基于PMT模塊的供電電路及信號調理電路的設計與實現

張曼曼 楊寧 王旭柱

摘 要：本文介紹的是基于光電倍增管（PMT）模塊的供電電路及信號調理電路的設計，用于浮游植物粒徑檢測系統中微弱熒光信號的檢測。設計的供電電路將開關電源輸出的12V電壓轉換為低噪聲、低紋波、穩定性好的±5V的電壓供光電倍增管模塊及其信號調理電路使用，實現了一個電源多種應用的目的，并為PMT模塊的輸出信號設計了信號調理電路，減小了光電檢測電路的噪聲，提高了檢測精度。

關鍵詞：電源電路；低噪聲；光電檢測；信號調理

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

在微弱光信號的檢測中，利用光電倍增管（PMT）檢測微弱信號仍然是一種主要方式。為此本文設計了一種基于光電倍增管（PMT）模塊H10723-20的供電電路和信號調理電路，用于浮游植物粒徑檢測系統中微弱熒光信號的檢測。由于需要檢測的熒光信號比較微弱，背景噪聲將對檢測結果的精度和穩定性產生很大的影響，因此所設計的電路應必須具有較小的噪聲和紋波。

1 系統設計方案

PMT模塊H10723-20使用±5V的直流電壓作為輸入，為減小電源噪聲，本文選擇由輸出為12V的開關電源通過DC-DC電壓轉換器轉換而來的±5V電壓作為PMT模塊的輸入電壓。為方便后續電路對由H10723-20轉化而來的電信號的傳輸和處理，本文設計了信號調理電路來調理、放大PMT模塊的輸出電壓。由于檢測到的光信號強度不同，為更加靈活的檢測到光信號并防止強光對光電倍增管模塊的損壞，本文為PMT模塊設計了靈敏度調節電路，應對不同光強的光信號的檢測。

電路主要由以下幾部分組成：開關電源、DC-DC電壓轉換芯片、芯片外圍電路、PMT模塊、PMT靈敏度調節電路、信號調理電路，其總體結構框圖如圖1所示。圖1中開關電源用來提供12V的電源電壓；DC-DC電壓轉換芯片將開關電源提供的12V電壓轉換為±5V的電壓供H10723-20使用，芯片外圍電路用來降低±5V電壓的噪聲和紋波，提高輸出電壓的穩定性；靈敏度調節電路用來控制PMT模塊的靈敏度；信號調理電路用來調理、放大PMT模塊輸出的電信號。

2 電源電路設計

2.1 DC-DC電壓轉換芯片的選擇

經過各種DC-DC電壓轉換芯片的比較分析，本文最終選擇MURATA公司的NMA1205DC芯片作為DC-DC電壓轉換器。該芯片標準輸入電壓為12V；輸出為雙路輸出±5V，輸出電流為±100mA。

該芯片內具有短路保護和熱保護電路，且輸入和輸出相隔離，消除了直流路徑，減小了開關噪聲，使芯片具有較高的可靠性。芯片通過內部濾波電路平滑、濾波得到穩定的±5V大小的輸出電壓，使輸出電壓的紋波和噪聲小于20mV。

2.2 芯片外圍電路介紹

為更進一步減小輸出電壓的噪聲，本文采用圖2所示的芯片外圍電路對芯片輸入、輸出電壓進行調理，有效降低輸出電壓紋波和噪聲。

圖2中DC-DC電壓轉換芯片NMA1205DC的輸入端加入電容的主要目的是為了降低來自上一級的紋波和噪聲，較大的電容會使系統工作更加穩定，但考慮到PCB面積的損耗、其他器件的正常工作情況以及對應用系統中其余電路的干擾，本文的輸入電容選用阻抗小的鋁聚合物電解電容。考慮到輸出電壓噪聲、轉換器頻率、輸出電壓紋波等因素，芯片輸出端采用LC濾波電路平滑輸出電壓，減小輸出電壓紋波和噪聲。由于大的電感可以降低輸出電流和輸出電壓紋波且增大芯片的帶負載能力，但卻會耗費過多的PCB面積，綜合考慮電路噪聲、電壓紋波、電感的尺寸、PCB面積等因素，本文選擇22μH電感，電容C25、C26選擇鋁聚合物電解電容，C20、C22選擇陶瓷電容，

3 PMT靈敏度調節電路

本文通過高精度旋轉式電位器的滑動實現對PMT靈敏度的調節，具體原理為通過滑動電位器改變電阻值進而改變PMT模塊H10723-20引腳Vcont IN和Vref OUT之間的電壓值，不同的電壓值決定了不同的靈敏度，從而實現了PMT的靈敏度的調節。為防止電位器在調節時滑至兩端，出現短路的情況，在電位器兩邊分別加入電阻，以保護H10723-20模塊，避免因短路導致PMT損壞。電路原理如圖3所示。

4 信號調理電路設計

為滿足后續電路對電壓信號的要求，本文利用集成運算放大器AD823AN設計了放大電路來放大PMT模塊的輸出電壓，電路原理圖如圖4所示。

放大電路輸入級為放大級，主要用來放大PMT模塊輸出的電壓信號，并利用電容和電阻構成有源低通濾波器，濾除高頻噪聲，提高電路性能。輸出級為電壓跟隨器，輸出電壓近似輸入電壓幅值，并對前級電路呈高阻狀態，對后級電路呈低阻狀態，使前、后級電路之間的相互影響很小，因而對前后級電路起到緩沖、隔離作用，并且具有很好的帶負載能力。

5 結果分析

將本文設計的電路用在浮游植物粒徑檢測系統中，用來檢測由波長445nm的激光激發產生的熒光光信號，系統設定波形經過10點移動平滑。所得熒光信號的波形如圖5所示，整體波形具有較小的紋波和噪聲，具有較高的信噪比，波形兩邊有較小的浮動是由于浮游植物粒徑檢測系統中波長為532nm的激光激發產生的少量熒光信號造成的，與本文所設計的電路無關，且不影響粒徑的正確計算，本文的設計完全可以滿足浮游植物粒徑檢測實驗的要求，具有良好的效果。

結語

本文設計的電路應用在浮游植物粒徑檢測系統中，為該系統中的光電檢測模塊提供電源，并且對光電檢測模塊輸出的信號進行調理和放大，有效地減小了電路噪聲和紋波，得到了較好的熒光信號波形，有效的保證了檢測結果的精度和整個檢測系統的穩定性。

參考文獻

[1]王霞，王吉暉，高岳，金偉其.光電檢測技術與系統（第三版）[M].北京：電子工業出版社，2015.

[2]侯惠淇，韓志剛，Jordi Cosp-Vilella.線性輔助的DC-DC電壓轉換器的設計[J].電子技術應用，2015，41（07）：47-49.

[3]劉潔.高效率電壓模同步降壓型DC-DC轉換器的研究與設計[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[4]脫立芳.降壓型PMW DC-DC開關電源技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2008.

[5]劉大燕.一種適用于低頻小信號檢測的放大電路設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2013.

[6]葛玉榮.海水中浮游植物粒徑分布及濃度原位監測系統研究[D].山東省青島市：中國海洋大學信息科學與工程學院，2011.