閆巖+行鴻彥

摘 要： 針對微伏級直流電壓信號測量過程中存在信噪比低、測量精度不高和抗干擾能力差的問題，設計一種以TLC2652為核心器件的放大測量電路，實現了對5～45 μV范圍內電壓信號的精準放大。電路采用低通濾波電路、陷波電路降低內部噪聲與外部干擾；采用隔離電路，隔離測量端對采集端的影響；采用線性穩(wěn)壓芯片進行電源模塊的設計，提高測量精度并降低功耗。經仿真實驗驗證，說明所設計的微伏級直流電壓信號放大電路具有抑制共模干擾、抑制溫漂、穩(wěn)定性好、抗干擾性強等特點，測量精度達到0.044%。

關鍵詞： 信號放大電路； 放大測量電路； 低通濾波電路； 影響隔離

中圖分類號： TN721+.5?34； TM930 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0149?05

Abstract： In view of the facts that the low signal?to?noise ratio， poor anti?interference ability and low measurement accuracy exist in the measuring process of microvolt?level DC voltage signal， an amplifying measurement circuit taking TLC2652 as its core device is proposed in this paper to realize precision amplification of voltage signals （5～45 μV）. The low?pass filtering circuit and band?stop circuit are adopted to reduce its internal noise and external interference. The isolation circuit is adopted to isolate the effect of the measuring end on the collection end. The linear regulating chip is used in power module design to improve the measurement accuracy and reduce power consumption. The simulation experiment result proves that the amplifying measurement circuit for microvolt?level DC voltage signal can suppress common mode interference and temperature drifting， has good stability and strong anti?interference， and its accuracy can reach to 0.044%.

Keywords： signal amplifying circuit； amplification measuring circuit； low?pass filtering circuit； influence isolation

0 引 言

信號檢測是人們在當今時代獲取信息的重要途徑。在需要微弱信號檢測的各個領域中，各種微弱的物理量信號都需要先轉換成電壓或電流信號之后再進行放大、并進行信號檢測處理，因此研究微弱信號的檢測方法具有重要意義。然而，由各種微弱物理量信號轉換得到的電信號多數是微弱的直流或低頻信號，如微波功率檢波器輸出的信號[1]。微弱信號，顧名思義信號的幅度是極其微弱的，但這不是微弱信號檢測的難點所在，檢測微弱直流信號的困難在于其被嚴重淹沒于噪聲信號中。在實際的電路測量系統(tǒng)中，微弱的直流信號更是容易受到各種直流誤差的影響，特別是放大器的失調、漂移等誤差的影響[1]。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，因此，直流微弱信號的檢測困難重重。

從了解的資料來看，對微伏級直流電壓信號的測量大致分為兩種測量方法。一是將直流信號調制成幅值和直流信號呈比例關系的方波交流信號[2]。以避免直接放大微弱直流信號存在直流誤差的影響，特別是直流放大器失調電壓的影響，還可以避免外部工頻干擾等低頻噪聲的影響。在各種直流調制技術中，應用最廣泛的就是通過場效應管的開關特性來作為調制器。通過一定頻率的控制信號控制場效應管柵極電壓的極性來控制場效應管的通斷，以達到調制直流信號的目的[1]。但存在的問題是：在調制過程中會產生斬波失調電壓、調制尖峰信號等。場效應管作為電子開關的同時也存在開關管損耗。實際應用中模擬開關的這種理想效果是不可能達到的，場效應管開關在作為調制器時，無論有無輸入信號，只要存在調制信號，模擬開關的輸出端都會產生瞬態(tài)的尖峰電壓，而且還會引起輸出信號漂移，從而造成測量結果不精確。二是利用特低噪聲、特低漂移的高精度直流放大器對微弱直流信號進行測量。如市面上的高精度直流放大器輸出電壓能達到伏級，可以給數據采集和處理，但存在的問題是，價格昂貴，不能廣泛應用于實踐研究。

為了解決微弱直流電壓信號測量易受噪聲干擾、測量精度不高、抗干擾能力差的問題，設計微伏級信號放大電路時，采用高精度儀表運算放大器TLC2652進行信號的精準放大，以提高測量精度；采用四階低通濾波電路、雙T型帶阻濾波電路來減小內部噪聲與外部干擾；采用高精度模擬信號隔離電路，隔離測量端對采集端的影響；采用低噪聲、高效率的電源芯片及線性穩(wěn)壓芯片進行電源模塊的設計，以提高測量精度并降低功耗。

1 設計思路

微伏級直流電壓信號，首先要通過放大才能被后端電路所采集。然而，后端采集電路的電壓工作范圍一般在伏級，因此放大電路的放大倍數應該設置的很大。但實現較高的放大倍數必須要進行多級放大才可實現，因為輸入的直流微弱信號和噪聲是疊加在一起的，一般比噪聲小很多，如果輸入級放大倍數設置過大，微弱直流電壓信號在被放大的同時，噪聲信號同樣也會被放大，造成后續(xù)很難去除噪聲[3]。但隨著放大級數的增多，勢必也帶來很多雜波，此外，微弱直流信號的測量易受到各種低頻噪聲的干擾，及各種直流誤差的影響，如放大器中的失調電壓、溫漂等。工頻干擾也是一種低頻噪聲，這種干擾電信號進入電子檢測系統(tǒng)會嚴重影響微弱信號檢測的準確性。

因此，針對輸入信號為微伏級直流電壓信號，測量過程中存在信噪比低、測量精度不高、抗干擾能力差的問題，設計了微伏級直流電壓信號放大電路。系統(tǒng)主要由高精度儀表放大電路、低通濾波電路、陷波電路及高精度隔離電路組成。微伏級直流電壓信號采用屏蔽電纜送進高精度儀表放大電路進行初步放大后，首先進行低通濾波，再輸入到中間級放大電路進行主要放大，而后進行高頻噪聲和市電50 Hz降噪處理，以及通過高精度模擬信號隔離電路隔離測量端對采集端的影響，實現輸入、輸出和電源間的相互隔離。應用低噪聲、高效率的電源芯片及線性穩(wěn)壓芯片進行電源模塊的設計，以提高測量精度并降低功耗。經實驗測量，系統(tǒng)可以實現對5～45 μV范圍內電壓信號的精準放大，放大輸出電壓范圍為0.25～2.25 V，完全可以滿足后級采集電路的需要，且能夠達到0.044%的精度。此外，該電路還具有抗共模干擾、抑制溫漂、穩(wěn)定性好、抗干擾性強等特點。微伏級電壓信號放大電路系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

2 信號放大電路

信號放大電路采用初級放大和中間級放大兩級放大形式。傳感器采樣輸出的直流電壓信號經屏蔽電纜輸入到初級放大電路，因此需要檢測的直流電壓信號微弱且含有大量雜波。從而要求選用的運算放大器具有以下特點：低失調電壓、低溫度漂移的高性能差動放大電路，以克服溫漂；選用開環(huán)增益較大的運放，而單級放大器的閉環(huán)增益不可過大，這會大大減小增益誤差，從而提高檢測信號的精度。

因此，設計電路時采用高精度斬波穩(wěn)零運算放大器TLC2652，具有優(yōu)異的直流特性，失調電壓及其漂移、低頻噪聲、電源電壓變化、共模電壓等對運算放大器的影響被降低到了最小[4]。Multisum中的具體設計電路如圖2所示。

運算放大器TLC2652的增益由輸入電阻和反饋電阻決定，計算公式為：

設計時輸入電阻 kΩ，反饋電阻 kΩ，電路增益為50。電路中為確保運算放大器輸入級差分放大電路的對稱性，設置補償電阻，其值為輸入端接地時，反相輸入端總等效電阻。電路中，使用絕緣電阻很高的優(yōu)質電容器，可選擇的容量范圍為0.1～1 μF之間。放大倍數的設置，要考慮到初級放大電路中存在有用信號和噪聲一起輸入的問題，如果初級放大電路的增益設置較大，信號和噪聲將被同時放大，在這種情況下，若噪聲幅值較大，無疑會降低電路信噪比（信噪比是指電子系統(tǒng)中信號和噪聲的比值），不便于對信號的進一步去噪處理。另外，為確保運算放大器的精度，負反饋電阻的精度要很高，同時電路的閉環(huán)增益不能設置的太大；保證印制板較高的質量，以避免印制板表面存在的漏電流問題[4]。為此，可在印制板上設置保護環(huán)。高精度儀表放大器在放大微弱直流信號時，通?？稍谳敵龆思右坏屯V波電路，以濾除輸出電壓中的交流分量來減小交流干擾，使電壓輸出更加穩(wěn)定。中間級放大電路，設置在四階低通濾波電路之后，主要目的是實現放大模塊較大的放大倍數。

3 濾波電路

因為需要檢測的微伏級直流電壓信號非常微弱且含有大量雜波，測量回路、儀表放大電路和相關器件的固有噪聲以及外界的干擾噪聲通常比被檢測目標信號的幅值大很多，有用信號和噪聲在經儀表放大電路后將被同時放大。此外，電路結構的不合理設計也會引入噪聲干擾，所以，僅對信號進行放大是測量不出微伏級這樣微小信號的[5]。電路中為了更好地提取出有用信號，設計了濾波模塊來有效地抑制噪聲。

3.1 低通濾波電路

針對電路系統(tǒng)的內部噪聲以及外部系統(tǒng)的干擾多為交流信號，設計四階巴特沃斯型有源低通濾波電路對輸入級放大電路的輸出電壓信號進行處理，以抑制放大了的噪聲信號。設置低通濾波電路的截止頻率為20 Hz，選用單片集成運算放大器OP200，具體器件參數設置及電路設計如圖3所示。圖4為電路在Multisum中仿真的幅頻特性。

3.2 陷波電路

陷波電路也即帶阻濾波電路，主要用來減少工頻干擾。通常使用的各種儀器的供電電源都為市電或者經市電轉換得到，而市電的頻率為50 Hz。這樣測量電路中就會串入工頻，產生工頻干擾，嚴重時將導致電路無法接收信號[6]。電路中采用經典的雙T型帶阻濾波電路，其中要求電阻R和電容C有較高的精度，以保證帶阻濾波電路的中心頻率正好在50 Hz處。圖5為陷波電路結構原理圖。

由此可以得出結論：為了使設計的陷波電路性能最佳，也即滿足窄帶濾波效果和高Q值，m應接近1取值。

設計電路時采用增益調節(jié)電位器，使其在50 Hz處衰減效果最好。經計算kΩ， μF；為增益帶寬調節(jié)電位器。圖6為具體設計電路，圖7為50 Hz陷波電路在Multisum中仿真的幅頻特性圖。

4 隔離電路

在微伏級直流電壓信號放大測量過程中，抗干擾是一個不可避免的問題。若不通過信號隔離，測量系統(tǒng)就會引入各種電磁干擾。目標信號中混入干擾信號，不但會降低測量的準確度，而且尖峰電磁脈沖會對后端采集電路造成一定破壞。因此，針對微弱直流電壓信號測量存在的干擾問題，設計了隔離電路。

發(fā)光二極管和光敏三極管的伏安特性使光電耦合器件非線性失真十分嚴重，一般只用來隔離數字信號，而不能簡單應用到對模擬信號的隔離。因此，模擬信號的隔離相對復雜的多，一方面要求其達到隔離效果，另一方面又要求最大限度地使模擬信號不失真，也就是能確保模擬信號的線性傳輸[7]。有源隔離模塊T6550D/S內部采用電磁隔離技術，精度達到13～14位，具有良好的線性度及優(yōu)良的溫漂與時漂性能[8]，能夠實現輸入/輸出和電源間的相互隔離，非常適合高精度信號隔離測量。電路接口如圖8所示。

5 電源模塊設計

可設計市電和鋰電池為采集系統(tǒng)提供工作電源。市場上常見的開關電源裝置可實現將220 V交流電轉換為12 V直流電輸出，采用18650鋰電池組供電時，輸出電壓也為12 V左右。為了使信號放大電路得到穩(wěn)定、噪聲小的電壓，選用低噪聲、高效率電源芯片LTC3621。通過開關型穩(wěn)壓芯片LTC3621將12 V降壓得到5.5 V。LTC3621是一款高效率單片式降壓型開關穩(wěn)壓電源芯片，其開關頻率為1 MHz，并具有±40% 的同步范圍。穩(wěn)壓器具有超低的靜態(tài)電流，并可在寬輸出電壓范圍內實現高效率。該降壓型穩(wěn)壓器在輸入電壓為2.7～17 V 的范圍內工作，輸出電流高達1 A的同時提供一個介于0.6 V和Vin之間的可調輸出電壓[9]。開關電源的高轉換效率和線性電源的低噪聲確保測量系統(tǒng)的低功耗和測量精度。LTC3621 的輸出公式為：。LTC1763 為極低輸入/輸出壓差（300 mV） 和極低靜態(tài)電流（30 μA）的線性調壓器，將5.5 V穩(wěn)壓得到5 V輸出電壓。另外，通過DC_DC開關穩(wěn)壓器LTC1983，可以得到-5 V的輸出電壓。5 V電壓通過集成電路DU1PO?05D15可以產生±15 V的電壓輸出。

6 實驗驗證

本實驗是基于微伏級直流電壓信號放大電路系統(tǒng)中的初級放大電路、低通濾波電路、中間級放大電路及陷波電路進行仿真實驗的。仿真電路如圖10所示。

仿真結果數據如表1所示。仿真電路中的萬用表顯示值分別是電壓信號通過各個模塊后的值。由測量結果數據可得出，系統(tǒng)可以實現對5～45 μV直流電壓信號的精準放大（放大倍數為50 000），且測量放大電路能達到0.044%的精度。絕對誤差的定義為測量的實際值與被測量的理想真值之差，相對誤差為絕對誤差與被測量的理想真值之比[10]，根據系統(tǒng)測試數據計算得到該組數據的平均相對誤差為0.15%。

7 結 論

基于高精度儀表放大電路、濾波電路及隔離電路設計了微伏級直流電壓信號放大電路，實現了對輸入5～45 μV的直流電壓信號的精準放大，放大信號輸出范圍為0.25～2.25 V，完全滿足后級采集電路的需要。此外，電路采用低靜態(tài)電流、低輸入/輸出壓差的線性穩(wěn)壓芯片進行電源模塊的設計，提高了測量精度并降低功耗。經仿真實驗驗證，該微伏級直流電壓信號放大電路能夠達到0.044%的精度，測試數據的平均相對誤差達到0.15%。電路具有抗共模干擾、抑制溫漂、穩(wěn)定性好、抗干擾性強等特點。因此該信號放大電路可廣泛應用于對穩(wěn)定度、測量精度要求較高的模擬信號采集電路中。

參考文獻

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