第25卷 第1期 2010年3月 西 南 科 技 大 学 学 报 Journa l o f South w est U n i versity o f Sc i ence and T echnology V o.l 25N o .1 M a r .2010
收稿日期:2009-09-20
基金项目:四川省安监局基金资助项目(2007-21),四川省教育厅基金资助项目(07z d1102)。 作者简介:赵亮(1984-),女,在读研究生,主要研究方向:气体检测、硬件电路设计与调试。E -m a i :l 79536348@qq .co m
微弱信号调理电路的设计及研究
赵 亮 刘先勇 袁长迎 李驹光 蒙 瑰
(西南科技大学光声检测研究室 四川绵阳 621010)
摘要:精确的信号调理技术是测控领域发展的重要方向。基于开关电容滤波器和程控放大器设计了一种新的信号调理电路,采用ATm ega 128单片机自适应地调整开关电容的滤波参数和程控放大器的放大倍数。微音器微弱信号检测的实验结果表明,该电路能达到动态范围几微伏到几十毫伏、灵敏度1 V 、响应时间优于1m s 的技术指标,具有性能稳定,可靠性高、灵活性强、可编程等特点。
关键词:微弱信号 自动跟踪滤波器 可编程增益 动态范围
中图分类号:TN402 文献标识码:A 文章编号:1671-8755(2010)01-0064-04
Design and Study ofW eak Signal Conditi oni ng C ircuit
Z HAO L i ang ,LI U X i an yong ,YUAN Chang y i n g ,LI Ju guang ,MENG G u i
(R esearch Laborator y of Photoacoustic Detection ,Southw est Un iversit y of Science and Technology,
M ianyang 621010,S ichuan,Ch i n a)
Abstract :Precise Signal Cond ition i n g techno l o gy i s an i m portant d irection that the fie l d ofm on itor i n g de ve l o ps .Based on Sw itch Capacitor F ilters and Dyna m ic Range I nstr um entation Am plifier ,t h is article pr o posed a ne w S i g na lCond ition i n g circui,t adopting the 128ATm egaM icr ocontr o ller auto m atica ll y ad j u st fil ter i n g para m eters of Sw itch C apac itor F ilters and m agn ify i n g mu lti p le o f Dyna m ic Range I nstr um entation Am plifi e r .The experi m ents ofW eak S ignal Detection on M icrophone sho w that the c ircu its ach ieves the fo llo w i n g technical standard :(1)Dyna m ic Ranges fro m several V to tens o fmV ;(2)Sensitiv ity :1;
(3)Rresponse ti m e :excel 1m s .
K ey w ords :W eak S igna;l Au to track i n g F ilter ;Progra mm able G ai n ;Dyna m ic Range
精确的信号调理是微弱信号检测[1](W eak S i g na l Detection)中的关键技术,使得微弱量(如弱光、小位移、微振动、弱声及微电流等)的检测成为可能,大大提高了微弱信号检测的精度。信号调理就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号,该技术在工业、仪器仪表和便携式消费类电子设备中具有广泛的应用前景。
本文基于开关电容和程控放大器设计了一种新的信号调理电路,采用ATm ega 128单片机自适应地调整该电路的滤波参数和放大倍数,最后给出微音器(几微伏~几十毫伏)信号处理的实验结果。
1 系统框图
传感器信号调理的基本流程是:传感器的物理量信号转化为电信号后,依次经过各级滤波、放大模块,最后送入A /D 转换器,转换为数字信号进行处理。图1给出了本信号调理电路的结构框图,包括3个部分:预
处理部分;可编程控制部分;
单片机主控部分。
2 硬件电路设计和噪声分析
2.1 预处理部分设计和噪声分析
该部分由前置放大、初级滤波和二级放大电路组成
(如图2所示),完成弱信号的初级滤波和放大。
微音器输出电压信号范围在几微伏~几十毫伏,所以
须选择合适的前置放大器型号,以减少放大器自身引入的
噪声。前置放大电路主要的3个噪声源是:运放的电压噪
声、电流噪声和电阻的热噪声(Johnson no ise)。一般运放的噪声分布特点是:在中频呈现白噪声,低频是1/
f 噪声(频谱密度与频率的平方根成反比),1/f 噪声是直流耦合
测量的主要噪声源[2]。具有自稳零(auto-zer o )特点的运放可以
大大减弱1/f 噪声,同时具有极小的输入失调电压(几个微伏),
最适用于低频或直流微弱信号的测量。这种运放的型号很多,本
系统采用MAX I M 公司的I CL7650前置放大在放大有用信号的同
时,噪声也随之放大,要消除这部分噪声,就需要设置滤波器环节,选择合适的滤波器和参数。传感器信号滤波最常用的是RC 有源模拟滤波器(如图3所示),其结构简单、成本低,可初步滤除背景噪声。
前置放大电路由于运放带宽的限制放大倍数一般较小,同时由于其带负载能力较低,所以需要二级放大。二级放大部分需要选择低噪声、高带宽的运放,本系统采用AD 公司AD620。
2.2 可编程控制部分
该部分由开关电容滤波和程控放大器组成,是信号调理电路的关键。
2.2.1 开关电容滤波
开关电容是一自动跟踪滤波器,被跟踪频率信号在通过滤波器时其增益和相位保持恒定,同时其它频率成分受到衰减,进而提高信噪比。
本设计采用MAX260搭建自动跟踪滤波器。每片MAX260包括两个二阶开关电容有源滤波器,每个二阶滤波器组件有4种工作方式及各自的时钟输入和独立的f 0和Q 控制。每个二阶组的中心频率是由其输入的时钟频率和6位编程代码决定的,Q 值由7位代码控制。本设计将两个二阶带通滤波组级接(如图6),构成
四阶有源滤波器[3],其框图如图4
所示。
需要滤波的输入信号分两路,一路进入滤波器MAX260;另一路经触发器CD4093整形之后变为方波信号,再进入CD4046锁相环电路,通过锁相倍频产生MAX260自动跟踪滤波所需的N 倍频时钟信号,本设计中N =100。
时钟信号产生电路如图5所示,方波进入锁相环CD4046后从其3脚输出,接着输入两级CD4518级联65 第1期 赵 亮,等:微弱信号调理电路的设计及研究
