重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院 王緒龍重慶大學(xué)弘深學(xué)院 李清坤重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 瞿智顯

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基于ADS1256的直流微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)研究

重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院 王緒龍
重慶大學(xué)弘深學(xué)院 李清坤
重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 瞿智顯

【摘要】在科學(xué)研究中，微弱信號(hào)往往是必不可少的，而由于信號(hào)的特性及周?chē)肼暱赡茌^大，因此對(duì)信號(hào)處理電路的要求較高。本文設(shè)計(jì)了一種用于直流微弱信號(hào)檢測(cè)的電路，對(duì)其主要模塊電路組成及電氣性能進(jìn)行了介紹，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)可測(cè)量±2.1mV的信號(hào)，分辨率為1mV，最大誤差為3.1%，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的精度要求。

【關(guān)鍵詞】直流；微弱信號(hào)；ADS1256；TMS320F28335

0 引言

微弱信號(hào)一般指十分微小，變化不易發(fā)現(xiàn)的信號(hào)，而在科學(xué)研究中，微弱信號(hào)十分常見(jiàn)。例如在生物反應(yīng)中中存在的緩慢的生物化學(xué)反應(yīng)、微小生物電現(xiàn)象等；在天文學(xué)中星體光譜、輻射的分析等；在物理學(xué)中對(duì)物質(zhì)的特性、電磁場(chǎng)的微小變化、物理熱學(xué)的分析等；在光學(xué)中對(duì)各種光光譜的分析；以及其他各學(xué)科領(lǐng)域，可以說(shuō)微弱信號(hào)無(wú)處不在。微弱信號(hào)往往反映了自然科學(xué)現(xiàn)象的微小變化，因此，檢測(cè)微弱信號(hào)的強(qiáng)度及其變化具有重要的意義[1]。

檢測(cè)微弱信號(hào)時(shí)，往往需要將其他形式的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，尤其是電壓信號(hào)。這其中就需要用到精密的傳感器電路，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大等處理。但由于微弱信號(hào)量級(jí)較低，周?chē)嬖谠肼晻r(shí)會(huì)導(dǎo)致相對(duì)誤差較大甚至被噪聲淹沒(méi)，同時(shí)器件本身的影響亦不可忽略，如傳感器的溫度漂移，零點(diǎn)漂移，放大器的漂移、失調(diào)等特性。

在實(shí)際的電路測(cè)量系統(tǒng)中，微弱的直流信號(hào)更加容易受到直流或低頻噪聲的影響，因此直流微弱信號(hào)的檢測(cè)更是十分困難。此外，微弱直流電壓信號(hào)的檢測(cè)還容易受到各種低頻噪聲的干擾，所以微弱直流電壓信號(hào)的檢測(cè)相比于交流信號(hào)難度更大。

因此，本測(cè)量系統(tǒng)采用差模信號(hào)處理方式，采用雙級(jí)儀表放大器，減少了共模噪聲干擾及放大器自身的零漂誤差；采用24位傳感器ADS1256及高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335，提高了數(shù)據(jù)測(cè)量精度。

1 測(cè)量系統(tǒng)組成

根據(jù)微弱信號(hào)的測(cè)量要求，系統(tǒng)由多級(jí)放大、濾波模塊組成，其模塊構(gòu)成由圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1中，信號(hào)先經(jīng)過(guò)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的無(wú)源濾波電路濾除測(cè)量回路中的共模高頻干擾信號(hào)，再采用高精度初級(jí)儀表放大電路，對(duì)微弱信號(hào)做第一級(jí)放大，采用濾波電路和放大電路相結(jié)合的方式，可以有效地降低放大電路本身噪聲的影響以及放大的干擾信號(hào)對(duì)后端器件的損壞，采用隔離電路可以消除電路中的一部分干擾，同時(shí)也能起到采集控制單元與測(cè)量回路在電源上的隔離。本文重點(diǎn)研究了測(cè)量電路中幾個(gè)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了直流微弱信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量。

2 關(guān)鍵模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)源濾波電路設(shè)計(jì)

濾波電路是在信號(hào)處理過(guò)程中常用的電路，其主要功能將輸入信號(hào)中的目標(biāo)信號(hào)及有用部分濾過(guò)，將輸入信號(hào)中的噪聲部分，無(wú)用信號(hào)濾除[2]。由于電源電路、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)字電路等部分均會(huì)產(chǎn)生噪聲，為了獲得更純凈的有用信號(hào)，必須將噪聲信號(hào)濾除。本部分設(shè)置二階無(wú)源低通濾波器，這種濾波器由電阻、電容組成，但需要較低的信號(hào)源阻抗和較高的負(fù)載阻抗。該濾波器位于放大器前端，對(duì)信號(hào)進(jìn)行初級(jí)的處理。電路原理如圖2所示。

其傳遞函數(shù)為：

截止角頻率：

截止頻率：

其電路原理圖為：

圖2 無(wú)源濾波電路原理圖

取R=10k，第一級(jí)電容C=2.2uF，第二級(jí)電容C=1uF，其幅頻響應(yīng)波特曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 無(wú)源濾波電路幅頻特性曲線(xiàn)

2.2 儀表放大電路設(shè)計(jì)

由于待測(cè)電壓信號(hào)為微弱信號(hào)，信號(hào)量級(jí)最小可以達(dá)到uV級(jí)的，因此，需要做信號(hào)放大處理。對(duì)測(cè)量電路而言，共模抑制比CMRR是影響測(cè)量精度的關(guān)鍵指標(biāo)。本文采用差分運(yùn)放構(gòu)成雙端輸入-單端輸出的差分放大電路，該電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比，能有效抑制共模信號(hào)，常用于多級(jí)直接耦合放大電路的輸入級(jí)和中間級(jí)[3]，具體電路圖如圖4所示。差分運(yùn)放芯片采用INA128，放大電路模塊由雙級(jí)放大電路組成。每一級(jí)均有儀用放大器INA128及其相關(guān)電路組成。INA128 增益高達(dá)10000 倍，共模抑制比可達(dá)120dB，而且只需外接一個(gè)電阻就可調(diào)節(jié)增益。INA128可將毫伏級(jí)的信號(hào)放大成伏級(jí)信號(hào)，便于測(cè)量。雙級(jí)放大電路如圖所示。增益與外界電阻的計(jì)算公式為：

如圖4所示，兩個(gè)放大器級(jí)聯(lián)，第一級(jí)放大器差分輸入；第二級(jí)放大器同相輸入，反相接地，以減少噪聲影響。

每級(jí)放大器增益為：G’=1+50/1.5=34.3；

圖4 差分放大電路

2.3 有源濾波電路設(shè)計(jì)

如前所述，由于測(cè)量信號(hào)十分微弱,容易被外界及器件自身噪聲淹沒(méi), 放大電路在放大測(cè)量信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲, 同時(shí)由于電路拓?fù)洳缓侠?，亦將?dǎo)致噪聲升高。因此，及時(shí)前端接入無(wú)源濾波電路，但是器件本身的漂移噪聲有可能繼續(xù)存在于電路之中。因此僅對(duì)信號(hào)放大是測(cè)量不出微弱信號(hào)的。只有在有效地抑制噪聲的條件下放大微弱信號(hào)才能提取出有用信號(hào)[4]。信號(hào)放大后， 接一階有源濾波電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的濾波。

其傳遞函數(shù)為：

其中：

其電路原理圖如圖5所示。

該電路的幅頻特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

2.4 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

AD轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的低噪聲高分辨率的24位Sigma—Delta(Σ-一△)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)ADS1256，該款A(yù)DS1256可適合于采集最高頻率只有幾千赫茲的模擬數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)輸出速率最高可為30K采樣點(diǎn) (SPS)，有完善的自校正和系統(tǒng)校正系統(tǒng)，SPI串行數(shù)據(jù)傳輸接口[5]。在本文所設(shè)計(jì)的電路中，ADS1256用于直流微弱信號(hào)采集，電壓基準(zhǔn)取2.5V，最小測(cè)量精度可達(dá)1uV。采用平均值法，采集1s內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行取平均值，提高數(shù)據(jù)精度。AD轉(zhuǎn)換部分電路原理圖如圖7所示。

圖5 有源濾波電路原理圖

圖6 有源濾波電路幅頻特性曲線(xiàn)

圖7 ADS1256 ADC基本電路

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，本文采用直流穩(wěn)壓電源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試流程見(jiàn)圖8。實(shí)際制作的直流小信號(hào)源系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測(cè)試，輸出信號(hào)在±2.5V可調(diào)，分辨率為1mV，相對(duì)誤差小于3.1%。

圖8 系統(tǒng)測(cè)試流程

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文研究制作了直流小信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)中主要模塊的功能及設(shè)計(jì)思路，繪制了原理圖并進(jìn)行仿真。最后利用直流穩(wěn)壓電源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果證明，系統(tǒng)可測(cè)量±2.1mV的信號(hào)，分辨率為1mV，最大誤差為3.1%，平均誤差為1.52%。證明所設(shè)計(jì)的測(cè)量電路能夠精確地測(cè)量微弱信號(hào)，該電路應(yīng)用前景廣闊，可將其作為標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量?jī)x器使用，或者將該電路前端接一傳感器，將電路作為專(zhuān)用的信號(hào)測(cè)量?jī)x器使用。

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王緒龍（1994—），男，大學(xué)本科，主要研究方向：電力電子，嵌入式系統(tǒng)。

李清坤（1995—），男，大學(xué)本科，主要研究方向：接地網(wǎng)檢測(cè)，嵌入式系統(tǒng)。

瞿智顯（1994—），男，大學(xué)本科，主要研究方向：電工理論與新技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介：