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        MCF51QE128的微弱信號檢測技術(shù)研究

        2014-08-27 08:33:54王振宇王萍
        關(guān)鍵詞:共模調(diào)理噪聲

        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。

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