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

?

基于ADS1256的直流微弱信號檢測系統(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，微弱信號往往是必不可少的，而由于信號的特性及周圍噪聲可能較大，因此對信號處理電路的要求較高。本文設(shè)計了一種用于直流微弱信號檢測的電路，對其主要模塊電路組成及電氣性能進行了介紹，并通過實驗驗證了系統(tǒng)可測量±2.1mV的信號，分辨率為1mV，最大誤差為3.1%，能夠滿足系統(tǒng)對信號的精度要求。

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

0 引言

微弱信號一般指十分微小，變化不易發(fā)現(xiàn)的信號，而在科學(xué)研究中，微弱信號十分常見。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)中對物質(zhì)的特性、電磁場的微小變化、物理熱學(xué)的分析等；在光學(xué)中對各種光光譜的分析；以及其他各學(xué)科領(lǐng)域，可以說微弱信號無處不在。微弱信號往往反映了自然科學(xué)現(xiàn)象的微小變化，因此，檢測微弱信號的強度及其變化具有重要的意義[1]。

檢測微弱信號時，往往需要將其他形式的信號轉(zhuǎn)化為電信號，尤其是電壓信號。這其中就需要用到精密的傳感器電路，然后對信號進行放大等處理。但由于微弱信號量級較低，周圍存在噪聲時會導(dǎo)致相對誤差較大甚至被噪聲淹沒，同時器件本身的影響亦不可忽略，如傳感器的溫度漂移，零點漂移，放大器的漂移、失調(diào)等特性。

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

因此，本測量系統(tǒng)采用差模信號處理方式，采用雙級儀表放大器，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)字信號處理器TMS320F28335，提高了數(shù)據(jù)測量精度。

1 測量系統(tǒng)組成

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

圖1 測量系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1中，信號先經(jīng)過對稱結(jié)構(gòu)的無源濾波電路濾除測量回路中的共模高頻干擾信號，再采用高精度初級儀表放大電路，對微弱信號做第一級放大，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對后端器件的損壞，采用隔離電路可以消除電路中的一部分干擾，同時也能起到采集控制單元與測量回路在電源上的隔離。本文重點研究了測量電路中幾個關(guān)鍵模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了直流微弱信號的準確測量。

2 關(guān)鍵模塊電路設(shè)計

2.1 無源濾波電路設(shè)計

濾波電路是在信號處理過程中常用的電路，其主要功能將輸入信號中的目標信號及有用部分濾過，將輸入信號中的噪聲部分，無用信號濾除[2]。由于電源電路、信號調(diào)理電路、數(shù)字電路等部分均會產(chǎn)生噪聲，為了獲得更純凈的有用信號，必須將噪聲信號濾除。本部分設(shè)置二階無源低通濾波器，這種濾波器由電阻、電容組成，但需要較低的信號源阻抗和較高的負載阻抗。該濾波器位于放大器前端，對信號進行初級的處理。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 無源濾波電路原理圖

取R=10k，第一級電容C=2.2uF，第二級電容C=1uF，其幅頻響應(yīng)波特曲線見圖3。

圖3 無源濾波電路幅頻特性曲線

2.2 儀表放大電路設(shè)計

由于待測電壓信號為微弱信號，信號量級最小可以達到uV級的，因此，需要做信號放大處理。對測量電路而言，共模抑制比CMRR是影響測量精度的關(guān)鍵指標。本文采用差分運放構(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，常用于多級直接耦合放大電路的輸入級和中間級[3]，具體電路圖如圖4所示。差分運放芯片采用INA128，放大電路模塊由雙級放大電路組成。每一級均有儀用放大器INA128及其相關(guān)電路組成。INA128 增益高達10000 倍，共模抑制比可達120dB，而且只需外接一個電阻就可調(diào)節(jié)增益。INA128可將毫伏級的信號放大成伏級信號，便于測量。雙級放大電路如圖所示。增益與外界電阻的計算公式為：

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

每級放大器增益為：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

如前所述，由于測量信號十分微弱,容易被外界及器件自身噪聲淹沒, 放大電路在放大測量信號的同時也放大了噪聲, 同時由于電路拓撲不合理，亦將導(dǎo)致噪聲升高。因此，及時前端接入無源濾波電路，但是器件本身的漂移噪聲有可能繼續(xù)存在于電路之中。因此僅對信號放大是測量不出微弱信號的。只有在有效地抑制噪聲的條件下放大微弱信號才能提取出有用信號[4]。信號放大后， 接一階有源濾波電路，對信號進行進一步的濾波。

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見圖6。

2.4 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

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 (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)計的電路中，ADS1256用于直流微弱信號采集，電壓基準取2.5V，最小測量精度可達1uV。采用平均值法，采集1s內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)，并對其進行取平均值，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

圖7 ADS1256 ADC基本電路

3 系統(tǒng)性能測試

為驗證系統(tǒng)性能，本文采用直流穩(wěn)壓電源對系統(tǒng)進行測試，測試流程見圖8。實際制作的直流小信號源系統(tǒng)經(jīng)實際測試，輸出信號在±2.5V可調(diào)，分辨率為1mV，相對誤差小于3.1%。

圖8 系統(tǒng)測試流程

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

4 結(jié)論

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

參考文獻

[1]劉暾東,柳小鵬,余齊齊. 高精度模擬量采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2006,11:1575-1577+1588.

[2]W.Xiong,F.P.Dawalibi,Transient Performance of Substation Grounding SystemsSubjected to Lighting and Similar Surge Current[J].IEEE Transaction on Powe rDelivery,1994,9(3):1412-1420.

[3]陳淑芳.儀用放大器簡介及應(yīng)用[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,09:102-103.

[4]賀智修.七階巴特沃茲低通濾波器的設(shè)計[J].自動化與儀表,1996,04:15-18.

[5]孫沁梅,盧益民.高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256的原理和應(yīng)用[J].計算機與數(shù)字工程,2005,03:94-97.

[6]趙勇,郭亮,成永紅.微弱直流信號測量電路設(shè)計[J].高壓電器,2008,04:356-358.

[7]韓巍,陳剛,王偉,郭家齊,宿建樂,盧憲雨.基于ADS1256的靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)采集板卡開發(fā)[J].工程與試驗,2010,02:56-58.

[8]梁培艷.微弱直流電壓信號檢測[D].電子科技大學(xué),2013.

[9]涂劍鵬,何尚平,羅小青,郭波.基于差分放大電路的寬帶直流放大器的設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2010,02:91-93.

[10]張喬斌,歐陽群,崔明洋.基于ADS1256的艦船電場測量系統(tǒng)研究[J].微計算機信息,2010,20:49-50+30.

[11]姜鵬,徐科軍.一種典型的差分放大電路設(shè)計與測試[J].微型機與應(yīng)用,2010,20:25-28.

[12]張銘存,肖忠祥,楊巖.基于ADS1256的地震數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,24:134-135+139.

[13]蘇啟錄.惠斯登電橋測量靈敏度的實驗研究[J].大學(xué)物理實驗,2006,02:6-10.

[14]王佑明,張志利,龍勇.直流雙臂電橋測量低電阻的誤差分析[J].電子測量技術(shù),2007,01:154-156.

[15]蘇啟錄.惠斯登電橋測量靈敏度研究[J].大學(xué)物理實驗,2004,04:29-32.

[16]蘇利,馮文超.基于差分對管的差分放大電路設(shè)計[J].長江大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,07:81-83+279.

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，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)。

作者簡介：