微弱信号检测的前置放大电路设计
微弱信号检测前置处理模块电路设计
微弱信号检测前置处理模块电路设计孙韩【摘要】从Y光纤斐索型激光干涉微振动检测仪的微弱信号检测实际需求出发,基于高速DSP数据采集与处理系统,采用集成运放芯片AD620,设计了一种能实现前置放大、带通滤波、电平抬升、增益可调等功能的前置处理模块电路。
经实验测试,该电路设计具有抑制噪声、抗干扰能力强,信号放大、带通滤波效能高等的优点,能有效进行微弱信号前置放大、去噪等处理,为后续A/D转换和高速DSP数据采集奠定基础。
%According to the actual demand of weak signal detection of Y type optical fiber Laser in-terference micro vibration detector,based on high-speed DSP data acquisition and processing system, using the integrated operational amplifier AD620 chip,a kind of pre-processing module circuit which can realize function of pre-amplifier, band-pass filter, level up and gain adjustable is designed. Through experimental test,the circuit designed in this paper has a strong suppress noise and anti-in-terference ability,the advantages of signal amplification and band-pass filtering efficiency higher. It can also effectively amplify a weak signal and suppress the noise,and lay a foundation for subsequent A/D conversion and high-speed DSP data acquisition.【期刊名称】《江西科学》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P598-601)【关键词】微小振动测量;微弱信号检测;前置处理模块;电路设计【作者】孙韩【作者单位】安徽大学电子信息工程学院，230601，合肥【正文语种】中文【中图分类】TN248微振动测量广泛应用于石油勘探，各种发电机组、机床及桥梁的振动监测，高层建筑晃动测试，船舶及飞机等的发动机振动分析中。
微弱信号检测的前置放大电路设计研究
微弱信号检测的前置放大电路设计研究摘要：当前在现代农业生产发展中，检测微弱信号越来越受到高度重视，尤其是在精准农业产业发展过程中。
本文以电压电流转换设施为载体，对微弱信号检测前置放大电路设计的相关技术要求进行了阐述，并且通过具有远程集成控制的电路器件的选用和抗噪影响的技术改进，对在电路设计中应当注意的一些技术要点进行了分析，而且经过微弱信号检测，结果比较安全科学。
关键词：微弱信号；检测前置；放大电路；设计分析一.前言近年来，随着现代农业的不断发展，通过在安全、高效的时限内采集收取农田生态条件和农作物生产资料，并且实现肥料、水分、农药等精准作业，有效地防范和杜绝生态破坏、环境污染问题，实现农业生产经营经济、社会、生态效益最大化的精准农业，得到了前所未有的健康发展。
生物传感设施在上述信息资料的采集取得中具有很大的作用，比如，在精准农业种植物施水灌溉过程中需要充分考虑空气指数和土壤中水分的含量，利用传感设施对这些信号的变化情况进行检测，及能够实现精准农业灌溉的良好效果。
所以近年来很多生物传感设施在精准农业中的生态条件、农作物生长环节等信息采集检测上得到了很好的应用。
不过由于一些农作物自身具有的生理属性，存在着一定程度的微弱信号，很多电流和电压信息都无法满足级次需求，因此，便设计了前置放大电路，通过这种选系统结构来检测微弱信号的相关信息。
笔者试就微弱信号检测的前置放大电路设计中应当把握的技术要点，谈些粗浅的认识。
二.微弱信号检测前置放大电路设计中应当把握的技术要点2．1 前置放大电路系统结构一般来说，微弱信号是生物传感设施形成的信号，通常频率不是很高，在对具有一定差异性的农作物自身属性进行检测的时候，能够获取一定的电流和电压数值。
而要获取这样的电流信号资料，需要先将其转换生成电压信号，并且利用电路系统的放大功效，在滤波设施的作用下，降低频率较高的噪音影响（如图1）。
（图1 微弱信号检测前置放大电路系统结构示意图）由于传感设施形成的信号是微弱的，很可能遭受噪音的干扰，因而在放大仪器的选用上通常倾向于仪表设施。
微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计
产能经济微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计秦正波 任羊弟 王 辉 安徽师范大学物理与电子信息学院摘要：本文简要报道了微型超低噪音宽带快电荷灵敏前置放大器。
该放大器主要采用高增益宽带低噪音电压反馈型集成运放芯片OPA847，其低电压输入噪音低至0.85nV/Hz1/2, 带宽高至3.9GHz。
整个成本低至数百元，是同类型产品的1/10或更少，该前置放大器具有电路结构简单、紧凑，超高速，极低噪音，超高稳定性等优点。
经实验测试，该放大器能有效进行微弱信号的放大和噪音的抑制，可广泛应用于普通物理实验的光电探测的前置放大，科研上也具有较可观的应用前景。
关键词：微弱信号检测；前置放大器；超低噪音中图分类号：TN722 文献识别码：A 文章编号：1001-828X(2017)007-0339-02The design of an ultra-low-noise wideband amplifier for the weak signal measurementQIN Zheng-bo，REN Yang-di，WANG Hui(Department of Physics, Anhui Normal University, Wuhu 241000, Anhui, China)Abstract: A miniature, ultra-low-noise, and high-sensitivity preamplifier has been introduced in brief in this paper. The design is adopted which mainly combines a high-gain bandwidth, low-noise, voltage-feedback operational amplifier OPA847. The input voltage noise density reaches to as low as 0.85nV/Hz1/2 and bandwidth gets up to 3.9 GHz. The device costs only several hundred yuan, which is less than one tenth of cost for similar products. The preamplifier has the advantage of simple, compact, super-high speed, ultra-low noise and super-high stability et al. The amplifier has the function of the gain of weak signal and suppression of noise after testing. It is applied to the amplification of photoelectric detection and has the application foreground for scientific research.Key words: weak signal detection; pre-amplifier; ultra-low-noise引言在大学物理实验中的光电测量，光信息传输实验中的微弱信号检测或者飞行时间质谱实验中的质谱检测，无论光谱测量中使用的光电倍增管[1]，还是质谱实验中使用的微通道板[2-3]，最终输出的都是脉冲电子流，尤其是电子流具有瞬态性和高速性(10-9秒)，而普通的低带宽的放大器无法有效的进行高速电子脉冲信号的放大，并且会造成时间积分上的拉宽，造成信号损失乃至丢失，最终可能不为采集装置所采集，因此从检测器上所获得的微弱信号，需要经过前置放大器进行预放大才可以被瞬态采集卡或者示波器进行信号采集及数据处理。
微弱光信号前置放大电路设计50381
减小字体增大字体作者：李远明陈文涛来源：电子元器件应用发布时间：2007-10-9 10引言光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术［1］。
它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示［2］。
光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。
它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的［3］。
然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。
微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。
1 光电检测电路的基本构成光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
其光电检测模块的组成框图如图1所示。
2 光电二极管的工作模式与等效模型2．1 光电二极管的工作模式光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。
图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。
事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。
而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］。
微弱信号检测5
输入/输出电路
2. 滤波器设计 2.1 滤波器概述 滤波器是对特定频率的信号具有选择性的网络， 允许指定频段的信号通过，并将其余频段的信号加以 抑制或使其急剧衰减。 有源运放的引入可以起到能量转换的作用，使无源 器件损失的能量得以补充，所以可以采用损耗较大的 电阻；用一些小型电阻和电容取代了元源RLC滤波 器中的电感，免除了电感所固有的非线性特性、磁场 屏蔽、损耗及体积和重量过大等缺点。有源RC滤波 器能提供一定的信号增益，同时具有缓冲作用，有利 于高阶滤波器的实现。也适于小型化、集成化。
列写电路方程：
Vx Vin V x (V x Vout ) sC1 R R2 1 sC 2 1 Vx Vout 1 R4 R2 1 sC 2 sC 2 R3 R4
(5)功放的电压增益确定后，根据以上公式计算前置放 大和有源滤波电路的放大倍数，并在语音放大电路中 进行相应的调整。
1.3 前置放大级
话筒（MIC）输入信号电压比较小，约 10mV，
因而电路的电压放大倍数应适当取大。R21、R30 为输入信号提供直流偏置，信号由C5耦合到放大 器U5A进行放大，放大倍数为R31/R_back=100K/1.5k= 66.7。R52使放大倍数可以调节，调节范围为 0~66.7。 在 U5B 处，MIC信号无需放大（可以得到更好的信噪 比），此处放大倍数取R20/R25=62k/62k=1。在电源处 加入旁路电容，以尽可能减少电源噪声的影响。 音频信号可以来自收音机、录音机、计算机等音源 声音，信号动态范围较大，一般为 100mV~200mV， 所以此电路的电压放大倍数较小，最大为 R20/R39= 62k/16k≈4倍，R56进行放大倍数的调节。
前置放大器在微弱信号检测中的应用进展
前置放大器在微弱信号检测中的应用进展2010年光电电子技术结课作业前置放大器在微弱光电信号检测中的应用进展前置放大器在微弱光电信号检测中的应用进展摘要光电检测系统中光电器件紧密连接一个低噪声前置放大器，它的任务是:放大光电探测器件所输出的微弱电信号；匹配后置处理电路与探测器件之间的阻抗。
对前置放大器的要求是:低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。
针对不同类型的光电检测系统的相应的前置放大电路的种类不同有T 型网络前置放大电路、差分式前置放大电路、双运放前置放大电路、高阻型前置放大电路，低阻型前置放大电路等等。
关键词：前置放大电路，微弱光信号检测，光电转换引言微弱信号的检测和处理技术主要运用迅速发展起来的电子学、信息论以及物理方法等加以分析噪声，对信号进行检测、采集有用信号。
微弱信号不仅信号本身的幅度较小，而且往往都是淹没在背景噪声之中。
而其中的光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术[1]。
它主要利用电子技术对光学信号进行检测, 并进一步传递、储存、控制、计算和显示[2]。
光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。
它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息, 然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量, 并进一步经过电路放大、处理, 以达到电信号输出的目的[3]。
由于光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中的特点, 要对这样的微弱信号进行处理, 一般都要先进行预处理, 以将大部分噪声滤除掉,并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
这样, 就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
1 光电检测电路模块[4]上图为光电检测电路模块示意图前置放大电路位于光电转换器后级放大电路之间对整个光电检测系统性能的影响很大，为得到有用的信号设计低噪声，高精度的前置放大电路就变得非常重要。
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测装置是一种应用于科研领域以及一些特定行业的重要设备，它可以帮助科研人员以及工程师们检测并分析微弱信号，从而为他们的工作提供重要的数据支持。
在现代科技发展的大背景下，微弱信号检测装置的设计越来越受到重视，其设计的合理性和先进性直接关系到设备的性能表现和使用效果。
本文将从设计原理、关键技术以及设计要点等方面进行浅析，希望能够为相关领域的科研人员和工程师们提供一些参考和帮助。
一、设计原理微弱信号检测装置的设计原理主要是基于信号放大及滤波的技术。
通常情况下，微弱信号往往混杂在大量的背景噪声中，因此需要通过信号放大技术将微弱信号放大至可以被检测的水平。
还需要通过滤波技术将背景噪声滤除，从而使得被检测的信号更加纯净和稳定。
设计一款微弱信号检测装置，关键在于如何合理地运用放大和滤波技术，以及如何平衡放大倍数和信噪比，从而保证信号的真实性和准确性。
二、关键技术1. 信号放大技术信号放大技术是微弱信号检测装置设计中最为核心的技术之一。
通常情况下，采用的放大器有运算放大器，其具有高输入阻抗、低输出阻抗、高放大倍数等优点。
在设计中，需要根据实际需求选择合适的运算放大器，同时要注意防止由于放大器本身的噪声对信号检测的影响。
2. 滤波技术滤波技术是用来滤除背景噪声，增强信号的真实性和稳定性。
常见的滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
在设计中，需要根据待检测信号的频率范围、信噪比要求等因素选择合适的滤波器，同时要注意滤波器的带宽和通频带的选择。
3. 前置放大器设计在设计微弱信号检测装置时，通常需要设计前置放大器，用来对输入信号进行初步放大处理。
前置放大器的设计要注意防止由于不恰当的放大倍数造成的信噪比下降和过载等问题，同时也需要注意前置放大器与后级放大器之间的匹配。
4. 信号采样和AD转换对于模拟信号的处理，通常需要将其进行采样和AD转换，将模拟信号转化为数字信号。
在设计中，需要根据信号频率、采样率等因素选择合适的采样器和AD转换器，同时也要注意采样精度和信噪比的影响。
基于锁相放大的微弱信号检测电路前置滤波器设计
∀测控技术 # 2007 年第 26 卷第 3 期
基于锁相放大的微弱信号检测电路前置滤波器设计
肖寅东, 赵 辉, 王厚军
610054 ) ( 电子科技大学 自动化工程学院 , 四川 成都
摘要 : 针对降低前置放大器噪声的方法展开研究 。 分析了影响系统噪声的主要 因素 , 提出并详细阐述了一套前置减噪滤 波 器的设计方法 。 该方法采 用了基于锁相放大技术的微弱信号检测电路 , 取得了 明显的噪声优化 , 进一步降噪 7. 25% 。 关键词 : 锁相放大 ; 微弱信 号检测 ; 前置滤波器 中图分类号 : TN713 文献标识码 : B 文章编号 : 1000- 8829( 2007) 03- 0086- 03
Abstrac t : A m ethod to bate no ise o f preamp is discussed. T he pr i m ary no ise gene ra tion part of syste m is ana lyzed. A prefilter m ade up by inductive parts is added ahead of prea m p. T hat can effic iently reduce the no ise . A m ethod to design pre filter is deve loped and proved opti ma . l A pp ly ing th is m e thod , a better pe rfo r m ance ( 7. 25 % i m proved) is gained on the circu it for w eak signa l de tection ba sing on lo ck in a m plifier ( L I A ). It is a very i m portant to i m prove s igna l to no ise ratio( SNR ) for weak signal de tection. K ey word s : LI A; w eak s igna l de tection ; pre filter 利用锁相放大技 术进行视频微弱信号提取是指将窄带低频 信号或者通过激励方式 转化成 在低频 基带上 调幅信 号的直流、 缓变微弱信号进行前 置放大后 , 经频 谱搬移 和低通 滤波获 取信 号真实值的一 种信 号提 取方 法。该 方法 能克 服工 频干 扰的 影 响 ; 避开 1 /f 低频噪声 ; 避免直流放 大器的温度、 零点漂移 ; 抑制 噪声 , 极大地高信 噪比 [ 1] 。 因此 该技 术在 等离 子腐 蚀监 测 [ 2] 、 光纤瓦斯传感器 [ 1] 、 车辆温度测试 [ 3] 、 扫描电子 显微镜 [ 4] 、 生物 医学信号 [ 5] 等领域获得了广泛的应用。 锁相放大技术的 检测信号集中在中心频点附近的中低频窄 带通道内。由于具有这一特征 , 选择散粒噪声比较小的 JFET 作 为第一级放大器 , 构成分 立放大 环节是 常见的 做法。同时 如何 降低中心频点上的噪 声、 提高信噪比是该技术的关键问题。 根据弗里斯 ( F r iis) 定理 [ 6] , 第一 级放大 器的噪 声系数 和放 大增益很大程度上决定了系统 的噪声系数。降低电路噪声系数 的关键是减小其第一 级电路的 噪声系 数 , 同 时要提 高前级 功率 增益。 针对锁相放大技 术的特点 , 本设 计采用 前置降 噪滤波 器有 效降低第一级放大器的等效输 入噪声 , 提高整个系统的信噪比。 前置滤波器设计的最优化问题 是提升系统噪声性能的关键。在 深入分析罗斯 ( R othe) 等人提出的 E n - In 噪声模型 [ 7] ( 见图 1) 后 , 将放大器内部噪声源用两个等效噪声源表示 , 构建滤波器模
微弱信号放大电路的设计
微弱信号放大电路的设计引言在现代电子技术中，微弱信号的放大是一项非常重要的技术。
无论是在通信系统、医疗设备还是科学实验中，都需要对微弱信号进行放大以便于后续处理和分析。
本文将探讨微弱信号放大电路的设计原理、方法和技术要点。
微弱信号放大电路的重要性微弱信号放大电路的设计是电子技术领域中的核心问题之一。
微弱信号常常受到各种干扰和噪声的干扰，需要经过放大才能得到准确的测量结果。
因此，设计一种高性能的微弱信号放大电路是非常必要的。
设计目标设计微弱信号放大电路时，需要考虑以下几个目标：1.高增益：放大倍数越大，信号放大效果越好。
2.低噪声：尽量减小电路本身引入的噪声，以避免对微弱信号产生干扰。
3.幅频特性：保持电路在一定频率范围内的放大倍数稳定。
4.直流稳定性：保持电路在直流工作点上的稳定性，避免信号偏移。
5.低功耗：尽量减小电路的功耗，提高电路的效率。
设计原理微弱信号放大电路的设计原理主要包括以下几个方面：1.放大器类型的选择：根据应用需求选择合适的放大器类型，常见的有共射放大器、共基放大器和共集放大器。
2.反馈电路的应用：通过合理选择反馈电阻和电容来控制放大倍数和频率响应，并提高电路的稳定性。
3.噪声分析和抑制：通过降低电路本身的噪声来提高信号与噪声的比值。
4.负载匹配：保证负载与放大器之间的匹配，提高信号传输的效率。
5.电源稳定性：保证电源电压的稳定性，避免对信号放大产生影响。
设计方法在进行微弱信号放大电路的设计时，可以采用以下几个方法：1.参考已有设计方案：查阅相关文献和资料，了解已有设计方案的性能指标和实现方法，从中找到适合自己应用的方案。
2.仿真和优化：使用电子设计自动化(EDA)软件进行电路仿真，通过调整电路参数和拓扑结构来优化电路性能。
3.实验验证：通过实际电路搭建和测试，验证设计方案的可行性和性能指标是否满足要求。
4.反馈调整：根据实际测试结果，进行反馈调整，进一步优化电路性能。
电路设计要点在微弱信号放大电路的设计中，有以下几个关键要点需要注意：超前放大器的设计要点1.输入信号的阻抗：保持输入信号的阻抗与信号源的阻抗匹配，以最大限度地传输信号能量。
微弱信号检测的前置放大电路
图2 微弱信号检测前置放大电路原理图
3、噪声的抑制和屏蔽
在微弱信号检测的过程中，噪声的抑制和 屏蔽至关重要，由于信号微弱，很容易受 到噪声污染，这些噪声主要由环境噪声、 电路元器件自身产生的噪声和电源的工频 噪声组成，因此在噪声的抑制和屏蔽上要 综合考虑这几方面的因素。Fra bibliotek.1 元器件的选择
在进行微弱信号检测过程中，为了减少集成运算放大器对电路的干扰， 应选择接近理想运算放大器的芯片。主要参数的要求是具有较小的输 入偏执电流、输入偏执电压和零漂，具有较大的共模抑制比和输入电 阻。特别是电流电压转换级对集成运放的要求较高，一般需要运放的 输入偏执电流在pA 级。目前市面上有很多满足条件的集成运算放大 器，如AD8571、LMC6482、LF351 和OPA2703 等。
电路中的仪表放大级通常设计为程控放大倍数的结构，通过程控开关 调整反馈电阻的大小，从而改变放大倍数。为了对数字电路和模拟电 路进行隔离，程控开关选用光偶开关。为了提高仪表放大器的性能， 可以选用集成仪表放大器。很多公司提供了不同类型的集成仪表放大 器，如INA127，它内部集成了仪表放大器的主要结构，有很好的对 称性，可通过改变外接电阻的大小改变放大倍数。PGA202 是一款可 程控放大倍数的仪用放大器，应用它可以简化电路结构，但PGA202 需要搭建差分输入级，这样就降低了共模抑制能力。2007 年末ADI 公司推出的AD8253 芯片集以上两种芯片的优点于一身，不但集成 了完整的仪表放大电路，还集成了程控放大倍数的逻辑电路，是微弱 信号检测前置放大电路的理想选择。
图3 PGA202 的内部结构
在图 3 中可以看到， A0 和A1 为数字程控信号 的输入端，控制PGA202 中集成的前置逻辑电路， 通过改变A0、A1 的值可以使仪表运算放大器的 倍数在1、10、100 和1000 之间改变。
生物医学信号前置放大及滤波电路设计
生物医学信号前置放大及滤波电路设计一、方案选择及电路设计：1．总体电路图此电路由前置放大电路和滤波电路构成，框架图如1-1。
前置放大滤波显示1-1总框架图图1-2 心电信号前置放大及滤波电路图2．前置放大电路：1）前置放大电路的要求：由于生物电信号源产生的信号幅度小，频率低，而且生物电信号源内阻高，存在较强的背景噪声和干扰，而生物电放大器是为了测量生物电位而专门设计的放大器，其最主要的作用就是把微弱的生物电位信号的幅度放大，以便进一步处理、记录或显示。
因此要求生物电放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪声、低温漂、合适的频带宽度和动态范围等特性。
而放大器的输入阻抗、噪声、漂移及共模抑制比等特性的好坏主要由前置放大器所决定。
为了克服测量生物电时伴随的较强的模干扰，在生物电放大器的前置级通常采用差动放大以提高共模抑制比。
放大级通常包括初级差分放大和运放构成的主放大级,在本次实验中，初级差分放大采用的是三运放前置放大电路，主放大极由一个集成运放和电阻构成2）前置放大电路的构成：本次设计使用三运放前置放大器,它具有以下优点:(1) 输入阻抗高,由运放输入阻抗决定;(2) 可适当减少R4和R1,从而使CMRR 增大,而不影响输入阻抗与增益;(3) R2和R3失配仅影响CMRR 和Ac;如图1.3所示：图1.3 前置放大电路电路图它的第一级是有两个运放A1和A2组成，信号由两个同相输入差分放大器，因而有很高的的输入阻抗，可达1M Ω以上；第二级是由A3构成的基本差分放大器。
由于理想运放输入阻抗近似为零，A1和A2输入端的两个电阻R2与电位器R1相并联，所以可以得到：45)3221(R R R R Ad ⨯⨯+==303）电路分析① 参数设置：R4=500Ω ,R2=2KΩ ,R1=4K Ω ,R3=2kΩ，R5=5K Ω② 高输入阻抗：由于人体的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减小信号源内阻的影响，必须提高放大器的输入阻抗，输入阻抗是指开环运行时，从两个输入端看进去的动态阻抗，它等于两个输入端之间的电压的变化和引起的输入电流的变化的比值。
基于相关检测的微弱信号放大电路设计模板
基于相关检测的锁定放大器的设计颜涛（509100318）吴明赞（南京理工大学江苏南京 210094）摘要：相干检测技术是利用参考信号与有用信号具有相关性，而与噪声互不相关的性质，从而通过互相关系运算来削弱噪声，达到提高信噪比的1种微弱信息检测技术。
相干检测技术是众多微弱信号检测技术中能够使信噪比改善最大，恢复信号原形的最佳技术。
关键词：微弱信号，相干检测，锁定放大Correlation-based detection of the design of lock-in amplifierYan Tao Wu Mingzan(School of Automation,NUST,Nanjing210094,China)Abstract:The coherent detection technology is the use of the reference signal and the useful signal has correlation with the nature of the noise unrelated to the relationship among the operations to weaken through the noise, to improve the signal to noise ratio of 1 kinds of weak information detection technology. Coherent detection technology is the large number of weak signal detection technology that can make the greatest signal to noise ratio to improve and restore the signal prototype of the best technology.Key words: weak signal, coherent detection, Lock-in Amplifier1 引言微弱信号是指深埋在背景噪声中的极其微弱的有用信号。
微弱光信号检测电路的设计
ElectronicComponent&Device Applications0引言光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。
它主要利用电子技术来对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。
其原理是通过光电探测器件将光学信息量变换成电信号，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。
微弱光信号的检测在许多领域都有应用，检测方法多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求，本文应用光电检测技术来检测微弱光信号。
该方法利用高性能运放来设计检测电路，因而具有精度高、稳定性好等优点。
1电路基本原理用光电二极管组成的光电检测电路，实际上是一个光→电流→电压的变换器。
首先由光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号。
其基本电路如图1所示。
假定运放为理想的运放，其输入电阻和放大倍数都为无穷大，则输出电压为U0=I P R。
理论上，系统的输出电压U0的值与输入电流I P成线性关系，灵敏度由反馈电阻R确定。
而实际应用中，由于要受到运放失调电压V od与偏置电流I b的影响，其输出电压总要产生误差。
误差电压一般为：U e=V od(1+R/R d)+I b R其中R d为光电二极管的结电阻。
由此式中可以看出，当运放的失调电压与偏置电流都较小时，输出电压误差较小。
因此，选择运放时，应选择性能参数都符合要求的运放。
本设计选择AD795KN作为前置放大器。
2检测电路设计光电二极管所接收到的信号一般都非常微弱，而且输出的信号往往被深埋在噪声之中。
因此，对这样的微弱信号一般都要先进行放大、滤波，然后通过模数转换将信号传输给后续处理器电路。
本检测系统由光电二极管、前置放大电路、滤波电路、主放大电路、A/D转换电路，MCU控制和信号处理电路等组成，其结构框图如图2所示。
微弱光信号检测电路的设计杜习光（西南大学工程技术学院，重庆400716）摘要：从微弱光信号检测电路的设计方案入手，论述了光电检测电路的基本工作原理，给出了采用AD795KN为前置放大器来设计放大电路、有源滤波电路以及主放大电路，最终设计低噪声光电检测电路的一般原则。
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使仪表运算放大器的倍数在 1、10、100 和 1000 之间改变。
4.2 滤波器的设计
为了加强滤波器滤除噪声的能力, 笔者采用了二阶低通滤
波器,并在滤波器的设计过程中选择了同样的电容电阻组合。滤
波器的截止频率可通过公式
来进行计算, 由于生
物传感器的信号多为低频信号, 因此可以将低通滤波器的截止
频率设计的低一些。在笔者所设计的电路中,电阻值 100kΩ,电
ple of deigning preamplifier circuit whit I/V Conversion level, instrumentation amplifier level and low -pass filter level. At the same time the article discussed the circuit's noise suppression and isolation according to the characteristics of the weak signal, and gave the method of choosing elements and noise reduction. Finally, gave the design of the weak signal detection pre -amplifier using the program-controlled integrated instrumentation amplifier PGA202. Key words: precision agriculture; weak signal detection; instrumentation amplifier; preamplifier
图 4 应用 PGA202 的微弱信号检测前置放大电路设计 4.4 电路的测试
表 1 电路测试结果
本文按照图 4 制作了电路板,选择 R0 的大小为 1kΩ,对电
路的性能进行了测试。测试过程采用 TFG2300 数字合成信号发
生器产生 20H 正弦信号, 通过串联 500 kΩ 高精度电阻分压后
接入电路。设信号发生器产生信号的振幅为 A,仪表放大器的输
ÁÂ输入偏执电压为1uV,共模抑制比达到120-140dB,可以满足I/V
转换输入级对运放性能的要求。在实际的电路设计中还考虑了 噪声的隔离,为减少电源的工频噪声对电路的影响,芯片连接电 源处分别并联了 0.1uF 的旁路电容。另外为降低环境噪声对输 入信号的污染,将电路的输入点放在了画圈接地的圈中,利用接 地圈对环境噪声起到屏蔽作用。整体电路的设计如图 4 所示。
微弱信号检测前置放大电路。 结合微弱信号的特点讨论了电路中噪声的抑制和隔离,提出了电路元件的选择方法与电路设
计 中 降 低 噪 声 干 扰 的 注 意 事 项 。 本 文 利 用 集 成 程 控 增 益 仪 表 放 大 器 PGA202 设 计 了 微 弱 信 号 检 测 前 置 放 大 电 路 , 并 利 用 微
变逻辑电路。由于省去了增益控制部分,利用 PGA202 搭建仪表
放大器可以使电路结构得到很大的简化, 并且它的放大倍数稳定
精确,为后续的数据处理提供了方便。PGA202 的内部结构如图 3。
在图 3 中可以看到, A0 和 A1 为数字程控信号的输入端,控
制 PGA202 中集成的前置逻辑电路, 通过改变 A0、A1 的值可以
3.1 元器件的选择 在进行微弱信号检测过程中, 为了减少集成运算放大器对 电路的干扰,应选择接近理想运算放大器的芯片。主要参数的要 求是具有较小的输入偏执电流、输入偏执电压和零漂,具有较大 的共模抑制比和输入电阻。特别是电流电压转换级对集成运放 的要求较高,一般需要运放的输入偏执电流在 pA 级。目前市面 上有很多满足条件的集成运算放大器, 如 AD8571、LMC6482、 LF351 和 OPA2703 等。 电路中的仪表放大级通常设计为程控放大倍数的结构,通 过程控开关调整反馈电阻的大小,从而改变放大倍数。为了对数 字电路和模拟电路进行隔离,程控开关应选用光偶开关。为了提 高仪表放大器的性能,可以选用集成仪表放大器。很多公司提供 了不同类型的集成仪表放大器,如 INA127,它内部集成了仪表
容值 33nF,截止频率为 48Hz。
4.3 电路设计
为了提高仪表放大器差分输入级的对称性,同时满足零漂、
输入偏执电流、输入偏执电压等参数的需求,选用了性能参数较
好并且同一芯片中含有两个运算放大器的 OPA2277 作为仪表
放大器的差分输入级。在电压电流转换级采用了性能参数更为
理想的集成运放 AD8571,AD8571 的输入偏执电流为 20-70pA,
技 放大器的主要结构,有很好的对称性,可通过改变外接电阻的大 小改变放大倍数。PGA202 是一款可程控放大倍数的仪用放大
术 器,应用它可以简化电路结构,但 PGA202 需要搭建差分输入级, 这 样 就 降 低 了 共 模 抑 制 能 力 。 2007 年 末 ADI 公 司 推 出 的
创 AD8253 芯片集以上两种芯片的优点于一身,不但集成了完整的 仪表放大电路,还集成了程控放大倍数的逻辑电路,是微弱信号
生物传感器所产生的信号一般为频率较低的微弱信号,检 测不同的植物生理参数,可能得到电压或电流信号。对于电流信 号,应首先把电流信号转换成为电压信号,通过放大电路的放大,
张石锐: 硕士研究生 基金项目: 北京市科技攻关项目; 项目名称: 农业节水 灌溉监测与控制设备研制与开发(D0706007040191); 国 家“十一五”科技支撑计划; 项目名称: 农产品流通过程 信 息 化 关 键 技 术 与 系 统 研 发 (2006BAD10A04); 国 家 “十一五”科技支撑计划; 项目名称: 灌区地下水开发利 用关键技术 (2006BAD11B05)
2 电路基本结构
图 1 微弱信号检测前置放大电路的整体结构 考虑到传感器产生的信号非常微弱, 很容易受到噪声的污 染,所以放大电路选择仪表放大器结构。仪表放大器拥有差分式 结构,对共模噪声有很强的抑制作用,同时拥有较高的输入阻抗 和较小的输出阻抗,非常适合对微弱信号的放大。另外为了使输 出电压在高频段以更快的速度下降, 提高低通滤波器滤除噪声 的能力,这里选择了二阶低通滤波器。微弱信号检测前置放大电 路原理图如图 2。生物传感器产生的生物信号通常具有很大的 动态范围,达到几个数量级,原理图中 R2 为可变电阻,通过改变 R2 的阻值,可以改变仪表放大器的放大倍数,从而适应放大不 同大小的微弱信号。
您的论文得到两院院士关注 文 章 编 号 :1008-0570(2009)08-2-0223-02
电子设计
微弱信号检测的前置放大电路设计
The design of preamplifier circuit based on weak signal detection
(1.上海交通大学;2.国家农业信息化工程技术研究中心) 张 石 锐 1,2 郑 文 刚 2 黄 丹 枫 1 赵 春 江 2
ZHANG S hi-rui ZHENG Wen-gang HUANG Dan-feng ZHAO Chun-jiang
摘要: 针对 精 准 农 业 中 对 微 弱 信 号 检 测 的 技 术 需 求,论 文 设 计 了 以 电 流 电 压 转 换 器,仪 表 放 大 器 和 低 通 滤 波 器 为 主 要 结 构 的
图 3 PGA202 的内部结构 综合考虑微弱信号检测的需要和市场上芯片的供应情况, 本文选用 PGA202 搭建仪表放大器, 对微弱信号检测前置放大 电路进行了整体设计。 4.1 PGA202 简介 这里所选用的 PGA202 是由 BURR-BROWN 公司生产的,
PGA202 是一种程控仪表放大器, 它内部集成了程控的增益改
弱低频信号进行了测试,得到了理想的效果。
关键词: 精准农业; 微弱信号检测; 仪表放大器; 前置放大电路
中图分类号: TN721.5
文献标识码: A
Abstract: Combined with the demand of the detection of weak signal in precision agriculture, the article introduced the circuit princi-
新 检测前置放大电路的理想选择。 3.2 工频噪声和环境噪声的隔离 工频噪声是影响电路的主要噪声, 通常可通过电路的电源 传递到电路中。为了减少这种影响,在电路设计时应在连接电源 处增加旁路电容,隔离电源的交流噪声。除了这些措施外,为了 滤除 50Hz 的工频干扰,还可以在模数转换时采用具有 50Hz 陷 波的模数转换器。另外, 数字电路部分与模拟电路部分分别接 地, 尽量减少模拟电路的接地点同时采用画圈接地的方法都可 以有效的隔离噪声。 4 电路的设计与实现
入信号的振幅可以通过公式 A
?
A
500 k ? R
R 计算。采用 TDS1002
数字示波器观察到电路输出了较平滑的正弦波形。表 1 中给出
了 A1、A0 分别为 11、10 时电路的测试数据。通过表 1 可以看出
放大器的放大倍数稳定增益误差较小。
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jing , Research direction for artificial neural networks and Robot applied technology. (210009 南京 南京工业大学信息科学与工程学院) 童贤慧 孙 双 (College of Information Science and Engineering, Nanjing University of Technology Nanjing Jiangsu 210009,China) TONG Xian-hui SUN Shuang 通讯 地 址：(210009 南 京 江 苏省 南 京 市 新 模 范 马 路 5 号 南 京 工 业大学丁家桥校区 214 信箱) 童贤慧