曾 軒，董延華

(吉林師范大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，吉林 四平 136000)

1 電路的基本結(jié)構(gòu)

傳感器所產(chǎn)生的電信號多為頻率較低的電壓或電流信號，對于普通電信號，通過配置相應(yīng)的寄存器，AD7705能夠直接對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，但當(dāng)信號極微弱時，為了能夠?qū)τ杏眯盘栠M(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，應(yīng)該首先對信號進(jìn)行相應(yīng)的處理．本實驗設(shè)計的微弱信號模數(shù)轉(zhuǎn)換前置電路的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 極微弱信號模數(shù)轉(zhuǎn)換前置電路的整體結(jié)構(gòu)

考慮到噪聲對極微弱信號有較大的影響，所以選擇適合放大微弱信號的放大器INA118，INA118為高精度、高穩(wěn)定度、差分式結(jié)構(gòu)的集成儀表放大器．濾波階段為了增強(qiáng)低通濾波器濾除噪聲的能力，利用二階低通濾波器為有用信號濾波，之后再次由運(yùn)算放大器放大，經(jīng)過前面幾級電路的處理，有用信號便可送入AD7705芯片，進(jìn)行高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換．

2 極微弱信號模數(shù)轉(zhuǎn)換前置電路的具體實現(xiàn)

2.1 A118放大電路

本級放大電路如圖2所示，主要由儀表放大器INA118構(gòu)成，并對輸入信號用旁路電容接地，以濾除部分交流噪聲，減少其對測量結(jié)果的影響．通過調(diào)節(jié)INA118的外接電阻Rg可以實現(xiàn)電路從1到1000之間的不同增益，增益的大小可由下式?jīng)Q定：

圖2INA118放大電路圖

(1)

由于我們放大的是極其微弱的電信號，信號幅度小于噪聲幅度，為了不使后續(xù)放大電路飽和，INA118的增益設(shè)置不宜太大，本實驗在INA118上接阻值為5 kΩ的電阻，放大倍數(shù)為11倍．

2.2 低通濾波電路

在上一級電路中信號被放大的同時與噪聲也被放大，且噪聲的幅度大于信號幅度，需接濾波電路將噪聲濾除，由于噪聲為相對于有用信號的高頻成分，所以此級采用低通濾波電路，這樣可有效地提高信噪比．為增強(qiáng)濾波功能，有效地達(dá)到我們的要求，本實驗采用二階低通濾波電路，電路如圖3所示．

圖3 二階低通濾波電路

該級二階低通濾波器由同相比例放大電路和兩節(jié)RC濾波電路組成，在運(yùn)放輸出到運(yùn)放同相輸入之間引入一個負(fù)反饋，使得電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，通過負(fù)反饋起到削弱輸入信號的作用，減小電壓放大倍數(shù)，使得高頻信號使通過此低通濾波器后迅速衰減，低頻信號可順利通過，傳遞函數(shù)為：

(2)

式中零頻增益為：

(3)

自然角頻率為：

(4)

阻尼系數(shù)為：

(5)

其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低．

2.3 運(yùn)算放大電路

經(jīng)過二階低通濾波電路，高頻噪聲分量被有效的去除，有用信號的輪廓基本可見．但信號的幅度不夠大，不利于芯片的處理，可繼續(xù)放大，如圖4所示，本級采用反向比例運(yùn)算放大電路對濾波后的電信號繼續(xù)放大之后再交由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片處理．

圖4 運(yùn)算放大電路

設(shè)計中，選擇接近理想運(yùn)算放大器的芯片可有效減少集成運(yùn)算放大器自身對電路的干擾，本設(shè)計采用LM324芯片，圖4中，信號加在反向輸入端，有U+=U-=0，并由基爾霍夫定律得：

(6)

(7)

上式可知，輸出電壓Uo與輸入電壓Ui成反向比例關(guān)系，根據(jù)需要改變兩個電阻Rf與Ri的阻值就可以改變輸出電壓的值，得到要求的放大倍數(shù)．

2.4 AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

傳感器產(chǎn)生的極微弱信號經(jīng)由上述放大濾波電路處理后，已經(jīng)達(dá)到AD7705芯片對輸入模擬電壓的要求，可送入AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，通過AD7705芯片對信號的進(jìn)一步處理后便可進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換．在本級設(shè)計中還采用芯片AD780提供AD7705工作時所需的精準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓，晶振提供芯片的主時鐘，本級電路圖如圖5所示．

圖5 基于AD7705的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

AD7705是帶有自校正功能的16位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，共有16個引腳， 8個寄存器，AD7705的三線制串行接口，使其可以方便的與單片機(jī)等微處理器進(jìn)行連接，芯片所有功能的設(shè)置均通過微處理器對寄存器的控制來實現(xiàn)．由于AD7705具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能，低電壓、低功耗等優(yōu)點，以及具有2個全差分輸入通道、可編程增益(8種放大倍數(shù))、可編程輸出數(shù)據(jù)更新率、16 位無丟失代碼、0.003%非線性以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)等基本功能，使得它在工業(yè)控制和儀器儀表測量等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛．

3 結(jié)論

本文中所討論的高精度極微弱信號前置放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路適用于許多對精準(zhǔn)要求比較高的傳感器及其他電路．運(yùn)用本文所闡述的放大和降噪方法，可以有效地放大有用信號，抑制和屏蔽可能對電路造成影響的噪聲，對有用信號進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過測試傳感器產(chǎn)生的極微弱信號，得到了較為理想的結(jié)果，說明該電路可以應(yīng)用到極微弱信號的放大轉(zhuǎn)換過程中．

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