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。
微弱电流信号的检测和放大电路.doc
电压放大器结构合理，准确得实现了电压放大功能。
经I/V转换器后电压（通道B），经一级差分式放大电路后输出电压（通道C）,经二级差分式放大电路后输出电压(通道D)波形对比如图9所示：
图9运算放大电路输入输出电压波形对比
3.
本设计采用开关式相敏检波电路。相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。其结构如图10所示。
要求：电路要包括电流/电压转换电路，信号放大电路，调制和解调电路，并采用multisim仿真。
三、设计时间及进度安排
设计时间共两周（2015.6.23～2015.7.3）,具体安排如下表：
周安排
设 计 内 容
设计时间
第一周
布置设计任务和具体要求及设计安排；提出设计思路和初步设计方案、根据设计方案，进行具体的设计，根据指导意见，修改具体设计；仿真实现设计要求，指导、检查完成情况。
15.06.23-15.06.26
第二周
设计、仿真，撰写、完成专业模块设计报告,验收、考核
15.06.29-15.07.03
四、指导教师评语及成绩评定
指导教师评语:
年 月 日
成绩
指导教师(签字):
第一章课程设计的目的
课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。
经过相敏检波输出电压为4.327V，输入输出电压如图13所示。
图
经过相敏检波电路的波形如图14所示：
图14相敏检波电路输出波形
4.
为了给相敏检波电路提供同频方波信号，实现检波功能。其结构如图15所示。
图
其同向端接地，反向端接入高频正弦来自压信号（1KHZ），输出端为方波信号。当反向端正弦电压小于0时，输出高电平；当反向端输入的正弦电压大于0时，输出低电平。所以输入正弦波输出为反向的正弦波。输入信号和输出信号对比如图16所示。
微弱信号报告
智微弱信号检测结课报告题目：微弱光信号检测与采集组员分工：魏源璋（写报告）钟笛（演讲）王法（PPT制作）学院：机电学院专业：测控技术与仪器指导教师：宋俊磊微弱信号检测报告----微弱光信号检测绪论 (2)一、光电检测原理.............................. 错误！未定义书签。
1.1 光电检测与采集原理 ...................... 错误！未定义书签。
1.2 光电转换 .......................................... 错误！未定义书签。
二、信号检测前置放大电路设计 (4)2.1噪声来源分析 (4)2.2前置放大电路设计 (4)三、锁定放大器 (7)3.1、基本原理 (7)3.2、锁定放大参数分析 (9)四、A/D采集及软件设计.................. 错误！未定义书签。
4.1、ADC0809芯片介绍 (11)4.2、A/D启动及程序流程 (12)4.3、硬件接口图 (13)绪论微弱信号不仅意味着信号的幅度很小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，微弱是相对于噪声而言的。
为了检测被背景噪声覆盖着的微弱信号，进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点，相关性以及噪声的统计特征，以寻找出从背景噪声中检测出有用信号的方法。
微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就需要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研究和技术开发的需要，微弱信号的检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感原理，也不是相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是抑制噪声和提高信燥比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。
在许多研究和应用领域中，都涉及到微弱信号的精密测量。
然而，由于任何一个系统部必然存在噪声，而所测量的信号本身又相当微弱，因此，如何把淹没于噪声中的有用信号提取出来的问题具有十分重要的意义。
微弱信号检测的前置放大电路
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。
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。
9
图3 PGA202 的内部结构
10
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。
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 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 止频率为48Hz。
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。
微弱信号检测
四川省大学生电子设计竞赛报告题目：微弱信号检测装置微弱信号检测装置【摘要】：为提取被噪声淹没的微弱信号，在分析了锁相放大器原理的基础上，采用基于AD630设计了一个双相位锁相放大器。
实现了正弦信号的检测和显示，由于时间紧迫，AD采样显示的数值误差较大。
【关键词】：锁相放大器正交信号 AD630 MAX7490一、方案设计与论证图1 微弱信号检测装置示意图1.1 微弱信号检测电路设计与方案微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。
常用的微弱信号检测方法有：匹配滤波、锁相放大、取样积分等。
方案1：匹配滤波法。
使用窄带滤波器，滤掉带宽噪声只让窄带信号通过；此方案电路简单，但是，由于一般滤波器的中心频率不稳定，不能满足更高的滤除噪声的要求。
方案2：单通道锁相放大法。
用AD630平衡调制解调芯片、移相器及低通滤波器构成锁相放大电路，基于信号的互相关原理，移相器输出的信号必须与被测信号同频同相，由于被测信号相位未知，需移相器逐步移相，实现较为复杂。
方案3：双通道锁相放大法。
用两个AD630平衡调制解调芯片、两个低通滤波器做成双通道锁相放大器，就是被测信号与两个相互正交的信号分别相乘经低通滤波器再送入AD进行采样，这样不需考虑被测信号的相位。
两路正交信号由74LS74构成的分频电路产生或由单片机产生。
由于只需要直流分量，低通滤波器的截止频率可以低到几百赫兹。
综合考虑，我们采用方案3。
1.2 加法电路的设计与方案加法电路要求正弦信号与噪声信号相加，并测量噪声的均方根值；因此加法电路的内部噪声越小越好。
方案1：普通加法器。
用低噪声放大器OPA2227做一个普通的加法器，但此电路接有电阻电容，会产生附加噪声。
方案2：高性能加法器。
用低噪声仪表放大器INA2134做一个高性能的加法器，有独立的共模抑制能力、增益误差、噪声和失真。
方案2虽然比方案1复杂，但引入的附加噪声比方案1小，因此选用方案2。
1.3 带通滤波器设计与方案题目中给了一个带宽很宽的强噪声，要想进可能地滤掉噪声，需一个窄带带通滤波器。
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。
(完整版)小目标微弱信号检测电路设计
信号输出电路
STC89C52RC用于脉冲宽度的测量和信号传输通道阻通状态的转换，并负责特征参数的修改和设置。74HCT00用于信号逻辑极性的转换，Q1用于将信号从TTL电平转换到CMOS电平，CD4098则用于输出脉冲的整形控制。信号输出电路如图10所示：
图10 信号输出电路
void delay(unsigned char tt)
{
for(;tt>0;tt--);
}
void init2()
{
p1_5=0;
delay(240);//主机发出延时500微秒的复位低脉冲
}
void main()
{
while(1)
{
p3_7=1;
p1_0=0;
delay(2);
p3_7=0;
delay(250);
小目标微弱信号检测电路设计
在靶场测试领域，天幕靶是一种常用的光电触发设备。既可以用作区截装置测量弹丸的飞行速度，也可采用多幕交汇技术测量弹丸的着靶坐标，还可以作为其他设备的测试触发装置。但现有天幕靶灵敏度低、视场小、抗干扰能力差。本文设计了一种小目标微弱信号检测电路，通过光电二极管进行光电信号转换，并且设计了信号放大电路与滤波处理,有效地滤除了干扰信号,提高了天幕靶抗干扰能力。
图8供电电路设计原理图
LM1117是一款低压差的线性稳压芯片。当电路输出为1A时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V。该芯片过流保护和热保护功能很完善，能够在复杂环境条件下提供稳定的电源。同时使用修正技术，确保输出电压和参考源精度在±1%的精度范围内。
7.3芯片晶振与复位电路
当单片机上电时，此时振荡器开始运行，只要RST引脚得到持续两个机器周期的高电平，芯片便可完成自动复位。外部复位电路是通过提供两个机器周期以上的高电平来进行复位的。本系统采用的是上电自动复位，由于上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压就是Vcc上的电压。随着充电的进行，电容器上的电压开始不断上升，RST上的电压不断下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效自动复位。电容C1可取10-33μF，R取10kΩ，充电时间常数为100ms。
微弱信号放大电路的设计
微弱信号放大电路的设计一、引言微弱信号放大电路是电子工程中非常重要的一个领域，因为很多传感器所产生的信号都非常微弱，需要通过放大电路来增强信号的幅度，以便于后续的处理和分析。
本篇文章旨在介绍微弱信号放大电路的设计方法和注意事项。
二、基本原理微弱信号放大电路的基本原理是利用放大器将输入信号的幅度增加到需要的水平。
一般来说，放大器有两种基本类型：单极性和双极性。
单极性放大器只能将正半周期或负半周期中的一个进行放大，而双极性放大器则可以将整个周期都进行放大。
在设计微弱信号放大电路时，需要考虑到以下几个因素：1. 噪声：由于输入信号非常微弱，所以任何形式的噪声都会对输出结果产生影响。
因此，在设计中需要采取措施来降低噪声。
2. 带宽：为了保证输出结果尽可能真实地反映输入信号，需要确保电路具有足够宽的带宽。
3. 稳定性：由于环境条件可能发生变化，比如温度、湿度等，因此需要确保电路的稳定性。
三、微弱信号放大电路的设计步骤1. 确定输入信号的幅度和频率范围：这可以帮助确定放大器的增益和带宽。
2. 选择合适的放大器类型：根据输入信号的特点和需求，选择单极性或双极性放大器。
3. 计算放大器的增益：根据输入信号的幅度和输出信号要求的幅度，计算出所需的增益。
4. 计算放大器的带宽：根据输入信号的频率范围和输出信号要求的频率范围，计算出所需的带宽。
5. 选择合适的元件：根据放大器类型、增益和带宽要求，选择合适的元件，比如运算放大器、电容、电阻等。
6. 进行仿真和测试：使用仿真软件或实际测试来验证设计结果是否符合要求。
四、微弱信号放大电路设计中需要注意的事项1. 噪声控制：在设计中需要采取措施来降低噪声。
比如可以使用低噪声元件、减小元件之间连接线路长度等方法。
2. 稳定性控制：由于环境条件可能发生变化，比如温度、湿度等，因此需要确保电路的稳定性。
可以采用负反馈等方法来增强电路的稳定性。
3. 元件选择：在选择元件时需要考虑到元件的参数是否符合要求，比如电容的容值、电阻的阻值等。
微弱信号放大电路设计
这样整个电路多级串联放大器的噪声系数才会比较
信 号 的 大 概 频 率 范 围 ，为 减 轻 后 续 数 据 分 析 系 统
[4]
的 压 力 ，该 设 计 在 前 置 放 大 电 路 之 后 加 入 了 一 个
[5]
小 。多级放大器的总噪声系数计算公式为 ：
Nf = Nf 1 +
Nf 2 - 1 Nf 3 - 1
为 了 提 高 电 路 的 信 噪 比 以 及 排 除 干 扰,设 计 时
大电路决定。由级联放大器的低噪声原理 [3]，一般要
最 好 用 滤 波 器 对 差 分 放 大 后 的 信 号 进 行 处 理 ，这
求前置放大电路的增益要尽可能大且具有低噪声，
部 分 是 噪 声 抑 制 关 键 性 的 一 步 [8] 。 由 于 已 知 待 检
个滤波器部件的响应由 3 个外部电阻器采用简单
数小, 也希望增益大, 以便减小后级噪声的影响。
由于具有仪表放大器输入结构的差分放大电路
[6]
的 设 计 公 式 针 对 中 心 频 率 、Q 值 和 增 益 进 行 设
置。每个二阶滤波器部件提供低通和带通输出。
对共模输入信号有很强的抑制能力 ，对差模信号的
该 设 计 采 用 高 精 度 仪 表 放 大 器 INA828 来 做 前
置放大电路设计，此放大器可通过单个外部电阻器
在 1~1 000 倍范围内设置增益。由于采用新的超β输
入晶体管（这些晶体管可提供极低的输入失调电压、
失调电压漂移、输入偏置电流以及输入电压和电流
该电路利用凌力尔特公司免费提供的滤波器设
28~32 kHz，起伏为-3.55 dB，阻带衰减为-48.36 dB。
噪声），该器件可提供出色的精度。其电路如图 2 所
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
光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计
光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计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2．1 光电二极管的工作模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］一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。
10502067_微弱信号检测前置处理模块电路设计
收稿日期:2015-07-02;修订日期:2015-08-10作者简介:孙 韩(1994-),女,安徽合肥人,研究方向:通讯系统原理与设计、嵌入式开发、自动控制。
基金项目:安徽大学2013年大学生科研训练计划项目“压缩感知用于频谱检测方案的研究”(编号:kyx12013034)。
第33卷 第4期2015年8月江 西 科 学JIANGXI SCIENCEVol.33No.4Aug.2015 doi :10.13990/j.issn1001-3679.2015.04.032微弱信号检测前置处理模块电路设计孙 韩(安徽大学电子信息工程学院,230601,合肥)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。
关键词:微小振动测量;微弱信号检测;前置处理模块;电路设计中图分类号:TN248 文献标识码:A 文章编号:1001-3679(2015)04-598-04Pre⁃processing Module Circuit Design of Weak Signal DetectionSUN Han(School of Electronic Information Engineering Anhui University,230601,Hefei,PRC)Abstract :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 AD620chip,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.Key words :micro vibration measuring;weak signal detection;pre⁃processing module;circuit design0 引言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
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。
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微弱信号检测的前置放大电路设计
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,并利用微弱低频信号进行了测试,得到了理想的效果。
1、引言
精准农业主要是依据实时获取的农田环境和农作物信息，对农作物进行精确的灌溉、施肥、喷药，最大限度地提高水、肥和药的利用效率，减少环境污染，获得最佳的经济效益和生态效益[1]。
农田环境和农作物信息的准确获取取决于可靠的生物传感技术。
如常规精准灌溉主要关注空气的温度、湿度和土壤的含水量，利用这些参数的变化控制对农作物的灌溉，而作物自身产生的一些信号能够更准确的反映其自身的生理状况，通过检测这些信号控制灌溉可以使灌溉更精确。
目前精准灌溉技术正朝着以环境信息和农作物生理信息相结合为控制依据的方向发展，为此各种生物传感器如植物电信号传感器、植物茎流传感器等应运而生。
但一般作物自身生理状况产生的信号极其微弱，往往电流信号只能达到纳安级，电压信号也只能达到微伏级。
为有效的利用这些信号，应首先对其进行调理，本文根据植物生理信号的特点设计了适合此类微弱信号检测的前置放大电路。
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。
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。
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 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。
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
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，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。
4.4 电路的测试
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，仪表放大器的输入信号的振幅可
以通过公式计算。
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。
5、结论
本文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。