第25卷󰀁第1期󰀁󰀁󰀁󰀁2010年3月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁西󰀁南󰀁科󰀁技󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁JournalofSouthwestUniversityofScienceandTechnology󰀁󰀁󰀁Vo.l25No.1󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Mar.2010

󰀁收稿日期:2009-09-20

󰀁基金项目:四川省安监局基金资助项目(2007-21),四川省教育厅基金资助项目(07zd1102)。󰀁作者简介:赵亮(1984-),女,在读研究生,主要研究方向:气体检测、硬件电路设计与调试。E-mai:l79536348@qq.com微弱信号调理电路的设计及研究

赵󰀁亮󰀁刘先勇󰀁袁长迎󰀁李驹光󰀁蒙󰀁瑰

(西南科技大学光声检测研究室󰀁四川绵阳󰀁621010)

摘要:精确的信号调理技术是测控领域发展的重要方向。基于开关电容滤波器和程控放大器设计了一种新的信号

调理电路,采用ATmega128单片机自适应地调整开关电容的滤波参数和程控放大器的放大倍数。微音器微弱信号

检测的实验结果表明,该电路能达到动态范围几微伏到几十毫伏、灵敏度1󰀁V、响应时间优于1ms的技术指标,具

有性能稳定,可靠性高、灵活性强、可编程等特点。

关键词:微弱信号󰀁自动跟踪滤波器󰀁可编程增益󰀁动态范围

中图分类号:TN402󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1671-8755(2010)01-0064-04

DesignandStudyofWeakSignalConditioningCircuit

ZHAOLiang,LIUXian󰀁yong,YUANChang󰀁ying,LIJu󰀁guang,MENGGui

(ResearchLaboratoryofPhotoacousticDetection,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,

Mianyang621010,Sichuan,China)

Abstract:PreciseSignalConditioningtechnologyisanimportantdirectionthatthefieldofmonitoringde󰀁

velops.BasedonSwitchCapacitorFiltersandDynamicRangeInstrumentationAmplifier,thisarticlepro󰀁

posedanewSignalConditioningcircui,tadoptingthe128ATmegaMicrocontrollerautomaticallyadjustfil󰀁

teringparametersofSwitchCapacitorFiltersandmagnifyingmultipleofDynamicRangeInstrumentation

Amplifier.TheexperimentsofWeakSignalDetectiononMicrophoneshowthatthecircuitsachievesthe

followingtechnicalstandard:(1)DynamicRangesfromseveral󰀁VtotensofmV;(2)Sensitivity:1;

(3)Rresponsetime:excel1ms.

Keywords:WeakSigna;lAuto󰀁trackingFilter;ProgrammableGain;DynamicRange

精确的信号调理是微弱信号检测[1](WeakSignalDetection)中的关键技术,使得微弱量(如弱光、小位

移、微振动、弱声及微电流等)的检测成为可能,大大提高了微弱信号检测的精度。信号调理就是将待测信

号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号,该技术在工业、仪器仪表和便携式消费类电

子设备中具有广泛的应用前景。

本文基于开关电容和程控放大器设计了一种新的信号调理电路,采用ATmega128单片机自适应地调整

该电路的滤波参数和放大倍数,最后给出微音器(几微伏~几十毫伏)信号处理的实验结果。

1󰀁系统框图

传感器信号调理的基本流程是:传感器的物理量信号转化为电信号后,依次经过各级滤波、放大模块,最

后送入A/D转换器,转换为数字信号进行处理。图1给出了本信号调理电路的结构框图,包括3个部分:预处理部分;可编程控制部分;单片机主控部分。

2󰀁硬件电路设计和噪声分析

2.1󰀁预处理部分设计和噪声分析

该部分由前置放大、初级滤波和二级放大电路组成

(如图2所示),完成弱信号的初级滤波和放大。

微音器输出电压信号范围在几微伏~几十毫伏,所以

须选择合适的前置放大器型号,以减少放大器自身引入的

噪声。前置放大电路主要的3个噪声源是:运放的电压噪

声、电流噪声和电阻的热噪声(Johnsonnoise)。一般运放的噪声分布特点是:在中频呈现白噪声,低频是1/

f噪声(频谱密度与频率的平方根成反比),1/f噪声是直流耦合

测量的主要噪声源[2]。具有自稳零(auto-zero)特点的运放可以

大大减弱1/f噪声,同时具有极小的输入失调电压(几个微伏),

最适用于低频或直流微弱信号的测量。这种运放的型号很多,本

系统采用MAXIM公司的ICL7650前置放大在放大有用信号的同

时,噪声也随之放大,要消除这部分噪声,就需要设置滤波器环节,选择合适的滤波器和参数。传感器信号滤

波最常用的是RC有源模拟滤波器(如图3所示),其结构简单、成本低,可初步滤除背景噪声。

前置放大电路由于运放带宽的限制放大倍数一般较小,同时由于其带负载能力较低,所以需要二级放

大。二级放大部分需要选择低噪声、高带宽的运放,本系统采用AD公司AD620。

2.2󰀁可编程控制部分

该部分由开关电容滤波和程控放大器组成,是信号调理电路的关键。

2.2.1󰀁开关电容滤波

开关电容是一自动跟踪滤波器,被跟踪频率信号在通过滤波器时其增益和相位保持恒定,同时其它频率

成分受到衰减,进而提高信噪比。

本设计采用MAX260搭建自动跟踪滤波器。每片MAX260包括两个二阶开关电容有源滤波器,每个二

阶滤波器组件有4种工作方式及各自的时钟输入和独立的f0和Q控制。每个二阶组的中心频率是由其输入

的时钟频率和6位编程代码决定的,Q值由7位代码控制。本设计将两个二阶带通滤波组级接(如图6),构成

四阶有源滤波器[3],其框图如图4所示。

需要滤波的输入信号分两路,一路进入滤波器MAX260;另一路经触发器CD4093整形之后变为方波

信号,再进入CD4046锁相环电路,通过锁相倍频产生MAX260自动跟踪滤波所需的N倍频时钟信号,本设

计中N=100。

时钟信号产生电路如图5所示,方波进入锁相环CD4046后从其3脚输出,接着输入两级CD4518级联65󰀁第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁赵󰀁亮,等:微弱信号调理电路的设计及研究󰀁构成的100倍分频器后再返回CD4046的4脚。因此,从CD4046的4脚可以输出100倍频的方波信号作为

MAX260的时钟信号。

经过100倍频之后,方波频率fCLK=100󰀂f0,然后进入MAX260的11,12脚时钟端(见图6)。对于

MAX260,由于之前选择的fCLK󰀁f0=100,所以滤波之后的信号中心频率等于送入信号的频率,使得带通滤

波器的中心频率f0始终跟踪输入信号频率的变化。

表1󰀁PGA204/205放大倍数

Table1PGA204/205InstrumentationAmplifier

GAIN引脚设置PGA204PGA205A1A111001020110041010008112.2.2󰀁程控放大器

程控放大器由软件控制自动改变增益,自动

适应所输入的模拟信号电平,本设计采用了

PGA204和PGA205的组合方式,由表1可知,该

组合方式放大倍数有1、2、4、8、10、20、40、80、

100、200、400、800、1000、2000、4000、8000十六档

可调。该组合输出的信号经AD采样后,通过软

件的阈值判断即可自适应地切换放大倍数。

3󰀁软件设计

单片机主控部分主要功能为:通过分析A/D

采样所得幅值,自适应调整开关电容的滤波参数和程控放大器的放大倍数。软件设计采用模块化程序设计

的原则。系统有主程序和子程序模块组成。

主程序首先设置MAX260和PGA204/5相关参数,并在此基础上完成A/D采样得到原始信号的幅值L;

接着进行阈值判断,若L不满足条件:Lmin

足该阈值条件,当Lmin

者增益的积,归一化后的幅值L0只与原始信号的大小和电

路预处理部分的固定放大倍数有关,即L0可如实反映原始信

号的幅值;最后将L0送LCD显示并通过串口将该数据送至

PC机备份。主程序流程如图7所示。

子程序包括MAX260编程模块、PGA204/205编程模块、

A/D采样和数字滤波模块、LCD显示模块和串口数据发送模

块等。

MAX260编程模块用于设定片内每个二阶组的f0和Q,

采用图6所示的逻辑输入电路,若MAX260工作N=100,Q

=8,则采用MAX公司自带的MAX260滤波器专用设计软件

或查询MAX260datasheet可知:实现此四阶切比雪夫带通滤波器的编程系数如表2所示。编程时,只需要在

满足MAX260读写时序的同时,将相应引脚电平依次置高或置低即可。66󰀁󰀁󰀁西󰀁南󰀁科󰀁技󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第24卷󰀁表2󰀁MAX260编程系数及其编程代码

Table2Theprogramming

coefficientandcodeofMAX260

参󰀁数MA、MB(模式)FA、FB(N值)QA、QB(Q值)编程系数1200120

编程代码11110000000001111000󰀁󰀁PGA204/205编程模块完成PGA204和

PGA205的档位切换;A/D采样和数字滤波模块

完成原始数据的采集和数字滤波,该模块在得到

有用信号的同时,为阈值分析提供原始依据;LCD

显示模块用于显示原始信号的大小;串口数据发

送模块定时将所测数据及中间变量(主要为

MAX260的Q值和PGA204/5的放大倍数)通过串口发送到PC机,通过PC机的串口接收工具可实时、长期

地采集数据检测电路性能。

4󰀁微音器的信号调理结果

微音器采用Konwles公司的FG-23629型,由它获得一微弱的M型双峰的声信号后(峰值约100uV),

送入信号调理电路进行处理,该实验结果如图8所示。实验表明:微音器输出的原始声信号(蓝色波形)已

完全淹没于背景噪声中,而调理电路滤波后的信号(黄色波形)其背景噪声基本滤除,可以清楚地看到弱信

号的M型双峰。

5󰀁结论

本文在噪声分析的基础上,详细讨论了信号调理电路的设

计,指出了电路的结构和各部分的元件选择,给出了微音器信号

检测的实验结果。实验表明:本信号调理电路具有性能稳定、可

靠性高、灵活性强和可编程等优点,从根本上解决了以往信号调

理器性能不稳定、受环境影响大、动态范围小等问题。本电路技

术指标如下:(1)动态范围:几微伏至几十毫伏;(2)灵敏度:1

󰀁V;(3)响应时间:优于1ms。

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(下转第84页)67󰀁第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁赵󰀁亮,等:微弱信号调理电路的设计及研究󰀁