劉傲東，廖宏宇，劉紫東

（1.延安大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，陜西延安 716000；2.第七〇五研究所，陜西 西安 710065；3.西安理工大學(xué)，陜西西安 710048）

隨著新技術(shù)革命的到來，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段[1]。它是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

由于傳感器輸出阻抗高，輸出的電信號往往十分微弱,有時(shí)甚至還有強(qiáng)烈的電磁及外界噪聲干擾[2]。一直以來微弱信號放大都是一個(gè)比較棘手的問題，特別是信號幅度達(dá)到微伏級且阻抗較大的弱小信號，電路設(shè)計(jì)的難度很大，噪聲難以控制。為了使信號采集系統(tǒng)能夠有效檢測并提取微弱信號，設(shè)計(jì)了一種具有高輸入阻抗、高共模抑制比、線性度好的低噪聲放大電路，可廣泛應(yīng)用于微弱信號檢測。

1 微弱信號放大電路設(shè)計(jì)方案

通常傳感器所接收到的信號都非常微弱，而且大多時(shí)候還被淹埋在環(huán)境噪聲之中。因此，要采集這樣的微弱信號，一般都要先經(jīng)過放大濾波處理，以將不相關(guān)的干擾和噪聲剝離掉，并且信號放大幅度要達(dá)到后續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠接收的信號范圍。通常，先通過前置放大電路完成阻抗匹配和初級放大，再通過濾波電路濾除掉大部分噪聲，最后通過后級放大電路輸出具有較高信噪比的待檢測信號。根據(jù)該項(xiàng)目需求，已知待檢信號為29～31 kHz 之間的單頻脈沖信號，脈寬約為10 μs，信號強(qiáng)度小于10-5dB，即傳感器輸出的待檢電壓信號幅度峰-峰值小于28.828 μV，要求將信號放大到80 dB 以上。為此設(shè)計(jì)電路原理框圖，如圖1 所示。

圖1 微弱信號放大電路原理框圖

2 微弱信號放大電路設(shè)計(jì)

2.1 前置放大電路設(shè)計(jì)

在整個(gè)電路中，系統(tǒng)的噪聲情況主要由前級放大電路決定。由級聯(lián)放大器的低噪聲原理[3]，一般要求前置放大電路的增益要盡可能大且具有低噪聲，這樣整個(gè)電路多級串聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)才會(huì)比較小[4]。多級放大器的總噪聲系數(shù)計(jì)算公式為[5]：

其中，Nf為多級放大器總的噪聲系數(shù)；Nf1、Nf2和Nf3為每一級的噪聲系數(shù)；G1、G2則為每一級的增益。從上式可以看出,系統(tǒng)的總噪聲主要取決于第一級的噪聲系數(shù)。越是后面的放大器,對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響就越小,這是因?yàn)樵降胶蠹墸盘柕墓β试酱?后面放大器內(nèi)部噪聲對信噪比的影響就較小了。因此,對第一級來說,不但希望噪聲系數(shù)小,也希望增益大,以便減小后級噪聲的影響。

由于具有儀表放大器輸入結(jié)構(gòu)的差分放大電路對共模輸入信號有很強(qiáng)的抑制能力[6]，對差模信號的影響較小，通常差分放大電路用來做集成運(yùn)算的輸入級和中間級，可以抑制由外界環(huán)境的變化帶給電路的影響[7]。在微小信號處理方面，一般先讓信號通過差分放大電路，從而提高信噪比。

該設(shè)計(jì)采用高精度儀表放大器INA828 來做前置放大電路設(shè)計(jì)，此放大器可通過單個(gè)外部電阻器在1～1 000 倍范圍內(nèi)設(shè)置增益。由于采用新的超β輸入晶體管（這些晶體管可提供極低的輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電壓漂移、輸入偏置電流以及輸入電壓和電流噪聲），該器件可提供出色的精度。其電路如圖2 所示。所接R1和R2輸入端電阻要相等，主要是為了使內(nèi)部的差分放大器盡量處于平衡狀態(tài),以提高共模抑制比。其次，應(yīng)考慮電路的實(shí)際需要，輸入端電阻取值越大，對前級要求越低，但也越容易引入干擾信號。因此在取值時(shí)應(yīng)綜合考慮，一般對于音頻電路來說，取10～47 kΩ之間比較合理。

圖2 前置放大電路圖

前置放大電路的增益為G=1+=501，即放大約54 dB。

2.2 濾波電路設(shè)計(jì)

為了提高電路的信噪比以及排除干擾,設(shè)計(jì)時(shí)最好用濾波器對差分放大后的信號進(jìn)行處理，這部分是噪聲抑制關(guān)鍵性的一步[8]。由于已知待檢信號的大概頻率范圍，為減輕后續(xù)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的壓力，該設(shè)計(jì)在前置放大電路之后加入了一個(gè)八階帶通濾波電路，以濾除有用信號頻帶以外的干擾和噪聲。

凌力爾特公司的LTC1562 是一款具有軌至軌輸入和輸出的低噪聲、低失真、連續(xù)時(shí)間濾波器，其專為10～150 kHz 的中心頻率f0而優(yōu)化[9]。和大多數(shù)單片式濾波器不同，該器件不需要時(shí)鐘。4 個(gè)獨(dú)立的二階濾波器部件能夠以任意組合進(jìn)行級聯(lián)，例如：一個(gè)八階濾波器或兩個(gè)四階濾波器。每個(gè)濾波器部件的響應(yīng)由3 個(gè)外部電阻器采用簡單的設(shè)計(jì)公式針對中心頻率、Q 值和增益進(jìn)行設(shè)置。每個(gè)二階濾波器部件提供低通和帶通輸出。如果用一個(gè)外部電容器替代了其中一個(gè)電阻器，則可提供高通響應(yīng)。另外，還可實(shí)現(xiàn)全通、陷波和橢圓濾波器響應(yīng)。

該電路利用凌力爾特公司免費(fèi)提供的濾波器設(shè)計(jì)軟件FilterCADv300.exe，以LTC1562 芯片為核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)八階巴特烏斯帶通濾波器，設(shè)定參數(shù)為中心頻率30 kHz，通帶4 kHz，阻帶20 kHz，阻帶衰減40 dB，帶通濾波電路見圖3。

圖3 帶通濾波電路圖

圖4 給出了帶通濾波電路仿真結(jié)果，其通帶為28～32 kHz，起伏為-3.55 dB，阻帶衰減為-48.36 dB。

圖4 帶通濾波電路仿真結(jié)果

2.3 后級放大電路設(shè)計(jì)

后級放大和前置放大的電路結(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)上的不同，只是設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量減小后級放大增益來盡可能降低由信號鏈路帶來的噪聲，保證最終輸出信號的質(zhì)量。

后級放大電路采用AD797 來進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]，它是一款極低噪聲、低失真運(yùn)算放大器，在音頻帶寬上具有低噪聲(0.9 nV/)和低總諧波失真(-120 dB)特性，此外還具有出色的壓擺率(20 V/μs)和增益帶寬(110 MHz)，低失真和16 位建立時(shí)間特性，使之非常適合緩沖Σ-Δ型ADC[11]的輸入或高分辨率DAC 輸出，也非常適合用作通用放大器。圖5 給出了后級放大電路圖，其增益約為36 dB。

圖5 后級放大電路圖

2.4 外觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

外觸發(fā)電路的目的主要是為了減輕采集系統(tǒng)的工作量，很多時(shí)候待采集信號大多為脈沖信號，采集系統(tǒng)只需采集放大后的該脈沖信號并進(jìn)行分析，但人們不知道該信號什么時(shí)候到來。據(jù)此為采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)外觸發(fā)電路[12]，只有采集系統(tǒng)被觸發(fā)時(shí)才開始采集信號。其基本原理為對后級放大電路輸出信號進(jìn)行二極管包絡(luò)檢波[13]，當(dāng)有脈沖信號到來并能過門限時(shí)，通過電壓比較器輸出一個(gè)TTL 觸發(fā)信號。外觸發(fā)電路見圖6。

圖6 外觸發(fā)電路圖

設(shè)計(jì)選用1N60 作為檢波二極管[14]。其導(dǎo)通電壓約為0.2～0.25 V，因此理論上后級放大電路輸出信號峰峰值要大于0.5 V，檢波器才有輸出。電壓比較器選用LM311，通過調(diào)整電位器R37的阻值來確定信號門限，當(dāng)檢波信號（LM311第2腳）大于LM311第3腳電壓時(shí)，LM311 輸出5 V 高電平，否則輸出低電平。只有在高電平時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才開始采集數(shù)據(jù)（信號），低電平時(shí)不采集。

3 電路測試

根據(jù)前述設(shè)計(jì)制作了實(shí)際電路板，并用信號分析儀35670A 進(jìn)行了電路增益、頻率響應(yīng)、脈沖信號和外觸發(fā)性能測試。輸入頻率為30 kHz 正弦連續(xù)信號，幅度為2 μVpp（設(shè)置信號源輸出20 mVpp信號，再用Agilent 手動(dòng)步進(jìn)衰減器衰減80 dB 即可得到該小信號），該信號理論值為-123 dB，實(shí)測幅度值為-123.17 dB，圖7 為放大后信號頻譜分析，幅度值為-32.86 dB，由此得到的系統(tǒng)增益為90.31 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 輸出信號頻譜測試

采用掃頻方式對整個(gè)電路進(jìn)行了0～51.2 kHz 范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)測試，幅度為-3 dB時(shí)通帶約為28.5～31.5 kHz，阻帶衰減約48 dB，與仿真結(jié)果基本一致，電路幅度頻率響應(yīng)如圖8 所示。

圖8 電路幅度頻率響應(yīng)

外觸發(fā)電路測試：輸入為脈寬10 ms、幅度16 μVpp、頻率30 kHz 的正弦信號，圖9 給出了輸出結(jié)果，理論值應(yīng)為0.506 V（放大90 dB），實(shí)測為0.52 V。圖10為檢波輸出以及觸發(fā)信號輸出結(jié)果。

圖9 脈沖信號放大測試

圖10 檢波輸出以及觸發(fā)信號輸出

4 信號采集及處理方法

采用USB-6366 作為信號采集卡[15]，通過外觸發(fā)信號上升沿觸發(fā)采集系統(tǒng)，為了避免干擾導(dǎo)致的誤觸發(fā)，系統(tǒng)連外觸發(fā)信號也一并采集，通過判斷外觸發(fā)信號脈寬來判斷采集的信號是否有效。下一步則是對采集的信號進(jìn)行處理，采用Chirip-z 變換[16]對信號進(jìn)行分析，其核心算法如下：

其中，f、s為采樣頻率；f1 為起始頻率；f2 為截止頻率。圖11為普通FFT分析結(jié)果（采樣率為250 kHz），圖12 為Chirip-z 分析結(jié)果（29～31 kHz），可見后者的分析效果遠(yuǎn)好遠(yuǎn)于前者。

圖11 普通FFT分析結(jié)果

圖12 Chirip-z分析結(jié)果

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種放大90 dB（約31 623 倍）的微弱信號放大電路，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試，所設(shè)計(jì)的電路可以有效地放大微弱信號到計(jì)算機(jī)能夠處理的范圍，滿足實(shí)際測量需求。對于設(shè)計(jì)高靈敏度、低噪聲放大電路具有實(shí)際參考意義。