高精度弱信号放大电路的设计6-26
一种测量微弱信号的锁定放大电路设计
第26卷 第5期2002年10月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Journal of Wuhan University of Technolo gy(T r anspo rtat ion Science &Engineer ing )V ol.26 N o.5O ct.2002一种测量微弱信号的锁定放大电路设计刘红丽 李昌禧(华中科技大学控制科学与工程系 武汉 430074)摘要:分析了基于相关技术测量微弱信号的锁定放大电路的工作原理和各组成部分.针对非接触式基于多磁场涡流效应的D C 微小电流传感器,设计了一种实用的锁定放大电路,并进行了实验性研究.研究结果表明:采用了锁定放大电路DC 微小电流传感器可直接测量1mA 以下D C 微小电流,灵敏度可达20mV /mA.锁定放大电路不仅能测量周期信号,还能测量非周期信号,后者可通过调制的方法将其变成周期信号再进行测量.关键词:微弱信号;锁定放大电路;非接触式中图法分类号:T P 274 锁定放大电路利用相关检测技术,基于互相关原理,使输入待测的微弱周期信号与频率相同的参考信号在相关器中实现互相关,从而将深埋在大量的非相关噪声中的微弱有用信号检测出来,起着检测器和窄带滤波的双重作用.1 锁定放大电路的工作原理[1]锁定放大电路检测微弱信号采用了互相关原理,利用参考信号与输入的有用信号具有相关性,而参考信号与噪声互不相关,通过相敏检波及低通滤波完成互相关运算,从而达到抑制噪声的目的.互相关原理图如图1所示.图1 互相关原理图设输入信号 f 1(t )=s 1(t )+n (t )式中:s 1(t )为有用的输入信号,n (t )为噪声. 参考信号 f 2(t )=s 2(t )则二者的互相关函数为 R 12( )=lim T →∞12T ∫T-Tf 1(t )f 2(t - )d t = lim T →∞[12T ∫T-Ts 1(t )s 2(t - )d t + 12T ∫T-Tn (t )s 2(t - )d t ]= R s 1s 2( )+R ns 2( )=R s 1s 2( )(1) 由于参考信号与噪声不相关,当 →∞时,R ns 2()=0,因此互相关接收的只有输入信号与参考信号的相关输出,去掉了噪声项,提高了输出信噪比.互相关函数关键是两函数相乘,即s 1(t )×s 2(t ),通常可用锁定放大电路中的相敏检波器来完成.相敏检波器相当于模拟乘法器,其输出是输入信号和参考信号的乘积.在锁定放大器中,参考信号只能是和待测信号同步的方波.设实验研究用的非接触式DC 微小传感器的输出信号为带噪声的调幅正弦波 V i (t )=E i cos m t cos 0t +n (t ) =12E i cos ( 0+ m )t + 12E i cos ( 0- m )t +n (t )(2)式中: m 为调制频率; 0为载波频率;E i 为幅值;n (t )为噪声.参考信号的傅氏级数表示式为V R =E R4 ∑∞k =012k +1cos [(2k +1) 1t ](3)式中:E R 为方波的幅值;k =0,1,2,…; 1为方波基波频率.收稿日期:20020613 刘红丽:女,34岁,讲师,博士生,主要研究领域为传感器和检测技术相敏检波器的输出为V 01=V i V R =∑∞k =0E i E R(2k +1) cos [ 0+ m +(2k +1) 1]t +∑∞k =0E i E R(2k +1)cos [ 0+m -(2k +1) 1]t +∑∞k =0E i E R(2k +1)cos [ 0- m +(2k +1) 1]t +∑∞k =0E i E R(2k +1)cos [ 0- m -(2k +1) 1]t +∑∞k =04E R(2k +1)×co s [(2k +1) 1t ]n (t )(4) 从式(4)可以看出,相敏检波器的输出项的最后项为零,前4项包含了信号频率( 0+ m , 0- m )与全部方波基频 1的奇次谐波的和频与差频的大量谐波分量.在同步的情况下,相敏检波器的谐波响应与谐波数(2n +1)成反比.当输入信号的载波频率与参考信号频率的基波相等,即 0= 1时,分出k =0次项,则式(4)为 V 02=E i E R[cos(2 0+ m )t + co s(2 0- m )t +2cos m t ](5)由于载波频率 0远大于被检测信号的频率 m ,在相敏检波器的输出端接一个低通滤波器LPF,可滤掉高次谐波成分和V 02的前两项,其输出电压为调制信号,即V 03=c2E i E Rcos m t (6)式中:c 为常数.2 锁定放大电路的组成根据锁定放大电路的工作原理设计电路.锁定放大器可分为3个主要部分:信号通道、参考通道、相敏检波及低通滤波器LPF.其框图如图2.图2 锁定放大器的简化框图 信号通道由AC 前置放大电路、带通滤波电路及选频放大电路组成.其作用是将伴有噪声的输入信号放大,并经选频放大对噪声作初步处理.参考通道由方波发生电路和移相电路组成,其作用是提供一个与输入信号同相的方波,调整移相电路使参考信号与有用信号相位一致,从而信噪比改善为最佳.相敏检波的作用是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,经过低通滤波器滤掉高次谐波和高频信号成分,这时的等效噪声带宽很窄,从而可以提取深埋在噪声中的微弱信号.精密交直流转换电路将低通滤波器输出的交流信号转换为直流电压,便于测量和与计算机接口.3 应用举例根据锁定放大电路的工作原理及组成,针对非接触式基于多磁场涡流效应的DC 微小电流传感器[2],设计了相应的测量电路,并进行了实验性研究.该传感器的测量电路方框图如图3所示. 正弦波发生电路采用高稳定性的RC 振荡电路[3],它们产生的调制信号f m 和载波信号f 0同图3 非接触式基于多磁场涡流效应的DC 微小电流传感器的测量电路・620・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2002年 第26卷时加在模拟乘法器M C 1496的输入端,该乘法器输出的调幅波电流信号i (t )经功率放大器TDA2030放大后直接加在非接触式基于多磁场涡流效应DC 微小电流传感器的激励绕组上.选择载波频率f 0=3910Hz ,调制频率f m =391Hz.传感器的输出为如式(2)所示带噪声调幅波.调制信号的幅值与被测DC 微小电流存在正比例的关系,只要检测出被调制信号的幅值,便可得到被测的DC 微小电流大小,从而达到测量的目的.前置放大器选择高精度自稳零斩波集成运算放大器ICL7650,其共模抑制比、电压抑制比、上升速度和开环增益均很高,外接元件少,使用较灵活,适宜对微弱信号进行放大.晶振和分频电路采用2M 石英晶振与分频器CC4020,产生方波信号,如式(3)所示,方波频率为7812kHz,与载波频率相等.0°～180°的移相电路使方波信号可在180°的范围内改变相位,与调幅波同相,使输出信噪比最大.相敏检波器采用高精度同步解调器AD 630,AD 630相当于一个模拟乘法器,将传感器的输出电压和参考的方波电压相乘,适用于从含有干扰噪声的调幅波中精密检出被调制的信号.AD630的输出电压如式(4).低通滤波器的中心频率选择为391Hz,可很好地滤掉相敏检波器输出信号中的高次谐波和高频信号,其输出电压如式(6).精密交-直流转换电路由全波整流电路和滤波电容组成,其作用是将低通滤波器输出的交流信号转换为直流信号,既便于用高精度的数字万用表进行直接测量,也便于对微弱信号的智能化测量.表1是将上述电路应用到非接触式基于多磁场涡流效应的DC 微小电流传感器上进行实验性研究所得到的实验结果.实验结果表明:该传感器的灵敏度可达20mV /mA ,精度为0.05%.由此可见,这是一种高精度、实用的锁定放大电路.表1 DC 微小电流传感器采用 锁定放大器的实验结果被测直流微小电流/mA锁定放大器输出电压/mV 1 20.3122 42.243 62.534 80.685 100.286 120.443 结束语锁定放大电路具有极强的抗噪声性能,它和一般的交流放大电路不同,输出的信号并不是对待测信号的简单放大,而是把待测信号中与参考信号同步的那部分信号放大检测出来,并变成相应的直流信号.该电路主要用来测量周期性电压或电流信号,对于非周期性的电压或电流信号,可通过调制方法将其调制成周期信号再进行测量.该电路还适用于其他一些微弱信号传感器,根据传感器输出信号的频率,只须改变正弦波发生电路以及方波发生电路的某些参数即可.参考文献1 曾庆勇.微弱信号检测.杭州:浙江大学出版社,1994.47～1052 刘红丽.一种非接触式DC 微小电流传感器的研究.武汉交通科技大学学报,1998,22(3):298～3003 李瑞麟.高稳定性的RC 振荡电路.电测与仪表,1992(9):37～38Design of Lock-in Amplifier Circuit to M easure W eak Sig nalLiu Hongli Li Changxi(Dep ar tment of Contr ol S cience &E ngineering ,H US T ,W uhan 430074)AbstractThis paper analy ses the o perating principle and every component of a lo ck-in amplifier (LIA)to measure weak signal adopting r elation technolog y.Being aimed at a non-contact type DC weak current sensor em plo ying multifield eddy -current effects ,a practical LIA is desig ned ,and the ex perimental re-searches are carried o n .The ex perimental result sho ws that the DC w eak current sensor adopting LIA can m easur e DC w eak current less than 1mA directly w ith sensitivity of 20mV /mA.LIA may not only measure per io dic sig nals,but also measure non-periodic signals after mo dulated to periodic signals.Key words :weak sig nal ;lock -in amplifer ;non contact type・621・ 第5期刘红丽等:一种测量微弱信号的锁定放大电路设计。
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。
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。
如何实现微弱信号放大
一、如何实现微弱信号放大？传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？张世龙指出，对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果，必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段，而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。
这种同步检测电路类似于锁相放大器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。
他表示，需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。
另外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关。
另有工程师朋友建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。
有网友对这类问题的解决也进行了补充，如网友“1sword”建议：1)电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、BB(已被TI收购)、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。
2)推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，可以大大改善电路抗干扰能力。
3)对于传感器输出的nA级，选择输入电流pA级的运放即可。
如果对速度没有多大的要求，运放也不贵。
仪表放大器当然最好了，就是成本高些。
4)若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M欧级好一些。
否则对电阻要求比较高。
后级再进行2级放大，中间加入简单的高通电路，抑制50Hz干扰。
二、运算放大器的偏置设置在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？有的网友建议用参考电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，有的网友建议用电阻，理由是成本低而且方便，对此，张世龙没有特别指出用何种方式，只是强调双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。
这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。
纳伏级微弱信号放大电路的设计
—
３ 示 】 所 。
Ｒ Ｇ
Ｉ Ｎ
系统时 ， 必须确保第一级的噪声系数足够小。整个 检测电路的噪声系数主要取决于前置放大器 的噪 声系数 ， 而电路百检测的最小信号也主要取决于前 丁 置放大器的噪声。因此 ， 前置放大器 的器件选择
仿真设计， 最终选用Ａ Ｄ公 司的超低噪声差分信号放大芯） Ｄ ２ ， ￣Ａ ６ ０ 放大倍数为１倍， ０ 降低了等效输入噪
声。 计了相应 的 信号调 理 电路 ， 设 采用 多级 放 火 电路 组态 方 式 ， 用 超低 噪声 四运 放 （ Ｐ ７Ａ） 组建 多 运 Ｏ ４０ 来
级带通滤波器， 经过多级滤波、 多级放大， 逐步提高信噪比。 通过实验， 采用不同频段的噪声， 验证Ｓ ＮＲ的 改善情况。 利用Ｍｕ ｉｍ仿真软件对系统噪声进行了分析， ｌｓ ｔｉ 分析结果显示， 在低频段有效地抑制对电路造
Ｉｓｒ ｍｅ ｔｔ ｎ Ａｍｐｉ ｅ ［ ． ｌ ｓＡｎ ｌｇ ｎｔ ｕ ｎａｉ ｏ ｌ ｉｒＯＬ］ Ｄａｌ ： ｏｏ ｆ ａ
成 ３Ｈ 正 弦 波 ，ＸＳ 为 示 波器 ，用来 显 示 输 出 ｚ Ｃ１
４ 系统 噪声分 析
Ｎ 的 Ｍｕ ｉｍ软件能够帮助对电路的噪声 陛 Ｉ ｌｓ ｔｉ 能进行统计分析 嘲 ，它可以将系统 内的所有器 件
信号的波形。仿真结果如图 ｓ 所示 ： ｂ 放大倍数为
１ 倍。 （ ）
｛ Ｉ 具 与解 决 方案 鹦试
ｗ ｈｉ ｈ ｓｔ ａ ｖｏ ｔ ｅ ｅ ｅ ｌ ｃ ｉ ｈｅ Ｎ ｎ ｌｍ ｔ ｒｌ ｖｅ
ＡｎＷ ｅ ｏ ｇ ｉ ｅ ａ ｚ ｏ ，ＬｕＰｎ ａ ｉ ｎ ，Ｌｕ ｉ，Ｂ ｏＤｅｈ ｕ ｉ ｉｇｎ ｄ Ｊ
低噪声高灵敏度弱信号放大技术分析
• 166•装配及工具库拆卸拾取技术研究：制造技术与机床，2017）。
总结相关的适用于该产品模型的装配规则，相关的规则如下：1）基础零件优先安装，在同一层次中，零部件的连接关系最多的作为基础件，同时体积较大的基础件优先安装。
2）功能零件安装，在装配的过程中，一些零件有特殊的功能性，在安装这些功能零件的过程中，过盈配合优先安装，然后是过渡配合，最后是间隙配合的安装。
3）连接件的装配，在装配过程中，对于一些连接件，要考虑必须的连接关系，防止连接件安装不上的情况。
我们以装配的连续性和装配效率的提升作为装配序列优化的目标，通过对目标的分析，根据已知的装配规则，总结相关装配工艺，将适应度函数设置如下：其中，是对于基础件的安装定义，是对于功能零件的安表1 某控制舱零件名称列表零件名称编号舱体1舵机2轴承3舱体侧盖4舵翼5热电池6舵机控制器7舱体后盖8利用c++实现遗传算法的应用研究，在设定遗传参数时，将交叉概率设置为0.7，变异概率设置为0.35，进化代数设置为500代。
通过遗传算图3 某控制舱三维模型图装，和是对于连接关系的安装关系评价。
对于这4个函数，若装配规则成立时为1，装配规则不成立是为0，ω相应的函数的权重，根据相关的装配规则的重要程度，分配权值，且权重之和为1。
3.实例验证如图3为某控制舱的三维模型图，通过对其模型进行一定的简化，去掉不会影响装配序列的零件，分析主要的装配零件，最终得到由以下的零件列表，如表1所示。
图4 利用遗传算法优化后的装配序列法的运行，以及多次尝试，程序最后得到较为优化的结果如图4所示。
通过对这些装配序列进行分析可以得出，利用遗传算法得到的装配序列比较好的契合了实际装配的过程。
4.总结本文利用总结的装配规则和遗传算法进行装配序列优化，通过选择合适的遗传算子，设置合理的适应度函数，优化得到装配序列。
为了保证遗传算法在装配序列规划方面的普遍性，需要进一步地对装配规则进行细化，以及考虑如何量化装配规则以便在适应度函数中有较好的应用。
高精度宽动态微弱电流放大器设计
仪器研制与开发高精度宽动态微弱电流放大器设计许成鑫1 黄 伟1 杨义新1 崔晓英2 崔佳嵩3（1. 聚光科技（杭州）股份有限公司，浙江杭州 310052；2. 上海诺基亚贝尔股份有限公司，浙江杭州 310052；3.哈尔滨电工仪表研究所，黑龙江哈尔滨 150028 ）摘 要 微弱信号检测，尤其是微弱电流信号的检测，是发展高精尖技术、发现和探索新的客观世界规律的重要方法，广泛应用于分析化学、测试计量、航空航天、生物医学、地理学、物理学等领域，对推动有关方面的发展具有重大的意义。
微弱电流检测属于微弱信号检测的一个重要的分支；微弱电流有个普遍的定义，即不大于10-6安培的电流信号，因为其极其容易被噪声吞没的性质，使得其检测下限很难达到皮安级别水平，即使能够达到该水平也难以保证160dB的动态范围，鉴于此，本文提出了一种基于匹配三极管的开平方电路测量方案，实现了0.1pA 到1uA范围内的微弱电流测量，动态范围高达160dB。
关键词 微弱电流放大；高精度；宽动态；匹配三极管；I-V转换Design of micro-current amplifier with high precision and wide dynamic rangeXu Chengxin1; Huang Wei; Yang Yixin1; Cui Xiaoying2; Cui Jiasong3(1.Focused Photonics(HangZhou),Inc., Hangzhou, 310052, China; 2.Shanghai Nokia Bell co.,LTD. Hangzhou, 310052, China.;3.Harbin Research Institute of Electrical Instrument co. LTD, Harbin 150028, Heilongjiang, China)Abstract Weak signal detection methods are widely used in various fields, such as analytical chemistry, test and measurement, aerospace, bio medicine, geography, physics, and so on. With the increasing demand, the need for accurate detection of weak signals is very urgent. Weak signal detection technology is an important way to develop advanced technology, explore and discover new natural laws, and it is of great significance to promote the development of relevant aspects. Weak current detection belongs to a significant branch of weak signal detection. There is a well-known definition of weak current, that is, current less than 10-6 amperes. Because of its characteristics of being easily submerged by noise, its detection lower limit is difficult to reach the level of10-12 amperes, even if it can reach this level, it is difficult to guarantee the dynamic range of 160dB. In this chapter, an amplifier circuit topology is proposed, which allows for both high accuracy and wide dynamic range.Keywords micro-current, high precision, wide dynamic range, matching triode, I-V conversion1 现有方案不足以往基于集成运算放大器的I-V转换法广泛应用于微电流检测中，按照转换方式的不同可以分为积分法和阻抗法两种。
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
微小信号放大电路设计
第27卷第6期增刊 2006年6月仪 器 仪 表 学 报Chinese Journal of Scientific InstrumentVol.27No.6J une.2006 微小信号放大电路设计孟丽霞 于林丽 濮钰麒 王斌 林燕凌 居滋培(上海理工大学 上海 200031)摘 要 热探测传感器当信号较小时,其输出电信号只有几十微伏,需要放大几万倍,才能满足A/D转换的需要,本文介绍的微小信号放大电路不仅满足了电压放大的要求,而且设计了相关的电路,避免了信号失真,以及高频、低频和50Hz市电的干扰。
该电路可广泛适用于仪表的信号处理中。
关键词 电路 信号 滤波Design of amplifying circuit for tiny signalMeng Lixia Yu Linli Pu Yuqi Wang Bin Lin Yanling J u Zipei(Universit y of S hanghai f or S cience and Technolog y,S hanghai200031,China)Abstract To a heat detector,when t he signal is tiny,t he output electrical signal will be only ten times of v,which must be amplified ten thousand times to meet t he need of A/D transformation.The amplifying circuit for tiny signal presented here can not only amplify the voltage,but can also avoid signal distortion caused by dist urbance and t he dist urbances of high frequency,low frequency,and50Hz public frequency.It is widely used in signal processing of instrument s.K ey w ords circuit signal filter1 引 言热探测元件是热探测传感器的核心,这类元件均采用金属氧化物作为材料。
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。
低频小信号放大器电路设计毕业设计
低频小信号放大器电路设计毕业设计(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)低频小信号放大器电路设计摘要实用性低频小信号放大器电路设计，它主要用于使用前置放大器的低频小信号的电压经过集成块LM358的放大使其增益二十几倍，达到信号放大的作用，本文介绍了其基本原理，内容，与低频放大微弱信号放大能力的技术路线，设计电路图方案等。
本系统是基于(IC)LM358设计而成的一种低频小信号放大器，整个电路主要由稳压电源，前置放大电路，波形变换电路3部分。
电源主要是为前置放大器提供稳定的直流电源。
前置放大器主要是由ML358一级放大电路和ML358二级放大电路组成，第一级可以将电压放大5倍，第二级可以放大1-5倍，总增益20-25倍，接通电源后，信号发生器产生信号，示波器用于变换的波形显示。
通过波形的数据变化，计算出增益效果，是否满足设计需求。
该设计的电路结构简单，实用，充分利用了集成功放的优良性能。
实验结果表明，前置放大器的带宽，失真，效率等方面具有较好的指标，具有较高的实用性，为小信号放大器的设计是一个广泛的思考。
关键词：低频小信号，电压放大，前置放大级电路，集成块LM358Design of low frequencysmall signal amplifierAbstract：The utility of low frequency small signal amplifier circuit design, it is mainly used for voltage low frequency small signal using a pre amplifier after amplification integrated block LM358 20 times, achieve signal amplification effect, this paper introduces the basic principle, content, and low frequency amplification technology route of weak signal amplification ability, circuit design scheme.The system is based on (IC) a low frequency small signal amplifier LM358 designed, the whole circuit is mainly composed of a regulated power supply, preamplifier circuit, a waveform transform circuit 3 parts. The power supply is mainly to provide a stable DC power for the preamplifier. The preamplifier is mainly composed of ML358 amplifier and ML358 two stage amplifier circuit, the first stage of the voltage can be magnified 5 times, second can be magnified 1-5 times, 20-25 times of the total gain, power, signal generator generates a signal, oscilloscope is used to transform the waveform display. By the waveform data changes, calculated the gain effect, whether meet the design requirements.The design of the circuit structure is simple, practical, make full use of the excellent performance of the integrated amplifier. The experimental results show that, the pre amplifier bandwidth, distortion, ,preamplifiercircuit，Integrated block LM358 目录第1章绪论 (1)前言 (3)1.1课题研究背景 (3)1.2课题主要研究内容 (4)第2章设计方案分析 (5)2.1设计任务 (6)2.2设计分析 (7)2.2.1设计技术指标 (7)2.2.2集成块LM358的介绍 (8)2.3 LM358概述 (9)2.3.1 LM358的原理与应用 (9)2.3.2 LM358行情介绍 (10)第3章前置放大器的设置原理描述 (10)3.1总体方框图设计 (11)3.2方案设计与论证 (12)3.3前置放大电路设计 (13)3.4电压跟随器电路设计 (16)第4章软件介绍 (17)4.1 proteus仿真软件概述 (19)第5章系统的软硬件调试 (22)5.1实验电路功能的测试 (23)5.2硬件调试 (23)5.2.1上电前的调试 (23)5.2.2 上电调试 (24)5.3各模块调试 (24)5.4整机调试 (25)第6章详细元器件清单 (25)6.1电路图汇总 (26)6.2实验仪器清单 (26)6.3实验元器件清单如下表 (27)结论 (27)致谢 (28)参考文献 (31)附录 (32)第1章绪论前言在科学研究和工程实践中，经常遇到的微伏级信号的检测有问题，如材料分析的地震波速度，测定，测量卫星信号接收器的荧光强度，红外检测的生物信号测量等。
一种传感器微弱信号放大电路的设计
一种传感器微弱信号放大电路的设计蒋锟林【摘要】对声频特别是次声频微弱信号放大的主要难点进行了分析,并提出一些解决办法.重点介绍斩波稳零运算放大器的基本原理及主要技术特性.同时,介绍了一种典型的实用电路的设计,并给出了该电路在应用时的一些注意事项.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2013(037)011【总页数】4页(P25-27,36)【关键词】传感器;微弱信号;斩波稳零;失调电压;温度漂移【作者】蒋锟林【作者单位】中国电子科技集团公司第三研究所,北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN721 引言在现有集成传感器技术中，将微弱信号放大的读出电路是音频网络融集的重要接口电路。
把微伏级的声频特别是次声频微弱信号放大到数伏幅度的大信号，需要一个高倍率的放大器，而运算放大器的基本电路就是一个高倍率的直流放大器。
但是，直流放大器的最大弊病是增益与漂移之间的矛盾。
由于漂移使运算放大器的运算结果产生一定的误差，并随时间的延长，温度的变化，这一漂移误差会随之增加［1］。
另外，运算放大器零输入时，必须零输出，以保证其直流工作点不受信号源及负载的影响，这就要求放大电路中有调零装置。
一般运放只具有mV级的失调电压和每摄氏度数微伏的温度漂移，因而对10 mV以下的低电平信号放大十分困难［2］。
但是，在自动控制的许多重要应用场合，用于传感器、变送器等微弱信号电压的放大，要求放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声、低失调电压和温度漂移等特性，否则会使系统无法工作。
在20 Hz～20 kHz频率范围内的D类音频微弱信号放大中，运放的失真主要由电压失调和1/f噪声所引起，解决问题的最好办法就是采用自动稳零和斩波技术［3］。
由于斩波技术是采取调制和解调的方法，将失调电压和1/f噪声调制到高频端，并用低通滤波器滤除，而有用信号则经调制后又解调到基带。
这一过程不会产生白噪声的混叠。
但是，斩波开关电荷注入和电荷馈通效应，仍然会产生约100 μV的残余电压失调，而且斩波开关的使用，器件的热噪声电平将会增加，为此，常采用T/H(跟踪/保持)技术，使电路在高斩波频率(如150 kHz)时，使输入等效噪声达到 3 1.12 nV/随着满足以上性能要求的运算放大器的出现，研制出放大微伏级微弱信号的放大器已有可能。
高精度弱信号放大电路的设计6-26
高精度弱信号放大电路的设计尤啟明，周俊，詹康，蔡桢荻，吴继新（江汉大学物理与信息工程学院，湖北武汉430056）摘要本文针对电阻应变式电子秤的设计，分析了如何设计高精度弱信号放大电路。
从系统的整体性角度，介绍了电子秤的设计，重点从信号产生、信号分析、信号处理和信号采集等过程，来完整地讲述高精度弱信号放大电路的设计要领。
实验结果表明：在电子秤称重范围内，测量重量小于50g，称重误差小于0.5g；重量在50g及以上，称重误差小于1g；数据抖动现象不再明显。
充分验证了此高精度弱信号放大电路设计方法的可靠性。
关键词弱信号；电子秤；信噪比；放大电路；低通滤波Design of High Precision and Weak Signal AmplifierYOU Qiming,ZHOUJun, ZHAN Kang,CAI Zhendi,WUJixin(School of Physics & Information Engineering, Jianghan University, Wuhan 430056, China) Abstract Aiming at the design of resistance strain gauge electronic scale, this essay will analysis how to design a high precision and weak signal amplifier in detail. It introduces the entire system design of the electronic scale, and stresses on the processes of the signal generation, analyzing, processing and acquiring to present the techniques and skills of the circuit design thoroughly. The results of the experiment show that within the weighing range of the electronic scale, the weighing error is below 0.5g when weighing range is under 50g, while below 1g when above 50g, with no obvious unsteady data. It gives an evidence of the reliability for this high precision and weak signal amplifier.Key words weak signal; electronic scale;signal-to-noise ratio;amplifier;low-pass filter1. 引言随着科技的不断发展,被噪声掩盖的弱信号的检测(如弱光、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视[1]，高精度放大技术也日益重要。
高精度、高稳定度微弱信号放大器的设计
4.1 测试结果 笔者设计的微弱信号放大电路 经过长时间通电测试 输出电压漂移仅为±1mv 稳定度
较高 放大倍数测量数据表 1 从表 1 中可以看出 Av=9.7 Av%=0.97%<1% 线性度良好 能满足高精确度测量的要求
4.2 结 论 从测试结果可以看出 该微弱信号放大器具备高稳定度 高精确度的特点 并可通过改
万方数据
高精度、高稳定度微弱信号放大器的设计
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
任志山， 黄春耀 龙岩高等师范专科学校,物理系,福建,龙岩,364000
漳州师范学院学报(自然科学版) JOURNAL OF ZHANGZHOU TEACHERS COLLEGE(NATURAL SCIENCE) 2003,16(3) 8次
选用 ICL7650 集成运算放大器 采用仪用放大器电路的设计方案 设计出高精度 高稳 定度的微弱信号放大器
2 集成运算放大器的选择
2.1 ICL7650 的选择 笔者原计划直接选用仪用放大器 虽然仪用放大器的输入阻抗高 易于与各种信号源相
匹配 且稳定性也较好 但由于本系统对微弱信号放大器的精度 稳定度的要求很高 选用 了几种性能较好的仪用放大器皆不能满足要求 最后选用集成运算放大器 ICL7650 ICL7650 是 Intersil 公司利用动态校零技术和先进的 CMOS 工艺制成的斩波稳零式高精度运算放大器 具有超低失调和超低漂移 高增益 高输入阻抗的特点 性能极为优越稳定 因而在精密仪 表及过程控制系统中作为前置放大器应用很广 2.2 ICL7650 的 主 要 特 点
1 前言
由于现今各类传感器输出的信号多为微弱的直流电压信号 而测量仪表大都使用单片机 控制 这就需要将这些微弱的直流电压信号经放大器放大后接入 A/D 转换器供单片机处理 因此该仪表中微弱信号放大器精度 稳定度的高低直接关系到仪表性能的好坏 笔者所要设 计的微弱信号放大器 系统要求将 0–5mv 的微弱直流信号放大到 0–5v 供 12 位 A/D 转换器 使用 即转换精度达到 1.2mv 因此对该放大器的稳定性 线性等技术指标要求很高 笔者
基于加速度传感器的通信微弱信号放大电路设计
基于加速度传感器的通信微弱信号放大电路设计发表时间：2018-10-15T09:31:09.710Z 来源：《知识-力量》6中作者：陶玉标[导读] 通信微弱信号主要应用于振动勘探中，利用信号波的震动信号来分析状态通信，从而接收通信信息。
加速度传感器具有模量变化小，频率低，信号幅度小等优点，因此是通信状态勘探使用最多的传感器。
然而加速度传感器在探测深度较大的通讯环境时，得到的反射信号非常弱，这类（桂林市啄木鸟医疗器械有限公司，广西桂林 541004）摘要：通信微弱信号主要应用于振动勘探中，利用信号波的震动信号来分析状态通信，从而接收通信信息。
加速度传感器具有模量变化小，频率低，信号幅度小等优点，因此是通信状态勘探使用最多的传感器。
然而加速度传感器在探测深度较大的通讯环境时，得到的反射信号非常弱，这类电压信号只能达到微伏的量级，很难得到有效的利用，若想要利用微弱信号，必须要对其有所调整，进行放大处理。
“微弱信号”既包括振幅非常小的信号，也包括噪声背景中的有用微弱信号。
关键词：加速度传感器；通信微弱信号；放大电路一、基于加速度传感器的通信微弱信号放大电路硬件设计系统硬件工作如下：仪表放大电路负责放大电路前级，噪声抑制电路负责减少噪声干扰，模拟转换电路负责将信号采集转化。
至此整个系统硬件部分设计全部实现。
加速度传感器能够检测通信信号，当振动加速度传感器信号时，会得到频率较低的微弱信号，需要借助放大电路将信号放大，使信号强度有所提高，然后再通过滤波器将信号中的高频噪声滤除，最后在模数转换芯片上对数字信号进行处理。
由于加速度产生的信号是一种非常微弱的信号，很容易受到噪声信号干扰，甚至会被噪声信号所覆盖，所以必须要先使用精密仪表放大器对电路进行放大。
仪表放大器作为一种精密差分电压放大器，对精度的计算远远高于其它放大器，而且拥有的抑制比极高，输入阻抗很大，产生的噪声较低，也很少出现失调漂移的现象，因此很少出现误差，且仪器设置灵活便于操作，在数据采集和放大弱小信号等方面有极广的应用。
弱信号放大
电子设计论文题目: 弱信号放大电路论文编号：参赛学校：参赛学生：薛群陈昌浩冯川指导教师：二○一一年四月目录目录引言 (3)1方案论证与设计 (3)1.1弱信号放大电路 (3)2原理分析与硬件电路图 (4)2.1弱信号放大电路 (4)参数测试及误差分析 (5)3总结 (6)参考文献 (7)弱信号放大电路摘要在现代工业自动控制中，常用各种传感器将非电量（温度、应变、压力等）的变化变换为电压信号，而后输入系统。
但这种电信号的变化非常小（一般只有几毫伏到几十毫伏），所以要将这种小信号加以放大，本文档就据此设计了一个仪表放大电路，用于对输入10~100mv左右的电压进行放大，达到了较理想的效果。
基本电路参数设计如下：1.差模电压放大倍数Avd=1~1000，可手动调节；2.最大输出电压为±12V，非线性误差<0.5%;>10^5;3.在输入共模电压，共模抑制比KCMR4.通频带0~5500HZ关键词：弱信号放大差模通频带Weak Signal AmplifierAbstract:in modern industrial automatic control, common in various sensors will non-electric quantity (temperature, strain, stress, etc.) for change voltage signal and then input system. But the signals of the changes are very small (usually only several millivolt to dozens of millivolt), so will the small signal to enlarge, this document is accordingly devised a instrumentation amplifier circuit, for about 10 ~ 100mv input voltage amplifier, achieved the ideal effect. Basic circuit parameter design are as follows:1. The differential-mode voltage magnification Avd = 1 ~ 1000, can manual adjustment;2. The maximum output voltage of + 12 v, nonlinear error < 0.5%;3. In input common-mode voltage, common mode rejection ratio KCMR > 10 ^ 5;4. Passband 0 ~ 5500HZKeywords: weak signal amplifier differential-mode passband引言在现代工业自动控制中，常用各种传感器将非电量（温度、应变、压力等）的变化变换为电压信号，而后输入系统。
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高精度弱信号放大电路的设计尤啟明，周俊，詹康，蔡桢荻，吴继新（江汉大学物理与信息工程学院，湖北武汉430056）摘要本文针对电阻应变式电子秤的设计，分析了如何设计高精度弱信号放大电路。
从系统的整体性角度，介绍了电子秤的设计，重点从信号产生、信号分析、信号处理和信号采集等过程，来完整地讲述高精度弱信号放大电路的设计要领。
实验结果表明：在电子秤称重范围内，测量重量小于50g，称重误差小于0.5g；重量在50g及以上，称重误差小于1g；数据抖动现象不再明显。
充分验证了此高精度弱信号放大电路设计方法的可靠性。
关键词弱信号；电子秤；信噪比；放大电路；低通滤波Design of High Precision and Weak Signal AmplifierYOU Qiming,ZHOUJun, ZHAN Kang,CAI Zhendi,WUJixin(School of Physics & Information Engineering, Jianghan University, Wuhan 430056, China) Abstract Aiming at the design of resistance strain gauge electronic scale, this essay will analysis how to design a high precision and weak signal amplifier in detail. It introduces the entire system design of the electronic scale, and stresses on the processes of the signal generation, analyzing, processing and acquiring to present the techniques and skills of the circuit design thoroughly. The results of the experiment show that within the weighing range of the electronic scale, the weighing error is below 0.5g when weighing range is under 50g, while below 1g when above 50g, with no obvious unsteady data. It gives an evidence of the reliability for this high precision and weak signal amplifier.Key words weak signal; electronic scale;signal-to-noise ratio;amplifier;low-pass filter1. 引言随着科技的不断发展,被噪声掩盖的弱信号的检测(如弱光、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视[1]，高精度放大技术也日益重要。
那么，如何设计高精度弱信号放大电路，本文从电子秤的制作出发，讲述高精度弱信号放大电路的设计过程。
首先将微弱信号进行幅值放大到可检测范围，再进行硬件滤波，通过A/D采样电路进行数模转换，获得离散数字信号，最后通过软件滤波得到最终信号数据。
2.弱信号的形成在提取弱信号之前，对微弱信号形成原理认识是很有必要的。
通常获取微弱信号都是通过传感器，那么传感器的制作好坏，对信噪比大小就起决定性作用。
例如应变式电子秤中应变片的粘贴、应变片本身质量、粘贴技术都对后期小信号处理有着直接的关系。
（1）选片：在使用电阻应变片之前，需要选择质量合格的电阻应变片，以平整、清洁、干燥、片内无气泡、锈斑、电阻值在规定范围内为标准。
（2）测点表面的处理：选取测试点，选择物体受力形变最大区域作为待测区，用锉刀或粗砂纸对所选器件测试点进行打磨，除去测试物表面防锈层、电镀层及油污，接着用细砂纸打磨成45°的交叉纹，之后再将测试点擦理干净。
如图2.1图所示。
（3） 贴片：电阻应变片应该准确的粘贴在测试点上，方向必须和应变片形变方向保持一致。
在粘贴前，最好对测试间粘贴位置做上标记。
如图2.2所示.①分清电阻应变片的正反面，正面朝上，放在待测标记区，用镊子调整轻轻应变片位置。
②贴合应变片所用胶可选择502，曾使用过其他多种胶，因固化性和柔和性问题，都被舍弃，固化性太强，应变片与固化后胶体融合，应变片无法形变;柔和型太强，应变片与胶体易脱离，应变片也无法形变。
粘贴时，左手按住应变片引脚，右手上胶，并垫上BOPP 膜（常见有香烟外包装塑料薄膜），用手沿一个方向滚压，排出应变片与待测物间气泡即好。
如图2.3所示。
图2.1 打磨 图2.2 标记 图2.3 粘贴(4)导线焊接固定:焊接引脚后，为防止紧贴于金属待测物而造成短路，一定要做好绝缘措施，可以套上热缩管。
其次，焊接导线时，温度不要太高，时间不要太长，以免烫坏应变片。
3电路设计3.1应变片桥式等效电路及粘贴位置4片电阻应变片分别粘贴于悬臂端的两面，构成桥式等效电路，如图3.2所示。
当忽略电源的内阻时，由分压原理得：423412R U=E R R R R R ++骣÷ç÷ç÷D ?ç÷ç÷÷ç桫 满足1423=0R R R R ??时，电桥平衡，但实测过程很难达到这种效果，在此贴片前只要满足1423R R R R 烦?即可。
选择适当材质的悬臂，将应变片按顺序粘贴于悬臂上，粘贴示意图如下图3.3所示。
其粘贴原理是为保证悬臂受重物拉力后，发生形变，使得1423R=R R R R D ??增大，更有利于弱信号的增强。
图3.2 桥式等效电路 图3.3 应变片粘贴示意图3.2放大电路设计由于电阻应变片受力后电阻值改变比较小，转化的电压小信号△U 较小，易被噪声信号覆盖。
为了减少噪声的引入，本次设计选用仪表放大器INA128作为第一级放大电路，其放大倍数为：G50 1Rk f W =+在初始状态时，△U ≠0，当△U=2.5mv 时，R =200G W第一级输出为：1V =627.500mv在实际情况中，电阻应变片的差异使得V1要比上述计算值大，甚至超过1V 。
这对量程为3V 的ADC 来说会浪费掉10~V 的测量范围，使得测量量程减小。
为了解决这个问题，在INA128放大电路的后面加TLC272做减法器，作为第二极放大电路，使得输出初值在50mv 左右，保证了输出为正，且不浪费ADC 测量范围。
前置放大电路图如图3.4所示。
图3.4 前置放大电路3.3硬件滤波电路设计本次电子秤设计采样频率为100Hz,因此信号最大频率必须小于50Hz 。
利用FilterLab 滤波器设计软件，输入相应的滤波器参数，选用4阶巴特沃斯低通滤波器，软件设计通带频率10Hz ，阻带频率50Hz 。
巴特沃斯滤波器生成的幅度和相位曲线如图3.5所示。
为了进一步验证该电路的有效性，采用multisim 进行电路仿真，仿真电路图如图3.6所示。
图3.5 幅度、相位曲线图3.6 滤波器仿真电路4.软件设计软件设计是电子秤设计的关键步骤之一，其主要包含AD 采样、软件滤波、LCD 显示等步骤。
理论信号均为低频信号，而实测中存在高频、中高频杂波干扰，因此需要进行数字低通滤波处理。
首先，对每次采集到的新数据进行限幅处理，排除偶然出现的脉冲性干扰所引起的采样值偏差。
对每次采集到的数据1x n +进行处理，等到相应的Y n 序列。
111,x C =,n n n n n n n x x Y x x x C+++ìï-?ïíï->ïïî（C 是常数）然后，将保留下的N 个数据Y n 进行滑动—中位值平均滤波，得到相应的G n 序列，抑制随机干扰，使数据更稳定。
()1min max 01G =n-2n n i i Y Y Y -=骣÷ç--÷ç÷ç桫å 最后，可以根据需要，多次进行嵌套式滑动滤波处理，也就是多次低通滤波，使截止频率更低。
5.测量结果将电子秤保持水平，依次将重量为5g ～ 500g 范围内的标准砝码放入托盘中，观察并记录液晶屏上显示的数据、计算出称重误差，测试数据如表 1 所示。
根据表1数据显示，测量误差都非常小，重量小于 50g ，称重误差小于 0.1g ；重量在 50g 及以上，称重误差小于 1g ；数据抖动现象不再明显。
6.总结高精度放大电路设计设计应该从系统的角度分析，其难点就是如何提高信噪比。
所以如何在信号产生、信号分析、信号处理和信号采集等过程中，都降低噪声的产生，增强信号的大小，相互配合，就是高精度放大电路设计的要领。
参考文献[1] 陈银根，微弱信号检测技术的研究【J 】，江西科学,2004,03期 [2]童诗白．模拟电子技术基础：高等教育出版社，2006[3]胡宴如，耿苏燕．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2004[4]安慰东,刘杰,包德州,刘平安. 纳伏级微弱信号放大电路的设计【J 】. 电子测试,2012,(08):52-55.。