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引言
4.2 电路的设计与实现
本次设计基于Multisim系统，总共需要设计四个模块：荧光信号模拟模块、光电信号转换模块、带通滤波模块及电信号放大模块。荧光信号模拟模块模拟出的光信号在光电信号转换电路系统中转换为电信号，并进行一级放大处理，处理过的电信号进入带通滤波电路系统，在该系统中经过带通滤波滤除噪声后进入放大电路系统，进行放大处理，最后通过万用表的检测检测电信号的电压大小，根据电信号与苹果酸浓度的比例关系推出苹果酸浓度。接下来的内容对各模块电路的设计进行介绍。
4.2.1 荧光信号模拟模块
在Multisim系统中无法直接导入荧光光谱仪产生的荧光信号，因此需要在电路中模拟荧光信号产生。笔者利用函数发生器和发光二极管模拟苹果酸溶液荧光信号；函数发生器产生微弱的正弦信号，经过发光二极管产生光信号，模拟出苹果酸溶液荧光信号。
荧光信号模拟电路如图42所示。
图42 荧光信号模拟电路
Fig.42 Fluorescent signal analog circuit
4.2.2 光电信号转换模块
光电信号转换是检测系统中最重要的一步，光电信号转换效率直接影响系统检测性能。由于荧光光谱仪的激发功率为mW量级，其激发苹果酸溶液所产生的荧光在nW量级，十分微弱；在光电信号转换后，信号的功率不会发生改变，导致转换后的电信号无法直接被滤波电路处理。因此光电信号转换模块需要完成以下三个功能：光电信号转换、电信号放大和电流/电压转换。
（1）光电二极管
光电二极管是由一个PN结构成的半导体元器件，具有单向导电性，是一种在电路中能将微弱的光信号转换成电信号的常见光电传感器件[16]。与普通二极管不同的是：光电二极管在设计和制造时使用的PN结面积相对较宽，能够直接接收入射光。在反向电压作用时，普通二极管处在截止状态，只能通过极小的反向电流；而光电二极管在同样作用下，会产生不同的状态。没有光照时，只能流过极其微弱的反向电流，被称为暗电流；有光照时，反向电流会快速增加到几十mA，称为光电流。入射光强度越大，反向电流越大[17]。光的强度变化导致光电二极管电流产生变化，从而将光信号转换成电信号。
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图43 光电二极管
Fig.43 Photo transistor rated
（2） OPA128JM
OPA128JM是一种超低偏置电流单片机电路的运算放大器。它使用高级几何介质隔离场效应晶体管输入，OPA128JM以FET作为输入级，偏置值很低，具有高输入阻抗、高精益增密的特点。最好的混合静电放大器的放大效能都无法和OPA128JM放大器相比。OPA128JM 是一种优秀的低电平信号处理放大器，闪烁噪声很低[18]。适用于对电路要求较高的低电平电路。根据以上优点，以及笔者自身对运放电路的了解，本次系统设计将选择该种运放作为本系统的光电转换模块放大电路的放大器。
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图44 OPA128JM
Fig.44 OPA128JM
在光电信号转换模块中，光信号经过了三个过程变为可处理的电信号。一、光信号通过光电二极管转换为反向电流进入电路系统，转换后的电信号功率不变，以电流的形式存在且十分微弱。二、微弱的电信号进入一级放大电路系统进行一级放大。三、在电信号放大的同时，将电流转换为电压。
由于低浓度苹果酸溶液产生的荧光信号强度较低，本系统选用光电二极管直接进行光电信号转换。转换后的电信号流经一级放大电路进行一级放大。在该电路中，Rf的选值同时影响电路的放大倍数和信噪比。信噪比是提升电路稳定性的关键，在该电路中，噪声的大小与Rf2成正比，而信号幅值与Rf成正比，可得到信噪比与Rf成反比。因此，为了提高电路的信噪比，Rf应选择较大电阻值较大的电阻，经过调试，笔者最终将Rf设置为10 MΩ。这时，该系统的信噪比达到了一个较高的值，电信号经过一级放大后达到可处理标准。为了解决Rf电阻引起的电路动荡问题，需要通过增加电容的方式对系统进行补偿。因此，在电路中加入温度补偿的10 pF的陶瓷电容，使电路趋于稳定[19]。加入电阻和电容后，整个电路形成了一个闭合的反馈电路，起到了放大作用。同时，反向电流流经电路后转换为交流电压，进行滤波模块。
需要注意的是，在OPA128JM的输入端附件有一根5V的电源线，这会导致电路产生电位差，从而导致发生漏电现象，对电路产生串扰影响，因此在实际电路搭建过程中应做大面积铺地处理来消除串扰。
光电转换电路如图45所示。
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图45 光电转换电路
Fig.45 Photoelectric conversion circuit
4.2.3 带通滤波模块
经过放大后的电信号中存在大量噪声干扰，为消除噪声干扰，将噪声信号对电路的影响降到最小，在系统中设计了一个带通滤波系统，对噪声信号进行滤除。带通滤波器通过允许特定频段的波通过同时能屏蔽其他频段达到滤波效果，它能将其他频段衰减，达到噪声处理的目的[20]。

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