微弱信号调理电路的设计及研究

第25卷 第1期 2010年3月 西 南 科 技 大 学 学 报 Journa l o f South w est U n i versity o f Sc i ence and T echnology V o.l 25N o .1 M a r .2010
收稿日期:2009-09-20
基金项目:四川省安监局基金资助项目(2007-21),四川省教育厅基金资助项目(07z d1102)。

作者简介:赵亮(1984-),女,在读研究生,主要研究方向:气体检测、硬件电路设计与调试。

E -m a i :l 79536348@qq .co m
微弱信号调理电路的设计及研究
赵 亮 刘先勇 袁长迎 李驹光 蒙 瑰
(西南科技大学光声检测研究室 四川绵阳 621010)
摘要:精确的信号调理技术是测控领域发展的重要方向。

基于开关电容滤波器和程控放大器设计了一种新的信号调理电路,采用ATm ega 128单片机自适应地调整开关电容的滤波参数和程控放大器的放大倍数。

微音器微弱信号检测的实验结果表明,该电路能达到动态范围几微伏到几十毫伏、灵敏度1 V 、响应时间优于1m s 的技术指标,具有性能稳定,可靠性高、灵活性强、可编程等特点。

关键词:微弱信号 自动跟踪滤波器 可编程增益 动态范围
中图分类号:TN402 文献标识码:A 文章编号:1671-8755(2010)01-0064-04
Design and Study ofW eak Signal Conditi oni ng C ircuit
Z HAO L i ang ,LI U X i an yong ,YUAN Chang y i n g ,LI Ju guang ,MENG G u i
(R esearch Laborator y of Photoacoustic Detection ,Southw est Un iversit y of Science and Technology,
M ianyang 621010,S ichuan,Ch i n a)
Abstract :Precise Signal Cond ition i n g techno l o gy i s an i m portant d irection that the fie l d ofm on itor i n g de ve l o ps .Based on Sw itch Capacitor F ilters and Dyna m ic Range I nstr um entation Am plifier ,t h is article pr o posed a ne w S i g na lCond ition i n g circui,t adopting the 128ATm egaM icr ocontr o ller auto m atica ll y ad j u st fil ter i n g para m eters of Sw itch C apac itor F ilters and m agn ify i n g mu lti p le o f Dyna m ic Range I nstr um entation Am plifi e r .The experi m ents ofW eak S ignal Detection on M icrophone sho w that the c ircu its ach ieves the fo llo w i n g technical standard :(1)Dyna m ic Ranges fro m several V to tens o fmV ;(2)Sensitiv ity :1;
(3)Rresponse ti m e :excel 1m s .
K ey w ords :W eak S igna;l Au to track i n g F ilter ;Progra mm able G ai n ;Dyna m ic Range
精确的信号调理是微弱信号检测[1](W eak S i g na l Detection)中的关键技术,使得微弱量(如弱光、小位移、微振动、弱声及微电流等)的检测成为可能,大大提高了微弱信号检测的精度。

信号调理就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号,该技术在工业、仪器仪表和便携式消费类电子设备中具有广泛的应用前景。

本文基于开关电容和程控放大器设计了一种新的信号调理电路,采用ATm ega 128单片机自适应地调整该电路的滤波参数和放大倍数,最后给出微音器(几微伏~几十毫伏)信号处理的实验结果。

1 系统框图
传感器信号调理的基本流程是:传感器的物理量信号转化为电信号后,依次经过各级滤波、放大模块,最后送入A /D 转换器,转换为数字信号进行处理。

图1给出了本信号调理电路的结构框图,包括3个部分:预
处理部分;可编程控制部分;
单片机主控部分。

2 硬件电路设计和噪声分析
2.1 预处理部分设计和噪声分析
该部分由前置放大、初级滤波和二级放大电路组成
(如图2所示),完成弱信号的初级滤波和放大。

微音器输出电压信号范围在几微伏~几十毫伏,所以
须选择合适的前置放大器型号,以减少放大器自身引入的
噪声。

前置放大电路主要的3个噪声源是:运放的电压噪
声、电流噪声和电阻的热噪声(Johnson no ise)。

一般运放的噪声分布特点是:在中频呈现白噪声,低频是1/
f 噪声(频谱密度与频率的平方根成反比),1/f 噪声是直流耦合
测量的主要噪声源[2]。

具有自稳零(auto-zer o )特点的运放可以
大大减弱1/f 噪声,同时具有极小的输入失调电压(几个微伏),
最适用于低频或直流微弱信号的测量。

这种运放的型号很多,本
系统采用MAX I M 公司的I CL7650前置放大在放大有用信号的同
时,噪声也随之放大,要消除这部分噪声,就需要设置滤波器环节,选择合适的滤波器和参数。

传感器信号滤波最常用的是RC 有源模拟滤波器(如图3所示),其结构简单、成本低,可初步滤除背景噪声。

前置放大电路由于运放带宽的限制放大倍数一般较小,同时由于其带负载能力较低,所以需要二级放大。

二级放大部分需要选择低噪声、高带宽的运放,本系统采用AD 公司AD620。

2.2 可编程控制部分
该部分由开关电容滤波和程控放大器组成,是信号调理电路的关键。

2.2.1 开关电容滤波
开关电容是一自动跟踪滤波器,被跟踪频率信号在通过滤波器时其增益和相位保持恒定,同时其它频率成分受到衰减,进而提高信噪比。

本设计采用MAX260搭建自动跟踪滤波器。

每片MAX260包括两个二阶开关电容有源滤波器,每个二阶滤波器组件有4种工作方式及各自的时钟输入和独立的f 0和Q 控制。

每个二阶组的中心频率是由其输入的时钟频率和6位编程代码决定的,Q 值由7位代码控制。

本设计将两个二阶带通滤波组级接(如图6),构成
四阶有源滤波器[3],其框图如图4
所示。

需要滤波的输入信号分两路,一路进入滤波器MAX260;另一路经触发器CD4093整形之后变为方波信号,再进入CD4046锁相环电路,通过锁相倍频产生MAX260自动跟踪滤波所需的N 倍频时钟信号,本设计中N =100。

时钟信号产生电路如图5所示,方波进入锁相环CD4046后从其3脚输出,接着输入两级CD4518级联65 第1期 赵 亮,等:微弱信号调理电路的设计及研究
构成的100倍分频器后再返回CD4046的4脚。

因此,从CD4046的4脚可以输出100倍频的方波信号作为MAX260的时钟信号。

经过100倍频之后,方波频率f CL K =100 f 0,然后进入MAX260的11,12脚时钟端(见图6)。

对于MAX260,由于之前选择的f CL K f 0=100,所以滤波之后的信号中心频率等于送入信号的频率,使得带通滤波器的中心频率f 0
始终跟踪输入信号频率的变化。

表1 PGA 204/205放大倍数
T ab le 1PGA 204/205In strum en tation A m p lifier
GA I N 引脚设置PGA204
PGA 205A 1A 11
10010
201100
41010008112.2.2 程控放大器程控放大器由软件控制自动改变增益,自动适应所输入的模拟信号电平,本设计采用了PGA204和PGA205的组合方式,由表1可知,该组合方式放大倍数有1、2、4、8、10、20、40、80、100、200、400、800、1000、2000、4000、8000十六档可调。

该组合输出的信号经AD 采样后,通过软
件的阈值判断即可自适应地切换放大倍数。

3 软件设计
单片机主控部分主要功能为:通过分析A /D
采样所得幅值,自适应调整开关电容的滤波参数和程控放大器的放大倍数。

软件设计采用模块化程序设计的原则。

系统有主程序和子程序模块组成。

主程序首先设置MAX260和PGA204/5相关参数,并在此基础上完成A /D 采样得到原始信号的幅值L;接着进行阈值判断,若L 不满足条件:L m in <L <L m ax ,则重新调整MAX260和PGA204/5相关参数,直到L 满足该阈值条件,当L m in <L <L max 时,将L 归一化为L 0,L 0=L /c ,其中c 为可编程器件MAX260、PGA204/5二者增益的积,归一化后的幅值L 0只与原始信号的大小和电
路预处理部分的固定放大倍数有关,即L 0可如实反映原始信
号的幅值;最后将L 0送LCD 显示并通过串口将该数据送至
PC 机备份。

主程序流程如图7所示。

子程序包括MAX260编程模块、PGA204/205编程模块、
A /D 采样和数字滤波模块、LCD 显示模块和串口数据发送模
块等。

MAX260编程模块用于设定片内每个二阶组的f 0和Q,
采用图6所示的逻辑输入电路,若MAX260工作N =100,Q
=8,则采用MAX 公司自带的MAX260滤波器专用设计软件
或查询MAX260datasheet 可知:实现此四阶切比雪夫带通滤波器的编程系数如表2所示。

编程时,只需要在满足MAX260读写时序的同时,将相应引脚电平依次置高或置低即可。

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表2 MAX 260编程系数及其编程代码
Table 2The progra mm ing
coeffic ien t and code of M AX 260
参 数MA 、M B(模式)
FA 、FB(N 值)QA 、Q B(Q 值)编程系数120
0120编程代码11110000000001111000 PGA 204/205编程模块完成PGA204和PGA205的档位切换;A /D 采样和数字滤波模块完成原始数据的采集和数字滤波,该模块在得到有用信号的同时,为阈值分析提供原始依据;LCD 显示模块用于显示原始信号的大小;串口数据发
送模块定时将所测数据及中间变量(主要为
MAX260的Q 值和PGA204/5的放大倍数)通过串口发送到PC 机,通过PC 机的串口接收工具可实时、长期地采集数据检测电路性能。

4 微音器的信号调理结果
微音器采用Konw les 公司的FG-23629型,由它获得一微弱的M 型双峰的声信号后(峰值约100uV ),送入信号调理电路进行处理,该实验结果如图8所示。

实验表明:微音器输出的原始声信号(蓝色波形)已完全淹没于背景噪声中,而调理电路滤波后的信号(黄色波形)其背景噪声基本滤除,可以清楚地看到弱信号的M 型双峰。

5 结论
本文在噪声分析的基础上,详细讨论了信号调理电路的设
计,指出了电路的结构和各部分的元件选择,给出了微音器信号
检测的实验结果。

实验表明:本信号调理电路具有性能稳定、可
靠性高、灵活性强和可编程等优点,从根本上解决了以往信号调
理器性能不稳定、受环境影响大、动态范围小等问题。

本电路技
术指标如下:(1)动态范围:几微伏至几十毫伏;(2)灵敏度:1
V;(3)响应时间:优于1m s 。

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