1中，通过单片机对继电器的控制，可根据离子浓度的大小对采样电阻R。 ，R ， ∞进行选择，分别得到 100MQ和 100 KQ的采样电阻。

2 程控增益放大电路的设计采集器的信号输出为前级放大器的信号源，其等效阻抗 。

随采集信号的变化而改变，为了减弱器对放大能力的影响，放大器的阻抗 应远大于信号源阻抗 J。选用 INA116为前置放大器，其高输入阻抗、低电压偏置、低噪声、低温漂的性能适用于微电流的测量。

增益可调放大电路的方案设计主要有3种：采用集成程控收稿日期：2012-05-08 收修改稿日期 ：2012-12-28图 1 采样式 I-V转换原理 图增益放大器、采用多路模拟开关控制增益、采用数字电位器控制增益 J。文中采用数字电位器的方法来实现增益的自动可调，所选数字电位器为AD5291。其中供给数字电位器的逻辑电压为 5 V，AD5291的 DIN引脚 、SCLK引脚 、SYNC引脚分别与 STM32的引脚 portD2、portD3、portD4相接；7引脚加-个1 的电容，起滤波作用。2引脚和5引脚分别为电位器的双向供电电压引脚，通过单片机对数字电位器的控制以实现对增益的调节。图2中，R。：，R 避免了输出端产生零漂和饱和等现象 J。对于微弱信号的测量，除了考虑噪声干扰和偏置电流以外，偏置电压对第-级放大电路的影响也不容忽视，因此INA116的引脚9处接-个调零电路可以使测量更精确。

3 有源低通滤波电路的设计选用三阶巴特沃斯低通滤波电路处理噪声信号∝止频率 为1 kHz，截止频率与电容电阻的关系有： 1 (1)由正归-化表得出三阶巴特沃斯低通滤波器所对应的第第3期 李庆等：空气离子测量系统的设计 65图2 程控增益电路原理图- 阶、第二阶的品质因数Q。、Q：。

其中品质因数与增益的关系为：G -寺 (2)电阻与增益及品质因数与电阻的关系分别为：G 鲁 ㈩马(2-击).R (4)第-阶滤波器 ，选 C 22 nF，则 由可得 R37.23 kUt；由Q 0.5知第-阶电路为跟随器，取 R：1 kQ；第二阶滤波器，选 C2C3：22 nF，R4R57.23 kn；Q21，令R61 k0，得出B 为 1 kn.原理图如图 3所示。

闺3 三阶有源低通滤波电路4 放大电路的整体运行过程假定空气的采用速度与离子收集的截面积固定，则此时空气离子浓度与电流成正比。自开始采集空气离子后 ，换程控制电路自动将增益调到最小值，然后通过对放大后的电压进行超欠量程的判断。

在超欠量程的判断中，为了防止相邻量程的来回切换，采用了阈值回差的方法 。当大于升量程阈值时，就升量程，当小于升量程阈值的9%时，就降量程。自动量程的切换是通过调节放大电路的增益来实现，通过量程的逐级比较，最终达到最佳的量程。

5 测试结果选用DLY型空气离子浓度测量仪进行了实验对比。对校瓦赢l测试程序IL-----J≤ 咂N呕图4 自动量程转换示意图园的空气离子浓度进行了采用分析。其中图 5、图 6为 7：00-19：00对离子进行多次测量的离子浓度均值图形走向。

500450褪550500越450褪5 10 15 20时间/h图5 离子浓度平均测量值5 10 15 20时间m图6 新型离子浓度平均测量6 结束语针对空气离子浓度的特点设计的两级信号放大电路的设计既可以满足微弱电流信号的测量，电路的整体造价也得到了有效控制。针对空气离子浓度的特点设计的通(下转第68页)Instrument Technique and Sensor M81.20133.2 软件流程节点的工作方式采用主动和被动相结合的方法。当热释电传感器检测到有人进入感知区域时，节点按照帧的格式主动向传感网络主机发送状态报告帧，如果网络主机正确接收了此报告帧，则会向节点发送相应的应答帧，如果网络主机因网络数据冲突未能正确接收了此报告帧，则会以轮询的方式向网络发送状态查询帧，以便重新获取该节点数据，流程图如图6所示。操作过程为 ms级，而传感器的电平保持时间为 S级，因此，数据不会丢失 ，确保数据的可靠性；另外-种被动通信传输方式主要是网络对下位机的-种获取形式，节点在上位要上传数据时，把当前检测状态传给网络主机。

图 6 软件处理程序流程图4 实验数据及结果在实验