微弱信号检测的前置放大电路

微弱信号检测的 前置放大电路设 计
0703020211 邓园园
引言
针对精准农业中对微弱信号检测的技术需 求，本ppt设计了以电流电压转换器，仪表 求，本ppt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 增益仪表放大器PGA202 设计了微弱信号 检测前置放大电路，并利用微弱低频信号 进行了测试，得到了理想的效果。
5、结论
本ppt中所讨论的微弱信号检测前置放大电路适用 ppt中所讨论的微弱信号检测前置放大电路适用 于精准农业中的生物传感器。运用本文所阐述的 降噪方法，有效的抑制和屏蔽了可能对电路造成 影响的各种噪声，如环境噪声、工频噪声等。通 过利用微弱低频信号对以程控增益集成仪表放大 器PGA202 为核心的微弱信号检测前置放大电路 进行测试，得到了较为理想的结果，说明该电路 可以在微弱信号的检测过程中得到应用。 本ppt创新点：本文针对精准农业中对微弱信号检 ppt创新点：本文针对精准农业中对微弱信号检 测的需求，结合屏蔽和抑制噪声的措施，利用 PGA202 设计了完整的微弱信号检测前置放大电 路。
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 的输入端，控制PGA202 中集成的前置逻辑电路， 通过改变A0、 通过改变A0、A1 的值可以使仪表运算放大器的 倍数在1 10、 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RC2 公式RC2 f 1 0 0 ω = π = 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，电容值33nF，截 计的电路中，电阻值100kΩ，电容值33nF，截 止频率为48Hz。 止频率为48Hz。
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。
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 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、 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 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 称性，可通过改变外接电阻的大小改变放大倍数。PGA202 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 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 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 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。
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 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 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。
4.3 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， 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，输入偏执电压为 的输入偏执电流为20-70pA，输入偏执电压为 1uV，共模抑制比达到120-140dB，可以满足I/V 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1uF 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 路的设计如图4 所示。
2、电路基本结构
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，最后 利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。 微弱信号检测前置放大电路的整体结构如图1 微弱信号检测前置放大电路的整体结构如图1。
4.4 电路的测试
本文按照图4 制作了电路板，选择R0 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 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 数字合成信号发生器产生20H 号，通过串联500 kΩ高精度电阻分压后接入电 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 路。设信号发生器产生信号的振幅为A，仪表放 大器的输入信号的振幅可以通过公式00 500Rk 大器的输入信号的振幅可以通过公式00 500Rk RA A in += 计算。采用TDS1002 数字示波器 计算。采用TDS1002 观察到电路输出了较平滑的正弦波形。表1 观察到电路输出了较平滑的正弦波形。表1 中给 出了A1、 出了A1、A0 分别为11、10 时电路的测试数据。 分别为11、 通过表1 通过表1 可以看出放大器的放大倍数稳定增益误 差较小。 表1 电路测试结果
4、电路的设计与实现
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 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 了方便。PGA202 的内部结构如图3。
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 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 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。