王振宇，王萍

（天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津300387）

引 言

通常，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣對(duì)象都為大信號(hào)，即有用信號(hào)幅值大于噪聲信號(hào)。但在一些特殊的場(chǎng)合，采集的信號(hào)很微弱，并且淹沒(méi)在大量的隨機(jī)噪聲中。此種情況下，一般的采集系統(tǒng)和測(cè)量方法無(wú)法檢測(cè)該信號(hào)。本采集系統(tǒng)硬件電路針對(duì)微弱小信號(hào)，優(yōu)化設(shè)計(jì)前端調(diào)理電路，利用測(cè)量放大器有效抑制共模信號(hào)（包括直流信號(hào)和交流信號(hào)），保證采集數(shù)據(jù)的精度要求。

微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)就是研究噪聲與信號(hào)的不同特性，根據(jù)噪聲與信號(hào)的這些特性，擬定檢測(cè)方法，達(dá)到從噪聲中檢測(cè)信號(hào)的目的。微弱信號(hào)檢測(cè)的關(guān)鍵在于抑制噪聲，恢復(fù)、增強(qiáng)和提取有用信號(hào)，即提高其信噪改善比（SNIR）。信噪改善比（SNIR）定義為：

即輸出端的信噪比（SNR）o與輸入端的信噪比（SNR）i之比。SNIR 越大，表示處理噪聲的能力越強(qiáng)，檢測(cè)的水平越高。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路包括前端調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路兩大部分。前端調(diào)理電路主要功能是消除共模干擾，對(duì)微弱小信號(hào)進(jìn)行放大、濾除、差分輸出，經(jīng)雙絞線傳輸至數(shù)據(jù)采集電路。數(shù)據(jù)采集電路完成數(shù)據(jù)采集以及積累平均算法。

1.1 前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)

前端調(diào)理電路由測(cè)量放大器、貝塞尓低通濾波器、差分輸出放大器構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 調(diào)理電路設(shè)計(jì)框架圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，若待測(cè)信號(hào)為很微弱的小信號(hào)，需要用放大器加以放大。通用運(yùn)算放大器不能直接放大微弱信號(hào)，必須用測(cè)量放大器。測(cè)量放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)，在檢測(cè)微弱信號(hào)的系統(tǒng)中經(jīng)常作為前置放大器。

為提高共模抑制比，測(cè)量放大器采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)如圖2所示。對(duì)于直流共模信號(hào)流過(guò)電阻的電流為零。當(dāng)R3＝R4＝R5＝R6時(shí)，共模電壓輸出為零。而對(duì)交流共模信號(hào)，由于傳輸線存在線阻RI1、RI2和分布電容C1、C2，RI1C1和RI2C2分別對(duì)地構(gòu)成回路，但當(dāng)RI1C1≠RI2C2時(shí)，交流共模信號(hào)在運(yùn)放的輸入端產(chǎn)生分壓，其電壓分別為Vi1和Vi2，且Vi1≠Vi2，電阻RG有交流共模電流流過(guò)，從而產(chǎn)生交流共模干擾。交流共模電壓混合于待測(cè)信號(hào)，影響數(shù)據(jù)采集的精度。為抑制交流共模信號(hào)干擾，在輸入端加入保護(hù)電路（圖中虛線框部分），將信號(hào)線屏蔽，當(dāng)R1＝R2時(shí)，由于屏蔽層和信號(hào)線對(duì)交流共模信號(hào)等電位，則C1和C2的分壓作用不存在，從而降低交流共模信號(hào)的影響。

圖2 測(cè)量放大器電路

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)內(nèi)部SAR 型ADC 的采集設(shè)計(jì)采用了Freescale公司的32 位單片機(jī)MCF51QE128。該芯片為高性價(jià)比、低功耗的32位微處理器，采用ColdFire V1內(nèi)核，它與同系列8位微處理器MC9S08QE128兼容，能夠?qū)崿F(xiàn)8位到32位的快速升級(jí)。

該單片機(jī)具有高速總線頻率、ADC模塊，以及PWM、SPI、SCI等模塊，具有超低功耗的特性，這完全符合數(shù)據(jù)采集所需的條件。基于單片機(jī)內(nèi)部SAR 型ADC 的微弱信號(hào)檢測(cè)總體框架如圖3所示。

圖3 基于單片機(jī)內(nèi)部ADC的信號(hào)檢測(cè)總體框架

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ADC普遍應(yīng)用于現(xiàn)代信號(hào)檢測(cè)，ADC 的轉(zhuǎn)換精度決定了數(shù)字處理精度。由于器件本身的特性，轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)引入噪聲，而噪聲的大小，自然影響轉(zhuǎn)換結(jié)果，從而影響系統(tǒng)測(cè)量精度。因此，ADC 的性能是決定數(shù)字設(shè)備測(cè)量精度的重要因素。在A／D 轉(zhuǎn)換前，輸入到A／D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

現(xiàn)有的ADC主要包括以下幾種類型：積分型、并行比較型、逐次逼近比較型、流水線型以及Σ-Δ 型。ADC 性能主要由以下參數(shù)反映：分辨率、轉(zhuǎn)換速度和信噪比等。

當(dāng)A／D采集完全部的數(shù)據(jù)后，利用單片機(jī)的SCI模塊，設(shè)計(jì)串口通信電路，與上位機(jī)進(jìn)行串口通信。并通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行MATLAB采樣數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 基于Σ-Δ型AD7760的采樣的總體流程圖

3 MATLAB采樣數(shù)據(jù)分析

基于AD7760的A／D 數(shù)據(jù)采集，下位機(jī)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)以下采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

如圖5所示，當(dāng)輸入端短接時(shí)，采到的是系統(tǒng)噪聲，它采集的幅值是雜亂的，峰-峰值為2μV，產(chǎn)生噪聲的原因大致可以歸納為如下幾點(diǎn)：

①整個(gè)電源模塊的布局都有可能產(chǎn)生電壓源和電流源噪聲。

②對(duì)于高輸入阻抗的差分放大電路，盡管通過(guò)對(duì)不同類型的運(yùn)算放大器的失真度、信噪比以及穩(wěn)定增益等性能有了對(duì)比，但由運(yùn)算放大器帶來(lái)的噪聲是沒(méi)法避免的，噪聲的產(chǎn)生有可能是其反饋環(huán)路中使用的元件。噪聲也可能從附近（或較遠(yuǎn)的地方）的噪聲源耦合或感應(yīng)至輸入、輸出、地回路或測(cè)量電路中。

③由于外部環(huán)境、人為接觸等產(chǎn)生的噪聲。

本次采集輸入的是1mV、10Hz的正弦波，橫坐標(biāo)表示采集點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)表示電壓峰值。但是從圖中可以看出，采集的波形不是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，原因是：

①輸入微弱信號(hào)不穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)差分放大以后，都會(huì)將電路內(nèi)部本身噪聲也放大，出現(xiàn)很多的噪聲點(diǎn)。

圖5 輸入端短路

②微弱信號(hào)與噪聲疊加以后，使得采集的電壓幅值增大。通過(guò)以下公式對(duì)電壓峰-峰值進(jìn)行轉(zhuǎn)換：V1＝X×3.275／24。

如圖6所示，當(dāng)采集點(diǎn)數(shù)為640時(shí)，峰峰值為61 000，通過(guò)上述公式轉(zhuǎn)換可知實(shí)際檢測(cè)電壓值為0.011 3V，即為1.13mV；當(dāng)采集點(diǎn)數(shù)為641時(shí)，對(duì)應(yīng)值為62 000，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換實(shí)際檢測(cè)電壓值為0.012V，即為1.2mV；當(dāng)采集點(diǎn)數(shù)為645時(shí)，對(duì)應(yīng)值為55 000，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換可知時(shí)間電壓值為0.010 7V，即為1.07mV。

圖6 輸入為1mV、10Hz的正弦波

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)，實(shí)際測(cè)量值與理想測(cè)量值基本對(duì)應(yīng)，達(dá)到了本設(shè)計(jì)所需要的檢測(cè)效果。

結(jié) 語(yǔ)

本文介紹基于MCF51QE128芯片，利用取樣累加平均的方法檢測(cè)噪聲覆蓋的微弱信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)噪聲在微弱信號(hào)中的影響，選取了性能優(yōu)異的運(yùn)算放大器。針對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)，通過(guò)對(duì)放大器以及元器件的布局和噪聲影響設(shè)計(jì)了前端調(diào)理電路和放大電路，在硬件上實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱信號(hào)的放大檢測(cè)方法，并通過(guò)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)以及MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)計(jì)的可行性。但本文測(cè)量的微弱信號(hào)也只為模擬弱信號(hào)，而不是實(shí)際應(yīng)用中的，所以對(duì)實(shí)際應(yīng)用中不同的微弱信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步探討研究。

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