基于PMT模块的供电电路及信号调理电路的设计与实现

张曼曼 杨宁 王旭柱

摘 要：本文介绍的是基于光电倍增管（PMT）模块的供电电路及信号调理电路的设计，用于浮游植物粒径检测系统中微弱荧光信号的检测。设计的供电电路将开关电源输出的12V電压转换为低噪声、低纹波、稳定性好的±5V的电压供光电倍增管模块及其信号调理电路使用，实现了一个电源多种应用的目的，并为PMT模块的输出信号设计了信号调理电路，减小了光电检测电路的噪声，提高了检测精度。

关键词：电源电路；低噪声；光电检测；信号调理

中图分类号：TP391 文献标识码：A

在微弱光信号的检测中，利用光电倍增管（PMT）检测微弱信号仍然是一种主要方式。为此本文设计了一种基于光电倍增管（PMT）模块H10723-20的供电电路和信号调理电路，用于浮游植物粒径检测系统中微弱荧光信号的检测。由于需要检测的荧光信号比较微弱，背景噪声将对检测结果的精度和稳定性产生很大的影响，因此所设计的电路应必须具有较小的噪声和纹波。

1 系统设计方案

PMT模块H10723-20使用±5V的直流电压作为输入，为减小电源噪声，本文选择由输出为12V的开关电源通过DC-DC电压转换器转换而来的±5V电压作为PMT模块的输入电压。为方便后续电路对由H10723-20转化而来的电信号的传输和处理，本文设计了信号调理电路来调理、放大PMT模块的输出电压。由于检测到的光信号强度不同，为更加灵活的检测到光信号并防止强光对光电倍增管模块的损坏，本文为PMT模块设计了灵敏度调节电路，应对不同光强的光信号的检测。

电路主要由以下几部分组成：开关电源、DC-DC电压转换芯片、芯片外围电路、PMT模块、PMT灵敏度调节电路、信号调理电路，其总体结构框图如图1所示。图1中开关电源用来提供12V的电源电压；DC-DC电压转换芯片将开关电源提供的12V电压转换为±5V的电压供H10723-20使用，芯片外围电路用来降低±5V电压的噪声和纹波，提高输出电压的稳定性；灵敏度调节电路用来控制PMT模块的灵敏度；信号调理电路用来调理、放大PMT模块输出的电信号。

2 电源电路设计

2.1 DC-DC电压转换芯片的选择

经过各种DC-DC电压转换芯片的比较分析，本文最终选择MURATA公司的NMA1205DC芯片作为DC-DC电压转换器。该芯片标准输入电压为12V；输出为双路输出±5V，输出电流为±100mA。

该芯片内具有短路保护和热保护电路，且输入和输出相隔离，消除了直流路径，减小了开关噪声，使芯片具有较高的可靠性。芯片通过内部滤波电路平滑、滤波得到稳定的±5V大小的输出电压，使输出电压的纹波和噪声小于20mV。

2.2 芯片外围电路介绍

为更进一步减小输出电压的噪声，本文采用图2所示的芯片外围电路对芯片输入、输出电压进行调理，有效降低输出电压纹波和噪声。

图2中DC-DC电压转换芯片NMA1205DC的输入端加入电容的主要目的是为了降低来自上一级的纹波和噪声，较大的电容会使系统工作更加稳定，但考虑到PCB面积的损耗、其他器件的正常工作情况以及对应用系统中其余电路的干扰，本文的输入电容选用阻抗小的铝聚合物电解电容。考虑到输出电压噪声、转换器频率、输出电压纹波等因素，芯片输出端采用LC滤波电路平滑输出电压，减小输出电压纹波和噪声。由于大的电感可以降低输出电流和输出电压纹波且增大芯片的带负载能力，但却会耗费过多的PCB面积，综合考虑电路噪声、电压纹波、电感的尺寸、PCB面积等因素，本文选择22μH电感，电容C25、C26选择铝聚合物电解电容，C20、C22选择陶瓷电容，

3 PMT灵敏度调节电路

本文通过高精度旋转式电位器的滑动实现对PMT灵敏度的调节，具体原理为通过滑动电位器改变电阻值进而改变PMT模块H10723-20引脚Vcont IN和Vref OUT之间的电压值，不同的电压值决定了不同的灵敏度，从而实现了PMT的灵敏度的调节。为防止电位器在调节时滑至两端，出现短路的情况，在电位器两边分别加入电阻，以保护H10723-20模块，避免因短路导致PMT损坏。电路原理如图3所示。

4 信号调理电路设计

为满足后续电路对电压信号的要求，本文利用集成运算放大器AD823AN设计了放大电路来放大PMT模块的输出电压，电路原理图如图4所示。

放大电路输入级为放大级，主要用来放大PMT模块输出的电压信号，并利用电容和电阻构成有源低通滤波器，滤除高频噪声，提高电路性能。输出级为电压跟随器，输出电压近似输入电压幅值，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，使前、后级电路之间的相互影响很小，因而对前后级电路起到缓冲、隔离作用，并且具有很好的带负载能力。

5 结果分析

将本文设计的电路用在浮游植物粒径检测系统中，用来检测由波长445nm的激光激发产生的荧光光信号，系统设定波形经过10点移动平滑。所得荧光信号的波形如图5所示，整体波形具有较小的纹波和噪声，具有较高的信噪比，波形两边有较小的浮动是由于浮游植物粒径检测系统中波长为532nm的激光激发产生的少量荧光信号造成的，与本文所设计的电路无关，且不影响粒径的正确计算，本文的设计完全可以满足浮游植物粒径检测实验的要求，具有良好的效果。

结语

本文设计的电路应用在浮游植物粒径检测系统中，为该系统中的光电检测模块提供电源，并且对光电检测模块输出的信号进行调理和放大，有效地减小了电路噪声和纹波，得到了较好的荧光信号波形，有效的保证了检测结果的精度和整个检测系统的稳定性。

参考文献

[1]王霞，王吉晖，高岳，金伟其.光电检测技术与系统（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2015.

[2]侯惠淇，韩志刚，Jordi Cosp-Vilella.线性辅助的DC-DC电压转换器的设计[J].电子技术应用，2015，41（07）：47-49.

[3]刘洁.高效率电压模同步降压型DC-DC转换器的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[4]脱立芳.降压型PMW DC-DC开关电源技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2008.

[5]刘大燕.一种适用于低频小信号检测的放大电路设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2013.

[6]葛玉荣.海水中浮游植物粒径分布及浓度原位监测系统研究[D].山东省青岛市：中国海洋大学信息科学与工程学院，2011.