一种电子倍增器的信号检测电路的制作方法

1.本发明涉及质谱仪的信号检测技术领域，特别涉及一种电子倍增器的信号检测电路。


背景技术：

2.质谱仪通常由离子源系统、离子光学系统、射频电源系统及信号检测系统等几个主要部分组成。质谱仪的信号检测系统一般采用电子倍增器作为检测器。信号检测系统工作时，在电子倍增器两端施加直流电压v
cem
，建立均匀轴向电场，离子等带电粒子进入电子倍增器低电位端后，与管内表面发生碰撞并激发出二次电子，经直流电压v
cem
产生的轴向电场加速产生足够多的二次电子，经反复碰撞后在电子倍增器高电位端产生增益达108的电子束，该电子束为脉冲形式信号，该信号经过耦合电路将信号耦合至信号检测电路，信号检测电路将信号进行放大、比较等操作后传输至信号计数单元，最终计算出样品的质谱信号强度。
3.目前，电子倍增器输出的电流信号一般采用电容耦合的形式，利用该耦合电容的隔直流效应，将脉冲形式的电流信号耦合至信号检测电路计数。但采用电容耦合的形式，当耦合电容容量太小时，低频信号通过耦合电容时会对信号有严重的衰减，在待测样品浓度较低时，其可计的离子脉冲数量较少，频率较低，电容耦合的情况下有信号衰减。
4.通常，信号处理电路会设置阈值电压，用于扣除电路自身的噪声及电子倍增器暗电流所产生的噪声。电路会将衰减后的信号认为是噪声给扣除掉，直接造成仪器无法检测到样品，影响仪器的检出下限，即灵敏度；而当耦合电容容量过大时，电路会出现延迟，影响检测电路的响应时间，无法实时显示信号，同时容量过大时也会产生更大的漏电流，后级信号检测电路的噪声亦会增大。该阈值电压的设置一般采用电阻分压的方式，电阻分压方式所产生的阈值电压的精度受分压电阻的精度及基准电源所影响，其阈值电压一般比较粗糙，影响质谱信号检测的准确性。


技术实现要素：

5.为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的目的是提供一种电子倍增器的信号检测电路，包括：电感耦合电路、信号转换电路、信号放大电路、底噪扣除电路和数模转换芯片，电子倍增器的信号输出端与所述电感耦合电路连接，所述电感耦合电路与所述信号转换电路连接，所述信号转换电路与所述信号放大电路连接，所述信号放大电路与所述底噪扣除电路连接，所述底噪扣除电路与所述数模转换芯片连接。
6.进一步地，所述电感耦合电路包括耦合电感和第一电阻，所述电子倍增器的信号输出端、所述第一电阻、所述信号转换电路与所述耦合电感连接。
7.进一步地，所述耦合电感采用第一变压器，所述电子倍增器的信号输出端与所述第一变压器的初级线圈连接，所述第一电阻接在所述第一变压器的初级线圈的两接线端之间，所述信号转换电路与所述第一变压器的次级线圈连接。
8.进一步地，所述信号转换电路包括第二电阻和第三电阻，所述第二电阻与所述第一变压器的次级线圈的第一接线端连接，所述第三电阻与所述第一变压器的次级线圈的第二接线端连接。
9.进一步地，所述信号放大电路包括两路，每一路信号放大电路均为两级信号放大电路。
10.进一步地，所述两级信号放大电路包括第一运算放大器和第二运算放大器，其中一个信号放大电路中的所述第一运算放大器的同相输入端与所述第二电阻、所述第一变压器的次级线圈的第一接线端连接，另一个信号放大电路中的所述第一运算放大器的同相输入端与所述第三电阻、所述第一变压器的次级线圈的第二接线端连接，所述第一运算放大器的反相输入端接电阻，所述第一运算放大器的输出端经电阻与所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述第一运算放大器的输出端与所述第二运算放大器的同相输入端连接，所述第二运算放大器的反相输入端接电阻，所述第二运算放大器的输出端经电阻与所述第二运算放大器的反相输入端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述底噪扣除电路连接。
11.进一步地，所述底噪扣除电路包括直流偏置隔离子电路、电感耦合电路子电路、信号转换子电路、比较子电路，所述直流偏置隔离子电路与所述第二运算放大器的输出端连接，所述电感耦合电路子电路与所述直流偏置隔离子电路连接，所述直流偏置隔离子电路与所述比较子电路连接，所述比较子电路与所述数模转换芯片连接。
12.进一步地，所述直流偏置隔离子电路包括第一电容、第二电容，所述第一电容与其中一个信号放大电路中的所述第二运算放大器的输出端连接，所述第二电容与另一个信号放大电路中的所述第二运算放大器的输出端连接。
13.进一步地，所述电感耦合电路子电路包括第二变压器，所述信号转换子电路包括第四电阻，所述第二变压器的初级线圈的第一接线端与所述第一电容连接，所述第二变压器的初级线圈的第二接线端与所述第二电容连接，所述第四电阻接在所述第二变压器的次级线圈的两接线端之间。
14.进一步地，所述比较子电路包括比较器，所述比较器的负输入端与所述第二变压器的初级线圈的第一接线端连接，所述比较器的正输入端与所述数模转换芯片连接，所述比较器的输出端、所述数模转换芯片与数字集成电路芯片连接。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.本发明提供一种电子倍增器的信号检测电路，采用电感耦合的方式进行信号耦合，可有效避免信号衰减，提高质谱仪器的灵敏度；采用电感耦合的方式进行信号耦合，保证耦合电感一直工作在谐振频率以下，避免电容耦合造成的电路响应下降，保证电路响应速度，样品检测的真实性；采用数模转换芯片产生底噪阈值电压，保证阈值电压的准确性和质谱信号检测的准确性；采用两级信号放大的形式，可有效增加信号检测的带宽，提高信号的检测能力，保证样品检测时不会有信号丢失。
17.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
19.图1为电容耦合原理示意图；
20.图2为一种电子倍增器的信号检测电路原理框图；
21.图3为一种电子倍增器的信号检测电路图。
具体实施方式
22.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
23.电容耦合原理如图1所示，电子倍增器的输出信号s
in
为电子束信号(脉冲信号)与直流高压偏置的耦和，其上的直流高压偏置如果直接耦合到后级信号检测电路，必然会烧毁后级信号检测电路的器件。故该信号s
in
利用耦合电容c1的隔直流通交流功能将直流高压偏置阻隔，将电子束信号(脉冲信号)耦合到后级信号检测电路，这样该无直流高压偏置的脉冲信号经过电阻r1转换为电压信号s
out
用于信号检测电路。
24.但采用电容耦合的形式，当耦合电容容量太小时，低频信号通过耦合电容时会对信号有严重的衰减，在待测样品浓度较低时，其可计的离子脉冲数量较少，频率较低，电容耦合的情况下有信号衰减，而一般信号处理电路又有阈值电压设置(扣除噪声)，电路会将衰减后的信号认为是噪声给扣除掉，直接造成仪器无法检测到样品，影响仪器的检出下限，即灵敏度；而当耦合电容容量过大时，电路会出现延迟，影响检测电路的响应时间，无法实时显示信号，同时容量过大时也会产生更大的漏电流，后级信号检测电路的噪声亦会增大。
25.为了克服以上技术方案的不足，本发明采用电感耦合及数模转换芯片产生阈值电压的方式。电感耦合同样具备隔离前级直流高压偏置的作用，理想电感中，阻抗随着频率的增加而呈线性增加，但实际电感中，其存在等效并联电容，该等效并联电容与电感组成并联谐振电路，其存在谐振频率，在小于谐振频率时电感表现出感抗，超过谐振频率表现为容抗。一般质谱电子倍增器信号频率最大为几十兆赫兹左右，可计算出相应的电感值，以保证谐振频率大于电子倍增器输出信号频率，使耦合电感一直表现出感特性。在感性特性时，电路不会出现类似电容耦合对信号出现衰减或响应慢的情况。
26.一种电子倍增器的信号检测电路，如图2所示，包括：电感耦合电路、信号转换电路、信号放大电路、底噪扣除电路和数模转换芯片，电子倍增器的信号输出端与电感耦合电路连接，电感耦合电路与信号转换电路连接，信号转换电路与信号放大电路连接，信号放大电路与底噪扣除电路连接，底噪扣除电路与数模转换芯片连接，底噪扣除电路、数模转换芯片与数字集成电路芯片如fpga连接。电子倍增器输出的信号通过电感耦合电路将直流高压偏置隔离，将所需检测的脉冲信号耦合到信号转换电路，信号转换电路将电流信号转换为电压信号，该电压信号经过信号放大电路将信号放大至可进行处理的幅值；信号放大电路所产生的信号与数模转换芯片所产生的底噪阈值电压进行比较，将信号中的底噪扣除，比较器输出高低电平信号至fpga信号计数单元，最终根据计数形成质谱信号。本发明采用电感耦合的方式进行信号耦合，可有效避免信号衰减，提高质谱仪器的灵敏度，保证耦合电感
一直工作在谐振频率以下，避免电容耦合造成的电路响应下降，保证电路响应速度，样品检测的真实性。本发明采用数模转换芯片产生底噪阈值电压，保证阈值电压准确性和质谱信号检测的准确性。
27.如图3所示，电感耦合电路包括耦合电感和第一电阻r12，电子倍增器的信号输出端、第一电阻r12、信号转换电路与耦合电感连接。
28.在一实施例中，耦合电感采用第一变压器t1，电子倍增器的信号输出端与第一变压器t1的初级线圈连接，第一电阻r12接在第一变压器t1的初级线圈的两接线端之间，信号转换电路与第一变压器t1的次级线圈连接。
29.信号转换电路包括第二电阻r1和第三电阻r6，第二电阻r1与第一变压器t1的次级线圈的第一接线端连接，第三电阻r6与第一变压器t1的次级线圈的第二接线端连接。
30.信号放大电路包括两路，每一路信号放大电路均为两级信号放大电路。采用两级信号放大的形式，可有效增加信号检测的带宽，提高信号的检测能力，保证样品检测时不会有信号丢失。
31.其中一路的两级信号放大电路包括第一运算放大器u1和第二运算放大器u2，第一运算放大器u1的同相输入端与第二电阻r1、第一变压器t1的次级线圈的第一接线端连接，第一运算放大器u1的反相输入端接电阻r2，第一运算放大器u1的输出端经电阻r3与第一运算放大器u1的反相输入端连接，第一运算放大器u1的输出端与第二运算放大器u2的同相输入端连接，第二运算放大器u2的反相输入端接电阻r4，第二运算放大器u2的输出端经电阻r5与第二运算放大器u2的反相输入端连接，第二运算放大器u2的输出端与底噪扣除电路连接。
32.其中另一路的两级信号放大电路包括第一运算放大器u3和第二运算放大器u4，第一运算放大器u3的同相输入端与第三电阻r6、第一变压器t1的次级线圈的第二接线端连接，第一运算放大器u3的反相输入端接电阻r7，第一运算放大器u3的输出端经电阻r8与第一运算放大器u3的反相输入端连接，第一运算放大器u3的输出端与第二运算放大器u4的同相输入端连接，第二运算放大器u4的反相输入端接电阻r9，第二运算放大器u4的输出端经电阻r10与第二运算放大器u4的反相输入端连接，第二运算放大器u4的输出端与底噪扣除电路连接。
33.底噪扣除电路包括直流偏置隔离子电路、电感耦合电路子电路、信号转换子电路、比较子电路，直流偏置隔离子电路与第二运算放大器的输出端连接，电感耦合电路子电路与直流偏置隔离子电路连接，直流偏置隔离子电路与比较子电路连接，比较子电路与数模转换芯片连接。其中，
34.直流偏置隔离子电路包括第一电容c1、第二电容c2，第一电容c1与其中一个信号放大电路中的第二运算放大器u2的输出端连接，第二电容c2与另一个信号放大电路中的第二运算放大器u4的输出端连接。
35.电感耦合电路子电路包括第二变压器t2，信号转换子电路包括第四电阻r11，第二变压器t2的初级线圈的第一接线端与第一电容c1连接，第二变压器t2的初级线圈的第二接线端与第二电容c2连接，第四电阻r11接在第二变压器t2的次级线圈的两接线端之间。
36.比较子电路包括比较器u5，比较器u5的负输入端与第二变压器t2的初级线圈的第一接线端连接，比较器u5的正输入端与数模转换芯片u6连接，比较器u5的输出端、数模转换
芯片u6与数字集成电路芯片如fpga连接。
37.电子倍增器的信号检测电路工作原理为：
38.电子倍增器的输出信号经过电阻r12与变压器t1的初级线圈形成信号回路，将直流高压偏置隔离，经过变压器t1耦合至变压器t1的次级线圈，变压器t1次级线圈分别通过电阻r1、r6转换成相位相反的电压信号，两路电压信号分别通过两级信号放大电路将信号进行放大，采用两级信号放大可增加放大电路带宽，以保证高频信号不失真；信号放大电路放大后的信号通过c1和c2分别将运放输出的直流偏置隔离，将脉冲信号耦合至变压器t2的初级线圈，信号经过变压器t2后经过电阻r11转换为电压信号，将该信号与底噪阈值电压进行比较，将电路本身所产生的噪声与电子倍增器暗电流所产生的噪声信号在比较器u5处进行比较扣除，比较器输出高低电平信号至fpga信号计数单元，最终fpga根据计数计算出质谱信号。同时，阈值电压由fpga控制数模转换芯片ad5321产生，该数模转换芯片ad5321的精度为12位，可保证阈值电压的准确性。
39.鉴于电子倍增器所检测信号频率一般在几十兆赫兹左右，信号放大电路采用高速运放ths3202，其带宽可达2ghz；比较器采用adcmp553，其所能检测的最小脉宽为700ps。
40.以上所述仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例。