本發(fā)明涉及光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種微弱光信號(hào)處理裝置及微弱光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微弱光信號(hào)檢測(cè)是弱信號(hào)檢測(cè)最重要的一個(gè)分支，在實(shí)際測(cè)量中，常采用不同的光電信息轉(zhuǎn)換器把微弱的淹沒(méi)在噪聲中的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)再進(jìn)行測(cè)量，這就是微弱光信號(hào)檢測(cè)的基本思路。對(duì)微弱光信號(hào)的檢測(cè)是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分，在軍事、工業(yè)生產(chǎn)、生物圖像分析等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其檢測(cè)方式是采集微弱光得到微弱光信號(hào)，然后對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行光電檢測(cè)。

傳統(tǒng)的對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行光電檢測(cè)的過(guò)程是：通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)運(yùn)放將電信號(hào)進(jìn)行放大、通過(guò)有源濾波電路進(jìn)行去噪處理，以達(dá)到模擬信號(hào)輸出的目的。然而，放大使用的運(yùn)放和有源濾波電路中的運(yùn)放存在輸入失調(diào)電壓，會(huì)導(dǎo)致電路中部分信號(hào)丟失，影響檢測(cè)電路的靈敏度，檢測(cè)準(zhǔn)確性低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對(duì)傳統(tǒng)的微弱光信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確性低的問(wèn)題，提供一種檢測(cè)準(zhǔn)確性高的微弱光信號(hào)處理裝置及微弱光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。

一種微弱光信號(hào)處理裝置，包括光電轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路、基準(zhǔn)電壓輸出裝置、加法器和濾波電路，所述光電轉(zhuǎn)換電路連接所述前置放大電路，所述前置放大電路和所述基準(zhǔn)電壓輸出裝置連接所述加法器，所述加法器連接所述濾波電路；

所述光電轉(zhuǎn)換電路對(duì)輸入的微弱光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并輸出微弱電信號(hào)至所述前置放大電路，所述前置放大電路對(duì)所述微弱電信號(hào)進(jìn)行放大后輸出放大電信號(hào)至所述加法器，所述基準(zhǔn)電壓輸出裝置輸出基準(zhǔn)電壓信號(hào)至所述加法器，所述加法器對(duì)所述放大電信號(hào)和所述基準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行疊加后輸出疊加信號(hào)至所述濾波電路，所述濾波電路對(duì)所述疊加信號(hào)進(jìn)行去噪處理得到去噪信號(hào)。

上述微弱光信號(hào)處理裝置，先通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路對(duì)輸入的微弱光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出微弱電信號(hào)至前置放大電路進(jìn)行放大處理，然后通過(guò)加法器對(duì)前置放大電路輸出的放大電信號(hào)和基準(zhǔn)電壓輸出裝置輸出的基準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行疊加得到疊加信號(hào)，濾波電路對(duì)疊加信號(hào)進(jìn)行去噪處理。加法器對(duì)放大電信號(hào)和基準(zhǔn)電壓信號(hào)的疊加可以消除加法器內(nèi)部運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓，從而消除輸入失調(diào)電壓對(duì)放大信號(hào)的影響，使得濾波電路的濾波去噪得到的去噪信號(hào)效果更好，從而可提高后續(xù)根據(jù)去噪信號(hào)檢測(cè)微弱光信號(hào)的準(zhǔn)確性。

一種微弱光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，包括a/d轉(zhuǎn)換器、微控制器、上位機(jī)和上述的微弱光信號(hào)處理裝置，所述a/d轉(zhuǎn)換器連接所述微控制器和所述微弱光信號(hào)處理裝置的濾波電路，所述微控制器連接所述上位機(jī)；

所述a/d轉(zhuǎn)換器對(duì)所述濾波電路輸出的去噪信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至所述微控制器，所述微控制器將所述數(shù)字信號(hào)發(fā)送至所述上位機(jī)，所述上位機(jī)根據(jù)所述數(shù)字信號(hào)生成信號(hào)圖譜。

上述微弱光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，由于采用了上述微弱光信號(hào)處理裝置，同樣可消除輸入失調(diào)電壓的影響，提高信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性；而且通過(guò)上位機(jī)生成信號(hào)圖譜，便于查看，直觀性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為一實(shí)施例中微弱光信號(hào)處理裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為一實(shí)施例中光電轉(zhuǎn)換電路的電路原理圖；

圖3為一實(shí)施例中基準(zhǔn)電壓輸出裝置、加法器和濾波電路的電路原理圖；

圖4為一實(shí)施例中微弱光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

參考圖1，一實(shí)施例中的微弱光信號(hào)處理裝置，包括光電轉(zhuǎn)換電路110、前置放大電路120、基準(zhǔn)電壓輸出裝置130、加法器140和濾波電路150，光電轉(zhuǎn)換電路110連接前置放大電路120，前置放大電路120和基準(zhǔn)電壓輸出裝置130連接加法器140，加法器140連接濾波電路150。

光電轉(zhuǎn)換電路110對(duì)輸入的微弱光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并輸出微弱電信號(hào)至前置放大電路120，前置放大電路120對(duì)微弱電信號(hào)進(jìn)行放大后輸出放大電信號(hào)至加法器140，基準(zhǔn)電壓輸出裝置130輸出基準(zhǔn)電壓信號(hào)至加法器140，加法器140對(duì)放大電信號(hào)和基準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行疊加后輸出疊加信號(hào)至濾波電路150，濾波電路150對(duì)疊加信號(hào)進(jìn)行去噪處理得到去噪信號(hào)。

微弱光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換后得到的微弱電信號(hào)非常容易被噪聲淹沒(méi)，對(duì)微弱電信號(hào)的放大及處理是十分困難的，如電子器件的熱噪聲、運(yùn)算放大器的溫漂和零漂、信號(hào)的傳輸?shù)?，都?duì)信號(hào)的提取和保真有非常重要的影響。故，對(duì)微弱光信號(hào)的檢測(cè)，其放大和去噪效果的好壞是檢測(cè)成功與否的關(guān)鍵；在檢測(cè)之前對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的光電轉(zhuǎn)換電路、濾波電路將光電轉(zhuǎn)換后的微弱電信號(hào)從強(qiáng)噪聲中提取出來(lái)，以便對(duì)提取后的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

上述微弱光信號(hào)處理裝置，先通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路110對(duì)輸入的微弱光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出微弱電信號(hào)至前置放大電路120進(jìn)行放大處理，然后通過(guò)加法器140對(duì)前置放大電路120輸出的放大電信號(hào)和基準(zhǔn)電壓輸出裝置130輸出的基準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行疊加得到疊加信號(hào)，濾波電路150對(duì)疊加信號(hào)進(jìn)行去噪處理。加法器140對(duì)放大電信號(hào)和基準(zhǔn)電壓信號(hào)的疊加可以消除加法器140內(nèi)部運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓，從而消除輸入失調(diào)電壓對(duì)放大信號(hào)的影響，使得濾波電路150的濾波去噪得到的去噪信號(hào)效果更好，從而可提高后續(xù)根據(jù)去噪信號(hào)檢測(cè)微弱光信號(hào)的準(zhǔn)確性。

具體地，濾波電路150為有源濾波電路，加法器140對(duì)放大電信號(hào)和基準(zhǔn)電壓信號(hào)的疊加可使后續(xù)的信號(hào)的都有一個(gè)疊加值，這樣可消除有源濾波電路中運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓的影響，可進(jìn)一步提高后續(xù)檢測(cè)微弱光信號(hào)的準(zhǔn)確性。

在一實(shí)施例中，參考圖2，光電轉(zhuǎn)換電路110包括光電二極管con1、限流電阻r20、濾波電容c51和采樣電阻rl，限流電阻r20和濾波電容c51串聯(lián)，且公共端連接光電二極管con1的陰極；限流電阻r20另一端連接電源接入端vcc_5v，濾波電容c51另一端接地；光電二極管con1的陽(yáng)極通過(guò)采樣電阻rl接地，且公共端連接前置放大電路120。具體地，光電二極管con1和采樣電阻rl的公共端可通過(guò)端口pd_in連接前置放大電路120。

光電二極管con1反向連接在電路中，將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號(hào)，再經(jīng)采樣電阻rl將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號(hào)，即輸出至前置放大電路120的微弱電信號(hào)為電壓信號(hào)；改變采樣電阻rl的阻值，就可以改變輸入前置放大電路120的電壓信號(hào)的大小。電源接入端vcc_5v用于接入電源電壓，通過(guò)限流電阻r20和濾波電容c51對(duì)接入的電源電壓進(jìn)行濾波，可提高信號(hào)處理的準(zhǔn)確性。

在一實(shí)施例中，前置放大電路120采用max4477雙運(yùn)放集成芯片。一方面，max4477雙運(yùn)放集成芯片中的運(yùn)算放大器具有超低的輸入電壓噪聲密度和超低的輸入電流噪聲密度對(duì)微弱電信號(hào)放大的效果好；另一方面，由于集成芯片體積小，因此采用max4477雙運(yùn)放集成芯片可大大縮小電路空間，節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。

在一實(shí)施例中，參考圖3，基準(zhǔn)電壓輸出裝置130包括電壓源131和分壓網(wǎng)絡(luò)132，電壓源131連接分壓網(wǎng)絡(luò)132，分壓網(wǎng)絡(luò)132連接加法器140。

分壓網(wǎng)絡(luò)132將電壓源131輸出的電壓進(jìn)行分壓后輸出部分電壓作為基準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出到加法器140。通過(guò)采用電壓源131和分壓網(wǎng)絡(luò)132組成基準(zhǔn)電壓輸出裝置130，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且實(shí)用。

在一實(shí)施例中，繼續(xù)參考圖3，基準(zhǔn)電壓輸出裝置130還包括電壓跟隨器u11-b，分壓網(wǎng)絡(luò)132通過(guò)電壓跟隨器u11-b連接加法器140。

電壓跟隨器u11-b的輸入阻抗高、輸出阻抗低，通過(guò)電壓跟隨器u11-b連接在分壓網(wǎng)絡(luò)132與加法器140之間，可用于緩沖和隔離。

具體地，繼續(xù)參考圖3，電壓源131包括電壓基準(zhǔn)芯片u12、第一電阻r6和第一電容c2，分壓網(wǎng)絡(luò)132包括第二電阻r8和第三電阻r7。

第一電阻r6和第一電容c2串聯(lián)，且公共端連接電壓基準(zhǔn)芯片u12一端和第二電阻r8一端；第一電阻r6另一端連接電源接入端vcc_5v，電源接入端vcc_5v接入電源電壓；第一電容c2另一端接地，電壓基準(zhǔn)芯片u12另一端接地。第二電阻r8另一端通過(guò)第三電阻r7接地，且公共端連接電壓跟隨器u11-b的同相輸入端，電壓跟隨器u11-b的反相輸入端連接電壓跟隨器u11-b的輸出端，電壓跟隨器u11-b的輸出端連接加法器140。

電壓基準(zhǔn)芯片u12輸出基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓通過(guò)第二電阻r8和第三電阻r7組成的分壓網(wǎng)絡(luò)132進(jìn)行分壓。通過(guò)采用第一電阻r6和第一電容c2對(duì)接入的電源電壓進(jìn)行濾波，可進(jìn)一步提高基準(zhǔn)電壓輸出裝置130輸出基準(zhǔn)電壓信號(hào)的準(zhǔn)確性。

具體地，電壓基準(zhǔn)芯片u12采用型號(hào)為lm4040a25的高精度電壓源芯片。lm4040a25采用5v輸入電壓，穩(wěn)定輸出2.5v，輸出最大公差0.1％，能很好地避免基準(zhǔn)電壓對(duì)其他電路部分帶來(lái)的影響。

在一實(shí)施例中，請(qǐng)繼續(xù)參考圖3，加法器140包括第一運(yùn)算放大器u11-a、第四電阻r2、第五電阻r4、第六電阻r1、第七電阻r5和第八電阻r3。第四電阻r2一端連接基準(zhǔn)電壓輸出裝置130，具體地，第四電阻r2連接電壓跟隨器u11-b的輸出端；第四電阻r2另一端通過(guò)第五電阻r4接地，且公共端連接第一運(yùn)算放大器u11-a的同相輸入端。第六電阻r1一端連接前置放大電路120，具體可通過(guò)端口pd_out連接前置放大電路120；第六電阻r1另一端連接第一運(yùn)算放大器u11-a的同相輸入端。第七電阻r5一端連接第一運(yùn)算放大器u11-a的反相輸入端，另一端接地；第八電阻r3一端連接第一運(yùn)算放大器u11-a的反相輸入端，另一端連接第一運(yùn)算放大器u11-a的輸出端，第一運(yùn)算放大器u11-a的輸出端連接濾波電路150。

具體地，第一運(yùn)算放大器u11-a連接正壓電源vcc_9v的一端通過(guò)電容c4接地；第一運(yùn)算放大器u11-a連接負(fù)壓電源vss_9v的一端通過(guò)電容c3接地。

在一實(shí)施例中，濾波電路150包括第二運(yùn)算放大器u11-d、第九電阻r9、第十電阻r10、第十一電阻r11、第十二電阻r12、第二電容c5和第三電容c1。第九電阻r9與第十電阻r10串聯(lián)，且公共端連接第二電容c5一端，第九電阻r9另一端連接加法器140，具體地，第九電阻r9連接第一運(yùn)算放大器u11-a的輸出端；第十電阻r10另一端連接第二運(yùn)算放大器u11-d的同相輸入端，且通過(guò)第三電容c1接地。第二電容c5另一端連接第二運(yùn)算放大器u11-d的輸出端，且通過(guò)第十一電阻r11連接第二運(yùn)算放大器u11-d的反相輸入端；第十二電阻r12一端連接第二運(yùn)算放大器u11-d的反相輸入端，另一端接地；第二運(yùn)算放大器u11-d的輸出端輸出去噪信號(hào)。

通過(guò)采用第二運(yùn)算放大器u11-d、第九電阻r9、第十電阻r10、第十一電阻r11、第十二電阻r12、第二電容c5和第三電容c1構(gòu)成二階低通有源濾波電路，輸入的疊加信號(hào)經(jīng)過(guò)rc濾波后進(jìn)入到第二運(yùn)算放大器u11-d的同相輸入端，從第二運(yùn)算放大器u11-d的輸出端再反饋一個(gè)信號(hào)經(jīng)另一路rc濾波返回到第二運(yùn)算放大器u11-d的同相輸入端，選取合適的rc參數(shù)，可以很好地去除噪聲。

具體地，電壓跟隨器u11-b、第一運(yùn)算放大器u11-a和第二運(yùn)算放大器u11-d分別為opa4188中的運(yùn)算放大器。

opa4188包括四路運(yùn)算放大器，采用其中的一路運(yùn)算放大器用作電壓跟隨器u11-b，一路運(yùn)算放大器用作第一運(yùn)算放大器u11-a，一路運(yùn)算放大器用作第二運(yùn)算放大器u11-d。opa4188是一款輸入電壓范圍寬(±2v-±18v)、雙電源供電、軌對(duì)軌輸出的集成芯片，其低至0.03μv/℃的溫漂特性使其不容易受環(huán)境溫度的影響，有效地避免了溫度對(duì)微弱信號(hào)的影響，最大25μv的輸入失調(diào)電壓能夠提供寬范圍的信號(hào)輸入和提高對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)的靈敏度。

在一實(shí)施例中，上述微弱光信號(hào)處理裝置還包括連接光電轉(zhuǎn)換電路110的微弱光采集裝置(圖未示)，微弱光采集裝置采集微弱光信號(hào)并將微弱光信號(hào)發(fā)送至光電轉(zhuǎn)換電路110。

具體地，微弱光采集裝置包括透鏡、反射鏡、干涉濾光片和帶通濾光片。透鏡收集微弱光信號(hào)并照射至反射鏡，反射鏡將微弱光信號(hào)反射，反射后的微弱光信號(hào)依次通過(guò)干涉濾光片和帶通濾光片后進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換電路110。

通過(guò)透鏡、反射鏡、干涉濾光片和帶通濾光片組成的微弱光采集裝置，可將微弱光信號(hào)基本無(wú)損地傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換電路110，保證微弱光信號(hào)的完整性，也可以有效避免雜散光對(duì)微弱光信號(hào)的影響。

參考圖4，一實(shí)施例中的一種微弱光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，包括a/d(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器210、微控制器220、上位機(jī)230和上述微弱光信號(hào)處理裝置，a/d轉(zhuǎn)換器210連接微控制器220和微弱光信號(hào)處理裝置的濾波電路150，微控制器220連接上位機(jī)230。

a/d轉(zhuǎn)換器210對(duì)濾波電路150輸出的去噪信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至微控制器220，微控制器220將數(shù)字信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)230，上位機(jī)230根據(jù)數(shù)字信號(hào)生成信號(hào)圖譜。

具體地，在上位機(jī)230上裝載數(shù)據(jù)處理軟件，使用數(shù)據(jù)處理軟件將數(shù)字信號(hào)以圖像曲線和條形圖的形式顯示成信號(hào)圖譜。

上述微弱光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，由于采用了上述微弱光信號(hào)處理裝置，同樣可消除輸入失調(diào)電壓的影響，提高信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性；而且通過(guò)上位機(jī)230生成信號(hào)圖譜，便于查看，直觀性強(qiáng)。

在一實(shí)施例中，a/d轉(zhuǎn)換器210采用16位高速adc(analog-to-digitalconverter模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)。16位高速adc最高轉(zhuǎn)換速度可達(dá)1msps，所需參考電壓源由型號(hào)為lm4040a25的高精度電壓源芯片提供，多達(dá)4種啟動(dòng)adc轉(zhuǎn)換的方式帶來(lái)更多選擇，可有效節(jié)省系統(tǒng)資源，能夠有效地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

在一實(shí)施例中，微控制器220為c8051f060單片機(jī)。c8051f060單片機(jī)可選擇內(nèi)外部晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘源，外部晶振頻率最高可達(dá)22.1184mhz；c8051f060單片機(jī)豐富的內(nèi)部資源能夠滿足整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，可準(zhǔn)確無(wú)誤地將a/d轉(zhuǎn)換器210轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)串口發(fā)送到上位機(jī)230。

上述微弱光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可以應(yīng)用于微滴熒光檢測(cè)，微弱光信號(hào)為激光激發(fā)帶染料的微滴發(fā)出的熒光，可以提高微滴熒光檢測(cè)的準(zhǔn)確性。一具體例中，從上位機(jī)230端顯示的信號(hào)圖譜來(lái)看，微弱光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⒃肼暱刂圃?3(數(shù)字量)左右，而且在不同環(huán)境下進(jìn)行多次重復(fù)采集同樣的微弱光信號(hào)，最終得到的信號(hào)圖譜都基本一致，效果較好。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說(shuō)明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。