基于NDIR的甲烷传感器微弱信号调理设计

张赵良，潘 斐，朱菊香

（1.无锡学院 轨道交通学院，无锡 214105；2.南京信息工程大学 自动化学院，南京 210044）

石油化学工业在持续快速发展，对作业场所里产生的有毒有害气体也有了多种检测手段以保护人员的健康及设备的安全。比如，针对碳氢类可燃气体，可利用催化燃烧和红外传感器进行检测，针对大部分毒性气体，可通过电化学及半导体传感器进行检测。随着科学技术的进一步发展，PID、激光气敏传感器也被开发出来。

NDIR（非分散性红外线技术）是一种基于气体吸收理论的方法。红外光源发出的红外辐射经过一定浓度待测的气体吸收之后，与气体浓度成正比的光谱强度会发生变化，因此求出光谱光强的变化量就可以反演出待测气体的浓度。目前NDIR 红外气体传感器已成功用于二氧化碳、甲烷等气体的精确检测，这种传感器的体积也已经能做到十分小型化。朗伯-比尔定律为红外气体浓度精确检测提供了有力的理论依据，根据实际需求选择合适波长的光源和传感器，通过信号调理电路即可采集传感器的输出信息，加以计算得出待测气体的浓度[1]。因此，信号调理对于检测的重要性不言而喻。

鉴于此，本文以红外甲烷气体传感器为研究对象，在保证中间调理电路功能良好的前提下，选择性价比高、参数符合电路设计要求的运放，并根据数学公式推算电路中的电容电阻值。最后，依据电路仿真，验证本文所设计的调理电路效果，分析设计的优势性。

1 检测系统总体设计

本设计选用ST 公司的STM32F407 作为主控芯片，选择OP77 作为信号调理部分各模块的运算放大器。由主控芯片控制红外光源的发光频率，传感器输出信号一般为微安甚至纳安级别小电流，通过跨阻放大器放大至毫伏级别电压，再由可调增益模块配合偏置电压将输出信号控制在0～3.3 V 之间，满足AD 采集的条件[2]。在放大信号的同时由于有效信号的频率较低（本设计选取10 Hz），需要对高频噪音信号进行滤波处理，提高信噪比。传感器检测整体硬件设计流程如图1所示。

图1 硬件系统设计流程Fig.1 Hardware system design flow chart

其中，信号调理部分主要由以下几个模块组成：供电模块、偏置电压模块、跨阻放大器（transimpedance amplifier，TIA）模块和可调增益电路模块。需要一组标定装置实现对传感器的供气，信号调理电路对获取的传感器的输出进行一系列的数字处理，由单片机采集数据，而后进行显示和做进一步的处理分析[3]。

2 传感器信号调理设计

对非分光红外甲烷传感器微弱信号调理的传统方法有2 种，第一种方法是按照放大—整流—滤波的方式进行处理[4]，将正负交流电压转换为等效的正的直流电压信号后由ADC 进行采集，这种设计使得电路结构相对复杂，干扰因素较多，设计成本相对较高；另一种是由跨阻放大器配合专用可调增益放大器（variable gain amplifier，VGA）芯片进行信号调理，根据芯片对应的信号放大计算公式，由微控制器模块给芯片输出DA 模拟电压来控制放大倍数[5]，但是此种方式对于低频信号来说设计成本较高，由于专用VGA 芯片自身通常具有很大的带宽，因此主要应用于高频信号和宽带宽信号的处理，对于低频信号来说性能过剩并且带来的高频干扰太多，滤波处理等工作比较麻烦。采用精密运放OP77进行TIA 和可调增益电路的设计不仅可以达到设计要求，降低设计成本和电路的复杂度，也可以有效避免高频信号干扰，滤波更为简便，电路信噪比更高[6]。

2.1 TIA 和可调增益电路的基本原理

TIA 具有电阻的量纲，所以一般称之为跨阻放大器，TIA 的增益A=Y（电压）/X（电流），Y 为输出的电压，X 为输入的电流，增益A 由反馈电阻决定，表征一个信号由电流变成电压并进行一定程度的放大[7]。可调增益电路用来调节信号增益，由专用VGA芯片或者运放搭配电容电阻等进行搭建。

2.2 TIA 和可调增益电路的设计

本设计采用精密运放OP77 进行TIA 和可调增益电路的设计。OP77 在整个10 V 输出范围内的增益维持在107或更高，这一出色的增益线性度可消除以前的单芯片运算放大器中常见但无法校正的系统非线性度。与以前的设计相比，OP77 具有较小的VOS（输入失调电压）、Ib（输入偏置电流）和Ios（输入失调电流），稳定时间和功耗方面都有显著改善。这些出色特性的完美组合使得OP77 成为精密误差预算系统的理想之选。OP77 放大正弦波交流信号时必须采用双电源供电，否则交流负半周将被削波，从而导致波形畸变。因此将该运放的同相输入端偏置于2.5 V 电压处，这样即可放大所采集的交流电压信号。OP77 运放的GBW、SR 等指标虽然比不上更高精度运放和专用VGA 芯片，但是适合处理频率很低的交流信号[8]。相比于电阻串联分压方式，采用电压跟随器的设计使输出的2.5 V 更为稳定，波动较小，2.5 V 偏置电压产生电路如图2所示。

图2 5 V 分压电路Fig.2 5 V voltage divider circuit

跨阻运算放大器是将电流信号转换成为电压信号，电流到电压增益基于反馈电阻，TIA 的设计目标如表1所示。

表1 TIA 设计目标Tab.1 TIA design goal

非分光红外甲烷传感器的输出是纳安至微安级别的电流信号，此处采用±5 μA 的电流信号进行仿真，因此跨阻增益通常选用100 kΩ，将信号放大至毫伏级别，由于负电压需要单独产生，因此为了电路设计简便，运放采用的是+12 V 单电源供电，输出没有负电压，采用单电源供电只能采集正半轴，需要在运放的正极加入偏置电压，确保放大信号的完整性，TIA 的输入与输出关系如式（1）所示：

式中：Iin为输入端的交变电流信号；R4为增益电阻，表征放大倍数；Vout1为经跨阻放大器放大后的电压信号。

根据式（1），传感器微弱的电流信号转换成电压信号并进行R4倍的放大。运放正极接入2.5 V 电压，信号以2.5 V 为虚地，具体电路如图3所示。

图3 跨阻放大电路Fig.3 Transimpedance amplifier circuit

带宽与电阻电容之间的关系如式（2）所示：

式中：C1为反馈电容；fp为电路带宽。

电路带宽需要大于有效频率10 Hz，代入式（2）得到C1≤159 nF，结合实际需求和仿真情况此处取10 nF 比较合适。

隔直电容取值的经验公式如式（3）所示：

式中：C3为隔直电容大小；f 为通过的最低频率。

隔直电容的选择以减小信号损耗为原则，理论上容值越大越好（与容抗成反比），实际应用中因电容的加工工艺以及材质的影响，大电容体积太大，带宽较难兼顾。所以通常以小于所使用电路中的输入输出阻抗10 倍以上选用相应容值，在满足设计要求的情况下尽可能使用小电容，此处取1 μF电容。

可变增益电路的设计采用改进的反向放大电路，首先通过固定电阻R6和R7确保固定倍数的增益，再通过数字电位器R5来控制最终的增益大小，使输出电压控制在最佳范围内，可变增益部分的OP77运放也在正极添加了2.5 V 电压偏置，具体电路如图4所示。

图4 可调增益电路Fig.4 Adjustable gain circuit

因为前项电路已经偏置2.5 V，因此前级信号再进行放大时需要经过电容进行隔直，防止后续信号过大，隔直后确保再次经过放大的最终信号保持在单片机采集电压的范围内，增益如式（4）所示：

式中：R5，R6，R7为控制电路增益的电阻；Vout1为跨阻放大器的输出；Vout为可变增益放大器的输出。

可变增益部分的一阶惯性环节传递函数如式（5）所示：

式中：T0为转折频率的倒数。

系统检测流程如图5所示。

图5 气体检测流程图Fig.5 Gas detection flow chart

中间电路主要是信号的放大和滤波，设计完成后需要根据检测到的数据不断反馈调整电路的元器件和参数，在设计选取元器件满足计算公式的同时仿真结果也要满足电路设计目标。

3 测试与仿真

调理电路的幅频特性曲线如图6所示，信号在有效频率信号10 Hz 前后形成衰减，实现带通，符合设计要求，其对高频信号的抑制较为明显，高频信号衰减幅度极大，电路的信噪比较高。

图6 电路幅频特性曲线Fig.6 Amplitude-frequency characteristic curve of circuit

调理电路的相频特性曲线如图7所示，所有频

图7 电路相频特性曲线Fig.7 Phase frequency characteristic curve of circuit

率信号均未穿过-180°，电路系统处于稳定状态。

电路最终输出如图8所示，可变增益部分数字电位器R5，和电阻R6，R7分别取值10 kΩ，10 kΩ，20 kΩ，通过瞬态分析可以看到经TIA 电路固定增益105倍以后±5 μA 交流电流信号转换成±0.5 V 交流电压信号，由于2.5 V 直流偏置的存在，TIA 输出电压信号最终处于2 V～3 V 之间，经隔直电容隔直后信号回到±0.5 V；通过数字电位器控制可调增益电路，将信号进行了保持，没有增大或者缩小，由于2.5 V 直流偏置的存在，信号最终还是处于2 V～3 V之间，电路瞬态分析信号符合电路放大倍数，并且合理保持在单片机的电压采集范围内。

图8 电路输出瞬态分析图Fig.8 Circuit output transient analysis diagram

4 结语

本设计介绍了一种非分光红外甲烷传感器检测信号的调理方法，该方法以通用运放OP77 搭建跨阻放大器和可变增益放大器，不仅可以将传感器微弱的电流信号转换成单片机可以采集的电压信号，满足设计要求，而且相较于放大整流滤波的设计形式和使用其他高性能运放或者可变增益芯片设计的形式，此设计更容易分析处理传感器的低频微弱信号，在简化电路设计的同时很好地降低了设计成本。通过MULTISIM 软件进行模拟仿真，验证了设计的有效性和可行性，对设计此类信号处理电路有很好的借鉴意义和重要作用。