微弱信号检测的前置放大电路设计

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。