基于相关检测的微弱信号放大电路设计
测量微弱信号的放大电路设计要点与技巧
测量微弱信号的放大电路设计要点与技巧测量微弱信号是科研领域中常见的实验任务之一，而放大电路设计则是实现这一目标的关键。
在本文中，我将探讨一些测量微弱信号的放大电路设计要点和技巧，希望能为科研工作者提供有益的指导。
首先，了解信号的性质至关重要。
微弱信号通常在低频范围内，并且很容易受到环境干扰。
因此，在设计放大电路时，要考虑选择适当的频率带宽。
一般来说，带宽应该比信号频率的两倍高，这样能够有效地避免高频噪声的干扰。
其次，选择合适的放大器是成功设计放大电路的关键。
低噪声放大器是测量微弱信号的理想选择，因为它们能够增加信号的幅度同时减少噪声的干扰。
常见的低噪声放大器包括运算放大器和差动放大器。
运算放大器广泛应用于各种测量仪器中，而差动放大器则在抵抗共模噪声方面表现出色。
此外，合理设置放大器的增益也是非常重要的。
过高的增益可能会引入更多的噪声，因此需要在信号幅度和噪声干扰之间寻找一个平衡点。
经验表明，设置适当的增益可以确保信号得到放大，同时保持噪声干扰的最低程度。
在设计放大电路时，还需要注意地线的布局和连接。
地线是将电路与外界连接的重要通道，不良的地线布局可能导致干扰信号的引入。
因此，要确保地线布线短小粗直，尽量减少环路面积，以减少可能引入的噪声干扰。
此外，选择合适的滤波器也是测量微弱信号的成功关键之一。
滤波器能够消除信号中的杂散噪声，从而提高信噪比。
常见的滤波器类型包括低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
不同的信号频率需要不同类型的滤波器，因此在设计放大电路时要仔细选择合适的滤波器。
最后，校准和调整放大电路也是设计过程中的关键环节。
由于不同的器件走线、元件容差等原因，放大电路可能存在一些偏差。
因此，需要通过校准和调整来保证放大电路的准确性和稳定性。
校准过程中需要使用特定的校准仪器和设备，例如示波器和信号发生器。
综上所述，设计测量微弱信号的放大电路需要特别关注信号性质、放大器选择、增益设置、地线布局、滤波器选择和校准调整等方面。
微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计
微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计作者：秦正波任羊弟王辉来源：《现代经济信息》2017年第07期摘要：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）007-0-02The 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。
微弱信号放大电路设计
微弱信号放大电路设计1. 引言微弱信号放大电路是一种常见的电子电路设计，用于将输入信号放大到足够大的幅度以供后续处理或分析。
本文将详细讨论微弱信号放大电路的设计原理、常用电路结构以及一些注意事项。
2. 设计原理在微弱信号放大电路设计中，主要考虑的是信号放大的增益和电路的噪声特性。
通常情况下，微弱信号放大电路采用放大器作为主要元件，通过控制放大器的增益来实现信号的放大。
2.1 放大器的工作原理放大器的工作原理是利用电子器件（如晶体管、运放等）的非线性特性，将输入信号的小幅度变化转化为输出信号的大幅度变化。
放大器通常由输入级、中间级和输出级组成，其中输入级负责将输入信号转换为小幅度变化的电压，中间级将小幅度变化的电压放大到一定程度，而输出级则进一步放大并驱动负载。
2.2 增益和频率响应在微弱信号放大电路设计中，增益和频率响应是两个重要的参数。
增益表示电路将输入信号放大的倍数，通常以分贝（dB）为单位表示。
频率响应则描述了放大器对不同频率信号的放大程度，一般以频率-增益图形式表示。
3. 常用电路结构微弱信号放大电路可以采用多种不同的电路结构，下面介绍几种常见的结构。
3.1 基本放大器电路基本放大器电路是最简单的放大器结构，包括输入电阻、输入耦合电容、放大器和输出耦合电容。
这种电路结构适用于较低频率的信号放大。
3.2 双射极放大器双射极放大器是一种常用的放大器结构，具有高的增益和宽广的频率响应。
它由两个共射极晶体管组成，通过负反馈来提高线性度和稳定性。
3.3 差分放大器差分放大器由两个双射极晶体管组成，具有良好的抗干扰能力和共模抑制比。
差分放大器常用于抗干扰要求较高的放大场合。
4. 注意事项在设计微弱信号放大电路时，需要注意以下几点：4.1 输入信号的幅度微弱信号放大电路的输入信号幅度通常较小，需要选择合适的放大倍数以保证输出信号的可靠性。
4.2 电源噪声和干扰电源噪声和干扰可能会影响放大器的性能，设计时应注意选择低噪声的电源和合适的滤波电路来抑制噪声和干扰。
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。
微弱信号检测技术第四讲锁定放大技术
现监频监相。
• 2、 x(t)为正弦波，r(t)为方波
x(t)=Vscos(w0t+q)
r(t)
4Vr
(1)n1
n1 2n 1
cos[(2n
1)w0t]
• PSD输出为：
u p (t)
2VsVr
n1
(1)n1 2n 1
cos[(2n
为q＋ 90°
• 正交矢量型锁定放大器的同相输出：
I Vs cosq
• 正交输出：
Q Vs sin q
• 被测信号的幅度和相位：
Vs I 2 Q2
q arctan(Q / I )
4.3.3 外差式锁定放大器
• 利用频率变换器将输入信号的频率变换到 一个固定频率上，然后进行带通滤波和相 敏检测，以便带通滤波器和相敏检测器的 最佳设计，以及避免带通滤波器的调节。
• 信号通道：交流放大输入信号，以满足推 动PSD；滤除带外噪声和干扰； 与信号源进行噪声匹配。
• 参考通道：调理参考信号和调整相位。
• 相敏检测器：对输入信号和参考信号完成乘 法运算，得到二者的和频与差频 的谐波信号。
• 低通滤波器：滤掉高次谐波和高频信号成 分，提取深埋在噪声中的微弱信号。
4.2 相敏检测
• x(t)与r(t)相乘，结果为： up(t)=x(t). r(t)
= 0.5Vscosq Vscos(2w0t+q) +0.5Vncos[(wn+w0) t+a] +0.5Vncos[(wn-w0) t+a]
• 4、 x(t)和r(t)均为方波
微弱信号高精度线性放大电路的设计_王建宇
的差分电路的放大要求，可以有效地滤除共模信号，而只有
差分 信 号被 放 大 。 Y1 和 Y2 作 为 双 运算 放 大 器的 同 时 ，又是
一个具有高输入阻抗的缓冲器，保证 V1 和 V2 电压不被降低， 所以图 3 所示电路具有较高的输入阻抗符合一起仪表放大
器的技术要求。
在图 3 所示电路中，调节的阻值，可以线性的改变放大
材 科 技 ，2004，25(5)：71-74．
XU Yong -zhi,TENG Jun. Differential sensor system error
compensation technology [J]. Science and Technology of
Overseas Building Materials,2004,25(5):71-74.
电路具有较高的共模抑制比和较好线性度。
关键词：微弱信号;高精度;线性放大;运算放大器;共模抑制比
中 图 分 类 号 ：TN72
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1674－6236（2014）22-0094-03
The design of weak signal high-precision linear amplifier circuit
500≤1/2（2π×R6 ×C1 ) 同时， 为保证集成运算放大器输入级差分放大电路的对称 性，R5 应与 R6 和 R7 组成的电阻阻抗匹配。
4 整体电路测试
整体电路图如图 5 所示。 电路中各电容电阻参数选取如 表 1 所示。
图 5 整体电路图 Fig. 5 The entire circuit
电路的增益。 以适合不同场合的应用。 为了使电路的 CMRR
达到 最 大，可 以 同 时 调 节 R8 和 R12 的大 小 而 不破 坏 放 大电 路 的平衡状态。
纳伏级微弱信号放大电路的设计
纳伏级微弱信号放大电路的设计摘要：从当前我国通信行业发展情况来看，其为工程测量工作开展奠定了坚实基础，纳伏级微弱信号放大电路的设计可以实现对信号有效调理，并且降低噪声，其主要运用了多级放大电路的组态形式，并且利用仿真软件对系统噪声进行了分析，使得信噪比得到改善。
基于此，本文也尝试对纳伏级微弱信号放大电路设计进行了深入探讨。
关键词：纳伏级微弱信号；放大电路；设计随着我国科技水平的不断提升，对于微弱信号检测技术的研究不断深入，弱光检测技术、微振动检测技术以及低电平电压检测技术等等进入到人们视野。
由于被检测目标信号极其微弱，如果运用普通的电子器件对其进行检测操作，往往存在较为严重的误差，这也使得最终的检测结果浮动范围不符合要求，这时候则需要运用微弱信号检测技术，其主要是通过放大器来保证其输入阻抗得以提升，而输出阻抗则尽可能降低。
目前来看，在开展弱信号检测工作时，不仅对检测器件有很高的要求，同时也对待测信号的动态范围以及响应速度有严格要求，只有保证其各方面要求符合标准，才能使最终检测结果准确性得到保证。
1.关于微弱信号及其检测的基本简介对于微弱信号检测来说，其在实际开展过程中，主要是利用电子学以及物理学等方法来尽可能恢复被噪声所掩盖的微弱信号，从而达到提取信号以及运用信号的目的。
从当前我国微弱信号检测技术发展情况来看，其主要是从提高检测系统输出信号的信噪比入手，从而实现对现有微弱信号的放大。
通常情况下，在开展微弱信号检测工作时，前置放大器是噪声引入的主要部件之一，因此在进行微弱信号检测设计时，首先应该注意保证第1级的噪声系数足够小，这样才能使最终检测准确性得到保证。
在对整个检测电路的噪声系数进行控制时，应该以前置放大器的噪声系数为基础，由此可以看出，系统前置放大器的选择以及相关电路设计非常重要，直接关系到后续各项检测工作的开展。
当前，微弱信号检测电路的基本结构为：微弱电压信号——电压放大电路——带通滤波电路——A/D转换电路。
基于CTIA的微弱信号放大电路研究
基于CTIA的微弱信号放大电路研究邢亚第【摘要】获得尽可能大的放大倍数与运放饱和输出导致信号失真的矛盾,制约着微弱信号放大调理电路的整体性能.由于水听器及其他产生微弱信号的传感器的一致性原因,其输出信号的微小偏移可能导致放大电路的饱和失真.如果不能很好地解决该问题,数据采集系统将不得不以降低电路放大倍数为代价以获得不失真数据.介绍了一种信号输出直流偏置不依赖于前端输入直流偏置的CTIA型积分放大与采样保持电路.理论上,配合嵌入式系统提供的时序控制与偏置反馈功能,该电路可以很好地解决由于水听器输出一致性原因导致的信号失真问题,保证了电路的放大倍数的需求.%The contradiction between the maximum amplification factor to gain and the saturation output of the op-amp which leads to signal distortion, restricts the overall performance of the weak signal amplifying and conditioning circuit. Due to the consistency of hydrophones and other sensors that pro-duce weak signals, small shifts in their output signals may result in saturation distortion of the amplifica-tion circuit. If this problem is not solved well, that data acquisition system will have to obtain undistort-ed data at the expense of reducing the amplification factor of the circuit. This paper introduces a CTIA-type integrated amplifier and sample-and-hold circuit whose signal output DC bias is independent of front-end input DC bias. In theory, with the timing control and bias feedback function provided by em-bedded system, this circuit can solve the problem of signal distortion caused by the consistency of hy-drophone output,and ensure the requirements of the amplification factor of the circuit.【期刊名称】《微处理机》【年(卷),期】2018(039)002【总页数】4页(P54-56,60)【关键词】水声器;微弱信号;积分放大;CTIA电路;采样保持【作者】邢亚第【作者单位】中船重工集团公司第七二六研究所,上海201108【正文语种】中文【中图分类】TN722.51 引言声波是目前海洋中唯一能够远距离传播的能量辐射形式，所以声波成为在浩瀚的大海中进行信息采集、传输的重要载体[1]。
弱信号放大电路的设计
弱信号放大电路的设计摘要：依据仪表放大器的工作原理，利用德州仪器公司的TLC2652设计了一低频弱信号放大电路。
通过Multisim软件仿真分析，该电路具有极高的输入电阻，极低的输出电阻，共模抑制能力很强，能放大频率在0～300 Hz内的微伏级信号，且该电路的工作稳定，失真度小。
关键词：弱信号放大；TLC2652；仪表放大器0 引言在研究自然现象和规律的实践中，经常会遇到检测被强背景噪声淹没的微弱信号问题，如地震波的分析、卫星信号的接收、植物电信号、医疗中脑电波的分析等。
这些问题都归结为微弱信号的检测。
微弱信号检测与处理是随着工程应用而不断发展的一门学科，采用一系列信号处理的方法，检测被噪声背景淹没的微弱信号。
由于在微弱信号检测与处理系统中，我们获取的信号是极其微弱的，因而我们不能直接选用普通的放大器，否则放大器的本底噪声就可能淹没了我们的实际信号，所以在这一过程中，如何在抑制噪声的前提下增大微弱信号的幅度是我们获取有用信号的关键。
本文主要以直流与低频信号为研究对象设计一弱信号放大器，并进行仿真分析。
1 集成运算放大器的选择随着集成工艺与电子技术的发展，集成运算放大器的性能越来越好。
TLC2652是德州仪器公司使用先进的LinCMOS工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。
斩波稳零的技术使TLC2652具有优异的直流特性，将失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响降低到了最小值，因此TLC2652非常适合用于微信号的放大。
1．1 TLC2652的内部结构如图1所示，TLC2652主要由5个功能模块构成：(1)主放大器(Main)：与一般的运算放大器不同，它有三个输入端。
除引出芯片外部的同相和反相输入端外，其在芯片内部还有一个用于校零的同相输入端。
(2)校零放大器(Null)：它也有三个输入端，但与主放大器相反，在芯片内部的输入端是反相输入端。
(3)时钟和开关电路：内部时钟产生时钟信号，控制各开关按一定的时序闭合与断开。
微弱光信号的光电探测放大电路的设计
ｄｅｅ ｔｏ ｏｒ ｔ ｃｉ ｎ ｆ ｗｅ ｋ ｓｇ ｌ ｍｐ ｉｙｎｇ ｈｅ ｉｎａ －ｔ ｎｏｓ ａ ｉ ｎｄ ｈｅ ｔ ｂｌｔ ｐ ｏ ｌ ｍ ，ｈｅ ｅ ｉｎ ｏ ｌｗ ｎｏｓ ａ ｉｎａ ａ ｌｆ ｉ ｔ ｓｇ ｌ ｏ－ ｉｅ ｒ ｔｏ ａ ｔ ｓａ ｉｉｙ ｒ ｂ ｅ ｔ ｄ ｓｇ ｆ ａ ｏ ｉｅ ｐ ｔｅ ｅ ｔ ｃ ｓｇ ａ ｍｐ ｉ ｎ ｉｃ ｔ ａ ｉｅ ｈ ｉｃ ｔｐａ ａ ｔｒｓ ｌｃｉ ｎ ｍｅ ｈ ｄ ｈｏｏ ｌ ｃｒ ｉｎ ｌａ ｌｆ ｇ ｃ ｒｕｉ， ｎｄ ｇｖ ｓｔ ｅ ｃｒ ｕｉ ｉ ｙｉ ｒ ｍｅ ｅ ｅｅ ｔｏ ｔ ｏ
了噪 声 ，而且 必 然 还 会 附加 一 些 额外 的 噪声 ，例
１ 基 本 电路
光 电二 极 管作 为 光 探 测 器 有 两种 应 用 模 式
收 稿 日期 ：０１ — ４ ２ ２ ２ ０—４
如图１ 所示 。
基 金 项 目 ： 部 级 以 上 基金 资 助 项 目ｆ 须 要 有 编 号１ 省 必
摘
要 ：分析 了微 弱光 信 号放 大 电路 的基本 工 作原 理 ，针 对光 电探 测 中对 微 弱信 号放 大带 来
的信 噪 比和稳 定性 问题 ，设 计 了一种低 噪 声光 电信 号放 大 电路 ，并给 出了电路 参数 选择 方法 。
关键 词 ：光 电探 测 ；光 电二极 管 ；放 大 电路 ；噪 声模 型
号 的 幅值 ，才 能 提 取 出有 用 信 号 。本 文 针 对 检 测 微 弱光 信 号 的光 电二 极管 放 大 电路 ，综 合 分 析 了 其 电路 噪声 、信 号 带 宽及 电路 稳 定 性 ．在 此 基 础 上 设计 了一 种 低 噪 声 光 电 信 号放 大 电路 ，并 给 出 电路 参数 选择方 法 。 ｅ ：监。
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
微弱信号检测的前置放大电路
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 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。
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。
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。
基于AD620的微弱信号放大器设计
㊀２０２１年㊀第３期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．３㊀基金项目：２０１８年度江苏省考试院考试专项课题（Ｋ－Ｆ２０１８０６）收稿日期：２０２０－０４－０８基于ＡＤ６２０的微弱信号放大器设计窦如凤，井娥林（南京理工大学泰州科技学院，江苏泰州㊀２２５３００）㊀㊀摘要：为了解决微弱信号放大电路中零点漂移㊁放大失真等缺陷，设计了一种基于ＡＤ６２０的高精度微弱信号放大器㊂该放大器是以仪表放大器ＡＤ６２０为核心，辅以电压跟随器和二阶低通滤波电路，来滤除电路中的噪声信号提高放大精度，利用零点漂移电路来调整电路输出零点，保证传感器未动作时，电路输出的放大电压为零㊂实际测试结果表明，该电压放大器精度高，误差小于０．１％，可用于放大各型号传感器输出的微弱信号以及作为传感器的变送器使用㊂关键词：微弱信号；ＡＤ６２０；电压跟随器；零点漂移中图分类号：ＴＰ９３４㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０３－００４５－０３ＤｅｓｉｇｎｏｆＷｅａｋＳｉｇｎａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒＢａｓｅｄｏｎＡＤ６２０ＤＯＵＲｕ⁃ｆｅｎｇ，ＪＩＮＧＥ⁃ｌｉｎ（ＴａｉｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．，ＮＪＵＳＴ．，Ｔａｉｚｈｏｕ２２５３００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｄｅｆｅｃｔｓｓｕｃｈａｓｚｅｒｏｄｒｉｆｔａｎｄａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｉｎｔｈｅｗｅａｋｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ａｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｗｅａｋｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒｂａｓｅｄｏｎＡＤ６２０ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｗａｓｂａｓｅｄｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎａｍｐｌｉｆｉｅｒＡＤ６２０ａｓｔｈｅｃｏｒｅ，ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙｖｏｌｔａｇｅｆｏｌｌｏｗｅｒａｎｄｓｅｃｏｎｄ⁃ｏｒｄｅｒｌｏｗ⁃ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｏｆｉｌｔｅｒｏｕｔｔｈｅｎｏｉｓｅｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｓｉｇｎａｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ，ｚｅｒｏｄｒｉｆｔｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｕｓｄｔｏａｄｊｕｓｔｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｏｕｔｐｕｔ，ｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｅｎｓｏｒｎｏｔｇｅｓｔｕｒｅ，ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｉｓｚｅｒｏ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｖｏｌｔａｇｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｈａｓｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｒｒｏｒｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０．１％．Ｉｔｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏａｍｐｌｉｆｙｔｈｅｗｅａｋｓｉｇｎａｌｏｕｔｐｕｔｂｙｖａｒｉｏｕｓｔｙｐｅｓｏｆｓｅｎｓｏｒｓａｎｄａｓａｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｏｆｓｅｎｓｏｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅａｋｓｉｇｎａｌ；ＡＤ６２０；ｖｏｌｔａｇｅｆｏｌｌｏｗｅｒ；ｚｅｒｏｄｒｉｆｔ０㊀引言随着微电子技术㊁传感器技术和集成电路技术的发展，各型号传感器的检测精度显著提高，信号处理电路成为限制传感器测量精度的瓶颈［１］㊂现有的信号放大电路存在精度差㊁零点调节困难等缺陷，不能满足高精度传感器测量系统的要求，因此设计了一种基于ＡＤ６２０的微弱信号放大器㊂该放大器专用于处理各型号传感器输出的微弱电信号㊂以高精度压力传感器（精度０．０５％）为例，采用设计的基于ＡＤ６２０的微弱信号放大器放大压力传感器输出的微弱电信号，利用最小二乘法拟合出相应的正相关数据曲线并将其换算成相应的压力值，以此验证基于ＡＤ６２０的微弱信号放大器的放大精度［２－３］㊂１㊀系统整体设计基于ＡＤ６２０的微弱信号放大器系统包括电压跟随器㊁ＡＤ６２０放大电路㊁零点偏移电路以及低通滤波电路，系统电路框图如图１所示㊂电压跟随器用于提高系统的输入阻抗，确保传感器输出的信号全都作用到后级放大电路上，零点漂移电路用于调整放大器输出的零点，当传感器未动作时输出电压为零，低通滤波电路进一步滤除信号中夹杂的干扰信号，提高系统放大的精度［４］㊂滤波电路输出的信号一方面可通过Ｖ／Ａ转换电路将传感器输出信号转换为４ ２０ｍＡ电流信号供其他仪表使用，另一方面可通过单片机的Ａ／Ｄ转换器采集滤波电路输出的电压信号，最终计算得到传感器受到的压力值㊂图１㊀系统原理图２㊀基于ＡＤ６２０的微弱信号放大器硬件电路设计２．１㊀电压跟随器为了保证传感器输出的信号无损失地输入ＡＤ６２０放大电路中，在传感器输出的２个信号线中加入电压跟随器，电压跟随器具有输入阻抗高和输出阻㊀㊀㊀㊀㊀４６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＭａｒ．２０２１㊀抗低的特点，还可以将传感器与后级电路隔离开，降低传感器失效时对后级电路的影响［５］㊂电压跟随器预处理电路如图２所示㊂图２㊀电压跟随器电路图电压跟随器采用运放ＯＰＡ２２７７，ＯＰＡ２２７７具有极低的失调电压和温漂，非常适用于微弱信号放大电路中㊂Ｒ１８㊁Ｃ２３和Ｒ２５㊁Ｃ２８共同组成了一阶ＲＣ滤波电路，用于滤除传感器输出信号中的干扰信号，最终信号经过电压跟随器后送入ＡＤ６２０放大电路中㊂２．２㊀ＡＤ６２０放大电路ＡＤ６２０是低成本㊁高精度仪表放大器，只需要通过外接１个电阻就可以实现０ １０００的放大倍数［６］，ＡＤ６２０具有低失调电压，低至５０μＶ；低温漂，可低至０．６μＶ／ħ，其次还具有低噪声㊁低输入偏置电流等优点，非常适用于微弱信号的放大㊂ＡＤ６２０放大电路如图３所示㊂图３㊀ＡＤ６２０放大电路图滑动变阻器Ｒｔ用于调节电路的放大倍数，放大倍数，ＡＤ６２０的引脚５接地表示不需要调整零点，本系统为了使得传感器未动作时，放大器输出零，因此需要外接调零电路㊂ＡＤ６２０的输出电压如式（１）所示：ＯＵＴ１＝Ｇ（ＡＤ＋－ＡＤ－）＋ＡＤＪ（１）式中：ＯＵＴ１为ＡＤ６２０放大器输出电压；Ｇ为ＡＤ６２０的放大倍数；ＡＤ＋㊁ＡＤ－分别为传感器输出的２根信号线；ＡＤＪ为零点偏移的调节电压㊂２．３㊀调零电路当传感器未动作时传感器输出的信号中夹杂噪声信号，经过ＡＤ６２０放大后输出的电压值不为零，因此在电路中引入调零电路来调整放大器输出的零点，使得当传感器未动作时，放大器输出电压为０［７－８］㊂调零电路如图４所示㊂图４㊀调零电路图本系统采用的ＯＰＡ２２７７为双通道的精密运放，利用ＯＰＡ２２７７的第１个通道作为反向比例放大电路，如图４中Ｕ１２Ａ，其目的是将正向端输入的＋５Ｖ变为反向端输出的－５Ｖ，因此滑动变阻器Ｒｂ两端的的电压变化范围在－５ ＋５Ｖ之间，再将ＯＰＡ２２７７的第２个通道作为电压跟随器将电压反馈到ＡＤ６２０的ＲＥＦ端，以此来调节零点㊂由式（１）可知，首先通过调节滑动变阻器Ｒｔ来调节系统的放大倍数，然后再调节滑动变阻器Ｒｂ来调整调零电路的输出电压ＡＤＪ，最终使得在传感器未动作时放大器的输出电压为０㊂２．４㊀滤波电路滤波电路是放大器的重要组成部分，为了有效滤除放大器输出信号中的干扰信号，需要利用有源二阶低通滤波电路滤除信号中的干扰信号［９］㊂系统设置低通滤波电路的截止频率为１０ｋＨｚ，放大增益设为１，二阶有源低通滤波电路如图５所示㊂图５㊀滤波放大电路图２．５㊀Ｖ／Ａ转换电路经过二阶有源低通滤波电路后，可利用Ｖ／Ａ转换电路将放大器输出的０ ３．３Ｖ电压转换为４ ２０ｍＡ㊀㊀㊀㊀㊀第３期窦如凤等：基于ＡＤ６２０的微弱信号放大器设计４７㊀㊀电流信号供其他仪表使用［１０］，Ｖ／Ａ转换电路如图６所示㊂图６㊀Ｖ／Ａ转换电路图３㊀系统性能测试经过二阶有源低通滤波器后输出的电压信号已经非常平稳，此时可利用单片机的Ａ／Ｄ转换器进行采集㊂为了验证系统设计的放大器的放大精度和抗干扰性，系统将放大器配合压力传感器一起测试，首先利用固定砝码对整个放大器系统进行标定，可通过最小二乘法拟合出传感器所受压力值与输出电压的线性曲线，最终计算得到压力值，可通过拟合的线性曲线来求出压力值，以此来证明该放大器的放大精度㊂传感器采用高精度（０．０５％）压力传感器，该传感器的量程为０ ９８０Ｎ，传感器实物图如图７所示㊂图７㊀压力传感器实物图将该传感器接入设计的的放大器电路中，首先通过调节滑动变阻器Ｒｔ来调整放大器的放大倍数，再通过调节零点调整电路中的Ｒｂ，当传感器未受压力时使得放大器输出的电压为０㊂将标准砝码放在传感器上，利用高精度万用表测量放大器的输出电压，测试结果如表１所示㊂针对上述数据利用最小二乘法拟合出数据曲线，线性度非常高，得到线性关系式：ｙ＝０．０２７４７ｘ（２）式中：ｙ为所加的砝码质量，ｋｇ；ｘ为放大器输出的电压值，ｍＶ㊂表１㊀压力与输出电压标定实验标准砝码／ｋｇ放大器输出／ｍＶ００５１８２．０１７１１０３６４．０３４１１５５４６．０５１４２０７２８．０６７９２５９１０．０８４７３０１０９２．１０１０３５１２７４．１１９０４０１４５６．１３５１４５１６３８．１５２３５０１８２０．１６８１㊀㊀再根据拟合出的压力－电压数据曲线，推算传感器加载的压力值，测试数据如表２所示㊂表２㊀放大器精度测试加载砝码质量／ｋｇ放大器输出电压／ｍＶ计算得到砝码质量／ｋｇ相对误差／％５１８２．１６２４５．００４０．０８７２５５．００５５７．００５０．０７９３２７．９２１４９．００８０．０９１０３６４．３２４７１０．００８０．０８１５５４６．５５９９１５．０１４０．０９１６５８２．９６３２１６．０１４０．０９１８６５５．８７９１１８．０１７０．０９２０７２８．６４９４２０．０１６０．０８２４８７４．７２００２４．０１９０．０８２５９１０．７３９０２５．０１８０．０７㊀㊀由上述测量数据可知，系统输出的整体误差小于０．１％，由此可见系统设计的放大器精度高，放大器的误差小于０．１％㊂系统设计的微弱信号放大器可作为各型号传感器的变送器，用于调理传感器输出的信号㊂４㊀结束语本文设计了一种基于ＡＤ６２０的微弱信号放大器，该放大器与传统放大器相比具有如下优势：通过选用高精度㊁低温漂的集成放大器芯片进一步提高系统的测量精度；设计了一种新的调理电路实现放大器的零点调节；在放大器的输出中额外引入Ｖ／Ａ转换电路，可将输出电压转换为４ ２０ｍＡ电流信号供其他仪表使用，扩大了该放大器的使用范围㊂实际测试结果表明，该电压放大器精度高，误差小于０．１％，可用于放大各型号传感器输出的微弱信号以及作为（下转第８１页）㊀㊀㊀㊀㊀第３期苏同发等：基于ＬａｂＶＩＥＷ的定向探管电路产品功能自动检测系统８１㊀㊀上１５Ｖ电压信号和５Ｖ电压信号绘制曲线，如图１０所示㊂在１５０ħ高温交流变化供电阶段１４：０６时３套探管电路均出现１５Ｖ电压信号输出关闭现象而５Ｖ电压信号正常输出的现象，并且３个周期测试中该现象持续存在，定位到１５Ｖ电压输出管理模块存在高温失效问题㊂试验结束后，经过专业工程师分析，确定为ＭＢ上１５Ｖ控制模块元器件问题㊂图１０㊀探管ＰＢ上１５Ｖ和５Ｖ信号图５㊀结束语本文对随钻测井系统中的探管电路的生产过程中的可靠性试验进行了分析，并根据ＨＡＳＳ试验要求及探管电路中ＰＢ㊁ＳＣＢ和ＭＢ的测试功能设计并制造了探管电路自动检测系统㊂该系统能够满足３套探管同时测试并根据预先设定的ＨＡＳＳ试验剖面图方案进行自动循环测试，实时显示测试曲线并记录保存，最后形成报表导出㊂试验结果表明，该系统搭配ＨＡＳＳ试验环境箱能够快速调整方案自动进行可靠性试验，及时发现探管电路缺陷，节省了试验准备与测试时间，缩短了试验周期㊂该系统的投入使用为工业自动化系统开发提供一定的参考㊂参考文献：［１］㊀王兴，姜天杰，尚捷．ＤＲＩＬＯＧ随钻测井系统中定向探管的测量质量分析［Ｊ］．石油管材与仪器，２０１５（４）：５３－５６．［２］㊀岳明亮．Ｄｒｉｌｏｇ随钻测井系统在渤海油田的应用［Ｊ］．海洋石油，２０１７（２）：５５－５９．［３］㊀夏俊生．混合集成电路ＨＡＬＴ和ＨＡＳＳ技术应用研究［Ｊ］．环境技术，２０１０（１）：２７－３３．［４］㊀ＨＯＢＢＳＧＫ．Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：ＨＡＬＴａｎｄＨＡＳＳ［Ｊ］．Ｑｕａｌｉｔｙ＆ＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１５，１６（５）：４５１．［５］㊀ＭＣＬＥＡＮＨＷ．ＨＡＬＴ，ＨＡＳＳ，ａｎｄＨＡＳＡＥｘｐｌａｉｎｅｄ：ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．Ｔｅｃｈｎｏｍｅｔｒｉｃｓ，２００１，４３（４）：４８９－４９０［６］㊀ＧＲＡＹＫＡ，ＰＡＳＣＨＫＥＷＩＴＺＪＪ．Ｈｉｇｈｌｙａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｓｔｒｅｓｓｓｃｒｅｅｎｉｎｇ（ＨＡＳＳ）ａｎｄａｕｄｉｔｓ（ＨＡＳＡ）［Ｍ］／／ＮｅｘｔＧｅｎｅｒａ⁃ｔｉｏｎＨＡＬＴａｎｄＨＡＳＳ：ＲｏｂｕｓｔＤｅｓｉｇｎｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＳｙｓ⁃ｔｅｍｓ．ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｌｔｄ，２０１６．［７］㊀陈树学，刘萱．ＬａｂＶＩＥＷ宝典［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１１．作者简介：苏同发（１９９４ ），硕士研究生，主要研究方向为工业智能制造与自动化系统㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｕｔｏｎｇｆａ２０１８＠１６３．ｃｏｍ张朴（１９６６ ），副教授，博士，主要研究方向为传感技术㊁测控系统及信号处理㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｐｕ３４３０＠ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第４７页）传感器的变送器使用，具有很大的实用意义㊂参考文献：［１］㊀钟维，黄启俊，常胜，等．基于ＳＯＰＣ的复合式生理信号检测系统设计［Ｊ］．传感技术学报，２０１４，２７（４）：４４６－４５１．［２］㊀王明，李在军，杨芩玉．基于ＢＰ神经网络的多功能生物电信号检测系统［Ｊ］．电子技术应用，２０１３．３９（６）：３４－３６．［３］㊀戴澜，洪牙茹．用于微信号检测的新型锁定放大器设计［Ｄ］．北京：北方工业大学，２０１８．［４］㊀常星．基于ＡＤ６２０的心电监测放大信号的设计［Ｊ］．电子质量，２０１６，３６（１０）：４１－４４．［５］㊀曹茂永，王霞，孙农亮．仪用放大器ＡＤ６２０及其应用［Ｊ］．电测与仪表，２０００，３６（１０）：４５－４８．［６］㊀孙倩，付虹，杨本全．用于微弱信号检测的锁定放大器设计［Ｊ］．传感器世界，２０１５，２０（６）：３１－３４．［７］㊀虞波．盐胁迫下小麦对氢气分子的生长响应以及植物体内微弱电信号检测系统的开发研制［Ｄ］．临汾：山西师范大学，２０１７．［８］㊀张嘉伟，高瑞祥，杨成，等．一种具有偏置电流温度补偿的弱信号放大电路［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１９（６）：１１０－１１３．［９］㊀邢亚第．基于ＣＴＩＡ的微弱信号放大电路研究［Ｊ］．微机处理，２０１８，３９（４）：５１－５５．［１０］㊀闫岩．微弱直流电压信号的采集与测量系统［Ｄ］．南京：南京信息工程大学，２０１７．作者简介：窦如凤（１９８４ ），硕士，讲师，主要研究方向为光电检测及光伏器件㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｕａ１０１３＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ井娥林（１９７７ ），硕士，副教授，主要研究方向为电子系统理论与技术㊂。
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发表时间：2016-10-19T17:16:03.230Z 来源：《基层建设》2016年12期作者：王兴东[导读] 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。
快意电梯股份有限公司广东东莞 523000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。
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。
基于单片机的微弱信号放大电路的设计与实现
基于单片机的微弱信号放大电路的设计与实现一、简介基于单片机的微弱信号放大电路是一种结合了单片机技术与微弱信号放大技术的电路，它能够将微弱的输入信号放大成可以用来进行信号采集的信号。
该电路通过使用低噪声、低失真、低功耗的模拟芯片来实现高灵敏度、低噪声、低失真的放大技术，并且还可以使用单片机实现对放大的信号的检测和控制。
二、原理基于单片机的微弱信号放大电路的原理主要是通过将原始信号输入单片机，然后将其转换成PWM（脉宽调制）信号，并通过放大器放大，最后将放大后的信号输出，实现微弱信号的放大。
在放大之前，需要根据不同的应用场景选择合适的放大电路，以便实现最佳的放大效果。
三、实施方案1. 选择放大电路：首先，根据所需要放大的微弱信号的特性，选择适当的放大电路，如放大器、滤波器、正反相等器等；2. 设计控制电路：以单片机为中心，设计出能够控制放大电路的控制电路，包括调节放大增益、灵敏度、响应时间等；3. 设计放大器：根据放大电路的特性，设计放大器，并且根据需要调节增益、带宽、噪声等参数；4. 测试与调试：将放大电路组装完成后，将其连接到单片机上，进行测试、调试，确保系统的正常工作；5. 功能实现：通过上述步骤，完成系统的设计与实现，使得系统能够正常放大微弱信号，并且能够实现对放大信号的检测和控制。
四、总结基于单片机的微弱信号放大电路是一种结合了单片机技术与微弱信号放大技术的电路，它能够将微弱的输入信号放大成可以用来进行信号采集的信号。
它的实施过程主要包括：选择放大电路、设计控制电路、设计放大器、测试与调试、功能实现五个步骤。
基于单片机的微弱信号放大电路的设计与实现，有助于提高系统的灵敏度、噪声抑制能力以及失真度，为信号采集提供了可靠的保障。
基于CTIA的微弱信号放大电路研究
1引言声波是目前海洋中唯一能够远距离传播的能量辐射形式，所以声波成为在浩瀚的大海中进行信息采集、传输的重要载体[1]。
将海水中的声波转换成电信号，就要用到水听器。
水听器包括压电型、磁致伸缩型、动圈式等[2]。
声压水听器探测水下声信号以及噪声声压变化并产生和声压成比例的电压输出。
这种探测技术在很多场景下有它的优势，所以在多个领域比如大型岸基海域防卫警戒系统、舰载声纳阵、海洋噪声监测阵等应用场合都有很高的研究价值和应用前景。
水听器的输出为微弱信号，实际应用中必须进行放大处理。
相比于普通的信号处理电路，去除信号中的直流分量、放大有用信号，在微弱信号处理电路[3]中显得尤为重要。
基于放大需求和输出信号脆弱易失真的矛盾，为了在获取保真输出的同时尽量不牺牲放大倍数，研究了一种CTIA 型积分放大与采样保持电路，其特点是信号输出直流偏置不受制于前端输入直流偏置。
从理论上讲，此电路系统与嵌入式系统的时序控制偏置反馈功能相结合，能在极大程度上解决水听器信号失真问题，同时保证电路的放大倍数需求。
基于CTIA 的微弱信号放大电路研究邢亚第（中船重工集团公司第七二六研究所,上海201108）摘要:获得尽可能大的放大倍数与运放饱和输出导致信号失真的矛盾，制约着微弱信号放大调理电路的整体性能。
由于水听器及其他产生微弱信号的传感器的一致性原因，其输出信号的微小偏移可能导致放大电路的饱和失真。
如果不能很好地解决该问题，数据采集系统将不得不以降低电路放大倍数为代价以获得不失真数据。
介绍了一种信号输出直流偏置不依赖于前端输入直流偏置的CTIA 型积分放大与采样保持电路。
理论上，配合嵌入式系统提供的时序控制与偏置反馈功能，该电路可以很好地解决由于水听器输出一致性原因导致的信号失真问题，保证了电路的放大倍数的需求。
关键词：水声器；微弱信号；积分放大；CTIA 电路；采样保持DOI ：10.3969/j.issn.1002-2279.2018.02.014中图分类号:TN722.5文献标识码:A 文章编号：1002-2279（2018）02-0054-03Research on Weak Signal Amplifying Circuit Based on CTIAXING Yadi(The 726Research Institute,CSCI,Shanghai 201108,China)Abstract:The contradiction between the maximum amplification factor to gain and the saturation output of the op-amp which leads to signal distortion,restricts the overall performance of the weak signal amplifying and conditioning circuit.Due to the consistency of hydrophones and other sensors that pro⁃duce weak signals,small shifts in their output signals may result in saturation distortion of the amplifica⁃tion circuit.If this problem is not solved well,that data acquisition system will have to obtain undistort⁃ed data at the expense of reducing the amplification factor of the circuit.This paper introduces a CTIA-type integrated amplifier and sample -and -hold circuit whose signal output DC bias is independent of front-end input DC bias.In theory,with the timing control and bias feedback function provided by em⁃bedded system,this circuit can solve the problem of signal distortion caused by the consistency of hy⁃drophone output,and ensure the requirements of the amplification factor of the circuit.Key words:Hydroacoustic device;Weak signal;Integrated amplify;CTIA;Sample-and-hold作者简介：邢亚第(1983—)，男，河北省大城县人，硕士，工程师，主研方向：嵌入式系统应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
随着科学技术的不断发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测(如、弱光、微温差、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视。
而对于众多的微弱量一般都通过各种传感器、放大器作非电量转换的，使检测对象变换成可测的电量。
但微弱检测本身的涨落，以及传感器的优劣与检测系统的噪声影响，从而影响总的检测效果。
目前，相干检测技术是使信噪比改善最大，恢复信号原形最佳的技术，同时也是众多检测技术中最成熟的技术。
锁相放大器是在50年代发展起来的相敏检波器的基础上发展起来的新型微弱光电信号检测仪器，它用于测量深埋在噪声或直流漂移中极其微弱的光电信号，在科学研究和工业生产中得到越来越广泛的应用。
本文在分析锁相放大器的电路构成、工作原理和设计要求的基础上，本着精确、实用、稳定、节约开支的原则，提出锁相放大器各部分的设计思路，并由此研制了一款便于自制的锁相放大器。
2 锁定放大原理锁相放大器采用的是外差式振荡技术，它把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。
即利用锁相放大器中的信号相关原理，对两个混有噪声的周期信号进行相乘和积分处理后,将信号从噪声中检测出来，并达到通过互相关运算削弱噪声影响的目的。
设是伴有噪声的周期信号,即:X(t)= S(t)+N ( t)=sin()()A wt N t+ϕ+其中，N(t)为随机噪声， S(t)为有用信号，A为其幅值，角频率为ω，初相角为φ。
参考正弦信号为: Y ( t) =sin()()B wt M t+τ+其中，B 为其幅值，τ是时间位移，()M t为随机噪声。
则两者的相关函数为：01()lim[sin()()][sin()()]TT Rxy t B wt M t A wt N t dt T →∞=+τ++ϕ+⎰ cos()()2AB wt Rny t =+∅+ 由于在被测量的信号里所包含的各种信号分量中,参考信号Y(t)的频率只与输入的有用信号频率相关，与随机噪声N( t)的频率不相关，且有用信号S ( t)与随机噪声()M t 之间及噪声与噪声之间的频率也均相互独立，所以它们的相关函数为零，即()Rny t =0。
于是，就有()Rny t cos()2ABwt =+∅ 。
从而,令锁相 放大器实现了从噪声中提取有用信号的目的。
理论上已证明，当信号的频率和相位已知，采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大。
3 锁相放大器结构分析锁定放大器一种利用相关检测技术实现微弱信号检测的仪器，它能精确测量被掩埋在噪声中的微弱信号。
锁相放大器的输入为正弦波或方波交流信号，其输出为正比于输入波形幅值的直流信号。
锁定放大器的基本组成如图（1），包括信号通道、参考通道、相敏检测器（PSD ）和低通滤波器（LPF ）等。
（1）信号通道对输入信号进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。
（2）参考通道的功能是为相敏检测器提供与被测信号相干的控制信号，故参考输入必须是与被测信号相关的同频信号。
参考通道的输出r(t)可以是正弦波，也可以是方波，但为了防止r(t)的幅度漂移影响锁定放大器的输出精度，r(t)最好采用采用占空比为50%的方波开关信号，用电子开关实现相敏检测。
（3）相敏检波器的输出通过低通滤波器压缩带宽，大量的宽带噪声被滤除，使锁相放大器具有很强的抑制噪声能力。
锁相放大器的通带宽度取决于低通滤波器的时间常数，时间常数越长，带宽越窄，对信噪比的改善也就越高。
信噪比的改善与时间常数的平方根成正比。
为使LPF 的输出满足要求，常常使用直流放大器对其输出进行放大。
简言之锁相放大器就是将深埋在噪声中特定频率的微弱信号提取出来并进行放大。
4 具体电路设计及分析4.1前置放大电路红外信号检测的前置低噪声放大滤波电路如图（2）。
OPA27是一种低噪声精密集成运算放大器，具有共模抑制能力和电源噪声抑制能力强以及高稳定、低失调、超低噪声等特点。
红外传感器输出的微弱电信号经耦合电容C（滤除直流电压）加之OPA27的同相输入端经低噪声放大及滤波后输出。
为达到高性能电阻应选用金属膜电阻器，电容应选用云母电容器。
1uoAuui==+其截止频率约为170HZ。
为防止因噪声过大而使后级PSD过载这里其放大倍数增益设计为可调11—100倍。
图（2）前置低噪声滤波放大电路4.2参考频率产生电路由于红外传感器输出为频率固定的60HZ的方波，可选用555时基电路构成方波发生器产生频率为方波，作为参考信号的输入。
其电路如图（3）输出高电平时间t H和低电平时间t L的计算方法如下：t H= 0.693(R A+ R B)Ct L= 0.693R B C周期= t H+ t L= 0.693 (R A+ 2R B)C图（3）参考信号产生电路经计算这里选取C=1uF，RA=0.1K,RB=12K.其输出频率为f=1/(0.693*(RA+2RB)*C)=60HZ4.3锁相电路锁相环CD4046为数字锁相环(PLL)芯片，内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。
它具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点，其工作频率达1MHz，内部VCO 产生50% 占空比的方波。
锁相环CD4046的一个重要功能是：内部压迫、控振荡器的输出信号从第4脚输出后引至第3脚输入，与从第14脚输入的外部基准频率信号和相位的比较。
当两者频率相同时同，压控振荡器的频率能自动调整，直到与基准频率相同。
4.4相敏检波器采用AD630组成电子开关式相敏检测器。
其电路组成如图（5）。
参考方波信号有CD4046产生，待测信号有引脚1输入，参考方波信号有锁相环CD4046实现，经相关运算后有13引脚输出。
4.5 低通滤波电路图（4）参考信号锁定输出电路图（5）相敏检波电路图（6）低通滤波及直流放大电路4.6总体性能估计系统总体电路原理图见附录。
此电路做到其输出增益可调（1100—20000倍放大），动态范围大，测量灵敏度高能将几十微伏的微弱信号进行精确提取放大。
此电路针对特定频率的传感器信号（即输出60HZ）进行设计，故其频率特性不满足的传感器信号无效。
因为IC锁相环CD4046具有自动捕捉输入信号频率的功能，故为改善其测量使用范围可将CD4046的输入端接至前置放大器的输出端使其自动跟踪所测信号频率，实现输入可调放大，此时。
在这种情况下当噪声比较严重时其输出性能可能会有所下降。
5 在锁相放大器的应用中需要考虑的若干问题1．LIA的功能相当于一种抑制噪声能力很强的交流电压表，其输入是正弦波或方波交流信号，输出是正比于输入波形幅值的直流信号。
如果被测信号不是交流信号，则需要用调制或斩波的方式将其变换成交流信号。
2．L IA的参考信号输入必须是与被测信号相关的同频信号。
如果确实不能获得合适的同频参考信号，则可用锁相环进行自动频率跟踪检测。
3．L IA的信号输入前置级放大器工作参数的选择，必须根据放大器的噪声因子，在给定的工作频率下进行输入电阻匹配，以获得最佳噪声特性。
6 结束语锁相放大器是一种高性能的通用测量仪器，它能精确地测量被掩埋在噪音中的微弱信号。
随着科学技术的飞速发展，在电子学、信息科学、光学、电磁学、低温物理等许多领域,越来越需要测量深埋在噪音中的微弱信号。
本文介绍了一种低成本，灵活性高的锁相器。
参考文献[1] 高晋占.微弱信号检测.清华大学出版社.2004.11[2] 陈银根.微弱信号检测技术的研究.江西科学22(3).2004.8[3] 刘铁军,王保良等一种工作频率可调的锁定放大电路在液体微弱电导测量中的应用.传感技术学报19（2），2006.4 [4] 施风荣.锁相放大器的设计.湖南工业职业技术学院学报7(3).2007.9[5] 朱虹,林君.参考信号频率自调整的锁定放大器的设计应用.仪器仪表学报25(4).2004.8[6] 郑君里.信号与系统[M].北京:高等教育出版社,2001.[7] 王松武.电子仪器原理与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工程出版社,2001.[8] 宋启峰.电子测量技术[M].重庆:重庆大学出版社, 2000.[9] TRohe, W Beeker. A reyetal. J.NearInfrared Spec-trosc. 1998.[10]Farme V.C.,The infrared spectra ofminerals.Mineral.Soe.Monog.1974,4[11]LuJ-C.ADigitalFrequencySynthesizer-PhaseSensitiveDe-tector[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeas-urement,JUNE1998,37(2).附录系统总体设计原理图。