王振宇，王萍

（天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，天津300387）

引 言

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

微弱信號檢測技術(shù)就是研究噪聲與信號的不同特性，根據(jù)噪聲與信號的這些特性，擬定檢測方法，達到從噪聲中檢測信號的目的。微弱信號檢測的關(guān)鍵在于抑制噪聲，恢復、增強和提取有用信號，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，檢測的水平越高。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個數(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，對微弱小信號進行放大、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

前端調(diào)理電路由測量放大器、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)計框架圖

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

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

圖2 測量放大器電路

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

基于單片機內(nèi)部SAR 型ADC 的采集設(shè)計采用了Freescale公司的32 位單片機MCF51QE128。該芯片為高性價比、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。

該單片機具有高速總線頻率、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?；趩纹瑱C內(nèi)部SAR 型ADC 的微弱信號檢測總體框架如圖3所示。

圖3 基于單片機內(nèi)部ADC的信號檢測總體框架

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

ADC普遍應(yīng)用于現(xiàn)代信號檢測，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)換過程中會引入噪聲，而噪聲的大小，自然影響轉(zhuǎn)換結(jié)果，從而影響系統(tǒng)測量精度。因此，ADC 的性能是決定數(shù)字設(shè)備測量精度的重要因素。在A／D 轉(zhuǎn)換前，輸入到A／D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須轉(zhuǎn)換成電壓信號。

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A／D采集完全部的數(shù)據(jù)后，利用單片機的SCI模塊，設(shè)計串口通信電路，與上位機進行串口通信。并通過串口轉(zhuǎn)USB模塊傳輸?shù)缴衔粰C進行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，下位機和上位機的數(shù)據(jù)傳輸，對以下采集的數(shù)據(jù)進行分析。

如圖5所示，當輸入端短接時，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：

①整個電源模塊的布局都有可能產(chǎn)生電壓源和電流源噪聲。

②對于高輸入阻抗的差分放大電路，盡管通過對不同類型的運算放大器的失真度、信噪比以及穩(wěn)定增益等性能有了對比，但由運算放大器帶來的噪聲是沒法避免的，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（或較遠的地方）的噪聲源耦合或感應(yīng)至輸入、輸出、地回路或測量電路中。

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，橫坐標表示采集點數(shù)，縱坐標表示電壓峰值。但是從圖中可以看出，采集的波形不是標準正弦波，原因是：

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

圖5 輸入端短路

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

如圖6所示，當采集點數(shù)為640時，峰峰值為61 000，通過上述公式轉(zhuǎn)換可知實際檢測電壓值為0.011 3V，即為1.13mV；當采集點數(shù)為641時，對應(yīng)值為62 000，經(jīng)過轉(zhuǎn)換實際檢測電壓值為0.012V，即為1.2mV；當采集點數(shù)為645時，對應(yīng)值為55 000，經(jīng)過轉(zhuǎn)換可知時間電壓值為0.010 7V，即為1.07mV。

圖6 輸入為1mV、10Hz的正弦波

通過以上數(shù)據(jù)分析，對于微弱信號的檢測，實際測量值與理想測量值基本對應(yīng)，達到了本設(shè)計所需要的檢測效果。

結(jié) 語

本文介紹基于MCF51QE128芯片，利用取樣累加平均的方法檢測噪聲覆蓋的微弱信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)通過噪聲在微弱信號中的影響，選取了性能優(yōu)異的運算放大器。針對微弱信號的檢測，通過對放大器以及元器件的布局和噪聲影響設(shè)計了前端調(diào)理電路和放大電路，在硬件上實現(xiàn)了對微弱信號的放大檢測方法，并通過系統(tǒng)軟件的設(shè)計以及MATLAB仿真實驗，驗證微弱信號檢測設(shè)計的可行性。但本文測量的微弱信號也只為模擬弱信號，而不是實際應(yīng)用中的，所以對實際應(yīng)用中不同的微弱信號檢測平臺的設(shè)計還需要進一步探討研究。

［1］聶紹龍，黃旭初，王宣銀.微弱信號檢測的原理及其實現(xiàn)［J］.電測與儀表，2002，39（444）：9-12.

［2］劉松江，陶翼.集成運算放大器在差分信號處理中的應(yīng)用［J］.計算機與數(shù)字工程，2008，36（6）：67-69.

［3］李強，明艷，陳前斌.基于Matlab的數(shù)字信號處理實驗仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.實驗技術(shù)與管理，2006，23（5）：81-83.

［4］張金利，景占榮，梁亮，等.微弱信號的調(diào)理電路設(shè)計和噪聲分析［J］.電子測量技術(shù)，2007，30（11）：40-42.

［5］肖寅東，趙輝，王厚軍.基于鎖相放大的微弱信號檢測電路前置濾波器設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2007，26（3）：86-88.

［6］何瑾，劉鐵根，孟卓，等.弱光強信號檢測系統(tǒng)前級放大電路的設(shè)計［J］.科學技術(shù)與工程，2007，9（7）：1904-1906.