微弱信號放大電路設計范文

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摘要：

在地質振動勘探中存在微弱信號難以檢測的問題。為了解決這一技術難題，提出了以儀表放大器和低通濾波器為核心器件的微弱信號放大檢測裝置。先詳細闡述了該檢測裝置的電路結構，進而根據微弱信號特征，提出選擇電子器件的有效方法以及在設計電路時需要注意的事項。最后采用集成程控增益儀表放大器INA110來設計微弱信號檢測前置放大電路，采用OPA1632設計抑制電路噪聲，并對微弱低頻信號進行了測試，得到了理想的效果。

關鍵詞：

微弱信號，儀表放大器，幅頻特性，相頻特性，噪聲分析

地質振動勘探主要是指通過獲取地震波的振動信號［1］，來對信號進行算法分析處理進而得到地下地質結構圖像的工作。對于整個過程而言，能否精確獲取地震波的振動信號是至關重要的一個環節。目前地質振動勘探中探測地震波信號的傳感器主要采用加速度傳感器，這類傳感器模量變化小，頻率低，信號幅度小，特別是探測深度較大時反射信號非常弱，一般情況下這類電壓信號只能達到微伏的量級，為了有效的利用這些信號，必須先對其進行調理和放大處理。“微弱信號”不僅僅是指振幅很小的信號，更重要的是指在大量噪聲背景中的有用微弱信號。為了提取出有用信號，首先應考慮抑制噪聲，然后再對信號進行幅度放大。因此，本文針對這一信號特性采用信號放大后直接高精度數字化方法來解決這一問題。

1電路設計與實現

1．1電路系統結構振動加速度傳感器信號，是一種頻率較低的微弱信號。因此需要先通過精密儀表放大器將信號放大，提高信號強度，再利用低通濾波器，濾除在信號中混雜的高頻噪聲，最后將信號輸入到模數轉換芯片進行數字化采樣處理。微弱信號放大檢測電路整體結構如圖1所示。

1．2儀表放大電路由于傳感器產生的信號十分微弱，容易被噪聲信號覆蓋，所以優先選擇精密儀表放大器作為放大電路前級。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器［2］，是運算放大器的發展，且精度優于常用的運算放大器。儀表放大器具有高共模抑制比、較大的輸入阻抗、較低的噪聲、較低的失調漂移、較低的線性誤差、增益設置靈活以及使用較為方便等特點［3］。由于儀器放大器的諸多優良特性，所以較多應用于數據采集，放大弱小信號等方面。本文的設計中采用的是TI公司的INA110精密儀表放大器，電路原理如圖2所示。它主要由兩級差分放大器電路構成。如圖2可知，芯片內部的運放A1、A2采用同相差分輸入方式。所采用的同相輸入的電路結構可以大幅度放大電路信號，但是對共模輸入信號只起跟隨作用。該特性可以減小前級輸入的微弱信號在電路中的衰減；通過前級差分輸入方式，這樣能夠有效提高電路中的差模信號的幅值比值（共模抑制比CMRR）。在共模抑制比不變的情況下，運放以A3為核心部件組成的差分放大電路時，可大大降低對電阻的匹配要求精度。儀表放大器電路與常用的差分放大電路對比，其優勢在于共模抑制性能更好，并且放大倍數的控制更加方便。圖3為精密儀表放大器電路原理圖，加速度傳感器產生的模擬信號從J201端口輸入，INA110設置為200倍放大模式，其中R202電阻設計為0Ω（以便輸入級信號調整使用），電源采用雙電壓供電±6V，輸出端接入100Ω電阻。

1．3噪聲抑制電路在微弱信號檢測的過程中，抑制噪聲非常重要。這是因為微弱信號很容易受到來自外界環境和元器件在工作時產生的噪聲影響。因此在抑制噪聲時，要綜合考慮這幾方面的因素。在進行微弱信號的檢測時，為了減少集成運算放大器中的噪聲干擾，應該選擇接近理想運算放大器的芯片。噪聲抑制電路選用TI公司的OPA1632芯片［4］，同時也可作為驅動模數轉換器（ADC）芯片使用。它提供了信號放大后的輸出質量，且具有非常低的噪聲和輸出驅動等特點。該芯片的性能優異，其信號的失真度為0．000022％，電壓噪聲僅為1．3nV•Hz－1／2，增益帶寬達到180MHz，芯片內部結構采用全差分結構，從而確保了最大信噪比、平衡輸入和輸出轉換的動態范圍。由于加速度傳感器產生的頻率范圍通常在DC～2kHz，頻率低，低頻成分豐富，因此采用OPA1632芯片可以同時完成抑制噪聲和增強輸出驅動的要求。圖4為OPA1632濾波及驅動電路原理圖。

1．4模數轉換電路設計檢波器設計中，采用TI公司的ADS1271精密ADC芯片進行信號采樣轉換，圖5是ADS1271采樣電路原理圖。圖中在ADS1271差分模擬信號輸入端，OPA1632作為運放驅動芯片，在AINP和AINN之間并聯1nF的電容，并在每一個模擬輸入端與地之間連接100pF電容，保證了AC的性能［5］。在參考電壓電路輸出端，設計了OPA350組成的參考電壓濾波器電路，保證了電壓噪聲輸入帶寬噪聲≤3mVRMF，進一步提升了ADS1271的采樣精度。ADS1271是一個24位，Δ－∑模轉換器（ADC）其數據速率可達105ksps，提供了一個良好的直流精度和出色的AC性能［6］。高階穩定斬波調制器能夠實現非常低的漂移低通帶噪聲，同時板載數字抽取濾波器抑制調制信號的帶外噪聲。

2電路測試

本文按照上文設計的電路原理圖制作了電路板，如圖6所示。選用的測試儀器為KeySightDSO－X2012A數字示波器，為了便于開展數據后分析，將示波器顯示波形以數據形式傳輸給計算機，然后再進行幅頻、相頻等特性分析處理［7］。在放大電路中提到過通頻帶的概念，也即放大電路輸出信號的幅度和相位會跟隨信號頻率的變化而發生改變的現象。通常放大電路的低頻段對比中頻段以及高頻段對比中頻段，信號幅值都會有所下降，同時還會發生一定的相移。在電路雪中將該現象稱為放大電路的頻率特性。放大電路的頻率特性它分為幅頻特性和相頻特性兩方面。因為放大電路的帶通特性不一致，導致不同頻率的信號增益各不相同，從而導致放大后的輸出波形失真。設定輸入信號20mV，頻率為449Hz的微弱信號，對其進行微弱信號放大，信號幅度達到1．2V，頻率為449Hz，采用KeySightDSO－X2012A數字示波器測量獲得實時信號如圖7所示，從圖中可以看到波形沒有失真且無噪聲疊加，采用失真度測量儀測量其失真度THD≤2％，性噪比SNR達到81dB。圖8為噪聲抑制和屏蔽電路（即OPA1632電路）幅頻特性曲線，從圖中可以看到抑制頻率點在1kHz，滿足加速度傳感器信號頻率范圍，同時對高頻噪聲具有較好的抑制作用，帶內平坦度較好，起伏小于0．5dB。

由于噪聲抑制電路對信號相位影響較大，根據放大器工作原理，要對它的相頻特性進行分析。產生失真的原因是放大電路對不同頻率成分信號的不同相移。圖9為噪聲抑制和屏蔽電相頻特性曲線，從圖中可以看到在0～10kHz范圍內，相移變化控制在2deg范圍內，對加速度傳感器信號的相移特性影響較小，滿足信號需求。從以上測量結果可以看出，所設計的放大電路可以作為傳感器后級信號放大電路。所設計的電路能夠將傳感器輸出的mV級信號放大200倍，后經過濾波降噪后再將信號輸出到A／D轉換芯片上，同時需要注意信號幅值范圍不能超出A／D芯片所能接收的信號范圍。通過示波器觀察波形可知，放大器輸出的響應信號中沒有涵蓋其它頻率成分的信號，由此說明該放大電路的頻率響應特性具有較好的性質。同時，該電路工作穩定可靠，噪聲小，達到了設計要求。

3結論

本文針對地質勘探中振動加速度傳感器產生的信號微弱、頻率低等特點，從實際電路角度出發，設計了由儀表放大電路、噪聲濾波電路和屏蔽電路組成的小信號放大電路，通過仿真分析軟件開展了電路的仿真分析實驗和理論推導，研究表明該電路系統能夠在輸入信號非常微弱的情祝下獲得較高的增益和信噪比，經過放大后的信號能夠被A／D芯片所接收，達到常規A／D芯片的輸入要求。

作者：張慧敏 單位：重慶電子工程職業學院