微伏級(jí)直流電壓信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

閆巖+行鴻彥

摘 要： 針對(duì)微伏級(jí)直流電壓信號(hào)測(cè)量過(guò)程中存在信噪比低、測(cè)量精度不高和抗干擾能力差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種以TLC2652為核心器件的放大測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)5～45 μV范圍內(nèi)電壓信號(hào)的精準(zhǔn)放大。電路采用低通濾波電路、陷波電路降低內(nèi)部噪聲與外部干擾；采用隔離電路，隔離測(cè)量端對(duì)采集端的影響；采用線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行電源模塊的設(shè)計(jì)，提高測(cè)量精度并降低功耗。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的微伏級(jí)直流電壓信號(hào)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(qiáng)等特點(diǎn)，測(cè)量精度達(dá)到0.044%。

關(guān)鍵詞： 信號(hào)放大電路； 放大測(cè)量電路； 低通濾波電路； 影響隔離

中圖分類(lèi)號(hào)： TN721+.5?34； TM930 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(hào)檢測(cè)是人們?cè)诋?dāng)今時(shí)代獲取信息的重要途徑。在需要微弱信號(hào)檢測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域中，各種微弱的物理量信號(hào)都需要先轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)之后再進(jìn)行放大、并進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)處理，因此研究微弱信號(hào)的檢測(cè)方法具有重要意義。然而，由各種微弱物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)多數(shù)是微弱的直流或低頻信號(hào)，如微波功率檢波器輸出的信號(hào)[1]。微弱信號(hào)，顧名思義信號(hào)的幅度是極其微弱的，但這不是微弱信號(hào)檢測(cè)的難點(diǎn)所在，檢測(cè)微弱直流信號(hào)的困難在于其被嚴(yán)重淹沒(méi)于噪聲信號(hào)中。在實(shí)際的電路測(cè)量系統(tǒng)中，微弱的直流信號(hào)更是容易受到各種直流誤差的影響，特別是放大器的失調(diào)、漂移等誤差的影響[1]。此外，微弱直流電壓信號(hào)的檢測(cè)還容易受到各種低頻噪聲的干擾，因此，直流微弱信號(hào)的檢測(cè)困難重重。

從了解的資料來(lái)看，對(duì)微伏級(jí)直流電壓信號(hào)的測(cè)量大致分為兩種測(cè)量方法。一是將直流信號(hào)調(diào)制成幅值和直流信號(hào)呈比例關(guān)系的方波交流信號(hào)[2]。以避免直接放大微弱直流信號(hào)存在直流誤差的影響，特別是直流放大器失調(diào)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(diào)制技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的就是通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)作為調(diào)制器。通過(guò)一定頻率的控制信號(hào)控制場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓的極性來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷，以達(dá)到調(diào)制直流信號(hào)的目的[1]。但存在的問(wèn)題是：在調(diào)制過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生斬波失調(diào)電壓、調(diào)制尖峰信號(hào)等。場(chǎng)效應(yīng)管作為電子開(kāi)關(guān)的同時(shí)也存在開(kāi)關(guān)管損耗。實(shí)際應(yīng)用中模擬開(kāi)關(guān)的這種理想效果是不可能達(dá)到的，場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)在作為調(diào)制器時(shí)，無(wú)論有無(wú)輸入信號(hào)，只要存在調(diào)制信號(hào)，模擬開(kāi)關(guān)的輸出端都會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)的尖峰電壓，而且還會(huì)引起輸出信號(hào)漂移，從而造成測(cè)量結(jié)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(duì)微弱直流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。如市面上的高精度直流放大器輸出電壓能達(dá)到伏級(jí)，可以給數(shù)據(jù)采集和處理，但存在的問(wèn)題是，價(jià)格昂貴，不能廣泛應(yīng)用于實(shí)踐研究。

為了解決微弱直流電壓信號(hào)測(cè)量易受噪聲干擾、測(cè)量精度不高、抗干擾能力差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)微伏級(jí)信號(hào)放大電路時(shí)，采用高精度儀表運(yùn)算放大器TLC2652進(jìn)行信號(hào)的精準(zhǔn)放大，以提高測(cè)量精度；采用四階低通濾波電路、雙T型帶阻濾波電路來(lái)減小內(nèi)部噪聲與外部干擾；采用高精度模擬信號(hào)隔離電路，隔離測(cè)量端對(duì)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(jìn)行電源模塊的設(shè)計(jì)，以提高測(cè)量精度并降低功耗。

1 設(shè)計(jì)思路

微伏級(jí)直流電壓信號(hào)，首先要通過(guò)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(jí)，因此放大電路的放大倍數(shù)應(yīng)該設(shè)置的很大。但實(shí)現(xiàn)較高的放大倍數(shù)必須要進(jìn)行多級(jí)放大才可實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檩斎氲闹绷魑⑷跣盘?hào)和噪聲是疊加在一起的，一般比噪聲小很多，如果輸入級(jí)放大倍數(shù)設(shè)置過(guò)大，微弱直流電壓信號(hào)在被放大的同時(shí)，噪聲信號(hào)同樣也會(huì)被放大，造成后續(xù)很難去除噪聲[3]。但隨著放大級(jí)數(shù)的增多，勢(shì)必也帶來(lái)很多雜波，此外，微弱直流信號(hào)的測(cè)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(diào)電壓、溫漂等。工頻干擾也是一種低頻噪聲，這種干擾電信號(hào)進(jìn)入電子檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)嚴(yán)重影響微弱信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

因此，針對(duì)輸入信號(hào)為微伏級(jí)直流電壓信號(hào)，測(cè)量過(guò)程中存在信噪比低、測(cè)量精度不高、抗干擾能力差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了微伏級(jí)直流電壓信號(hào)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(jí)直流電壓信號(hào)采用屏蔽電纜送進(jìn)高精度儀表放大電路進(jìn)行初步放大后，首先進(jìn)行低通濾波，再輸入到中間級(jí)放大電路進(jìn)行主要放大，而后進(jìn)行高頻噪聲和市電50 Hz降噪處理，以及通過(guò)高精度模擬信號(hào)隔離電路隔離測(cè)量端對(duì)采集端的影響，實(shí)現(xiàn)輸入、輸出和電源間的相互隔離。應(yīng)用低噪聲、高效率的電源芯片及線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行電源模塊的設(shè)計(jì)，以提高測(cè)量精度并降低功耗。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)5～45 μV范圍內(nèi)電壓信號(hào)的精準(zhǔn)放大，放大輸出電壓范圍為0.25～2.25 V，完全可以滿(mǎn)足后級(jí)采集電路的需要，且能夠達(dá)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(qiáng)等特點(diǎn)。微伏級(jí)電壓信號(hào)放大電路系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

2 信號(hào)放大電路

信號(hào)放大電路采用初級(jí)放大和中間級(jí)放大兩級(jí)放大形式。傳感器采樣輸出的直流電壓信號(hào)經(jīng)屏蔽電纜輸入到初級(jí)放大電路，因此需要檢測(cè)的直流電壓信號(hào)微弱且含有大量雜波。從而要求選用的運(yùn)算放大器具有以下特點(diǎn)：低失調(diào)電壓、低溫度漂移的高性能差動(dòng)放大電路，以克服溫漂；選用開(kāi)環(huán)增益較大的運(yùn)放，而單級(jí)放大器的閉環(huán)增益不可過(guò)大，這會(huì)大大減小增益誤差，從而提高檢測(cè)信號(hào)的精度。

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

運(yùn)算放大器TLC2652的增益由輸入電阻和反饋電阻決定，計(jì)算公式為：

設(shè)計(jì)時(shí)輸入電阻 kΩ，反饋電阻 kΩ，電路增益為50。電路中為確保運(yùn)算放大器輸入級(jí)差分放大電路的對(duì)稱(chēng)性，設(shè)置補(bǔ)償電阻，其值為輸入端接地時(shí)，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(zhì)電容器，可選擇的容量范圍為0.1～1 μF之間。放大倍數(shù)的設(shè)置，要考慮到初級(jí)放大電路中存在有用信號(hào)和噪聲一起輸入的問(wèn)題，如果初級(jí)放大電路的增益設(shè)置較大，信號(hào)和噪聲將被同時(shí)放大，在這種情況下，若噪聲幅值較大，無(wú)疑會(huì)降低電路信噪比（信噪比是指電子系統(tǒng)中信號(hào)和噪聲的比值），不便于對(duì)信號(hào)的進(jìn)一步去噪處理。另外，為確保運(yùn)算放大器的精度，負(fù)反饋電阻的精度要很高，同時(shí)電路的閉環(huán)增益不能設(shè)置的太大；保證印制板較高的質(zhì)量，以避免印制板表面存在的漏電流問(wèn)題[4]。為此，可在印制板上設(shè)置保護(hù)環(huán)。高精度儀表放大器在放大微弱直流信號(hào)時(shí)，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(lái)減小交流干擾，使電壓輸出更加穩(wěn)定。中間級(jí)放大電路，設(shè)置在四階低通濾波電路之后，主要目的是實(shí)現(xiàn)放大模塊較大的放大倍數(shù)。

3 濾波電路

因?yàn)樾枰獧z測(cè)的微伏級(jí)直流電壓信號(hào)非常微弱且含有大量雜波，測(cè)量回路、儀表放大電路和相關(guān)器件的固有噪聲以及外界的干擾噪聲通常比被檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)的幅值大很多，有用信號(hào)和噪聲在經(jīng)儀表放大電路后將被同時(shí)放大。此外，電路結(jié)構(gòu)的不合理設(shè)計(jì)也會(huì)引入噪聲干擾，所以，僅對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大是測(cè)量不出微伏級(jí)這樣微小信號(hào)的[5]。電路中為了更好地提取出有用信號(hào)，設(shè)計(jì)了濾波模塊來(lái)有效地抑制噪聲。

3.1 低通濾波電路

針對(duì)電路系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲以及外部系統(tǒng)的干擾多為交流信號(hào)，設(shè)計(jì)四階巴特沃斯型有源低通濾波電路對(duì)輸入級(jí)放大電路的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行處理，以抑制放大了的噪聲信號(hào)。設(shè)置低通濾波電路的截止頻率為20 Hz，選用單片集成運(yùn)算放大器OP200，具體器件參數(shù)設(shè)置及電路設(shè)計(jì)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(lái)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(jīng)市電轉(zhuǎn)換得到，而市電的頻率為50 Hz。這樣測(cè)量電路中就會(huì)串入工頻，產(chǎn)生工頻干擾，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電路無(wú)法接收信號(hào)[6]。電路中采用經(jīng)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(jié)構(gòu)原理圖。

由此可以得出結(jié)論：為了使設(shè)計(jì)的陷波電路性能最佳，也即滿(mǎn)足窄帶濾波效果和高Q值，m應(yīng)接近1取值。

設(shè)計(jì)電路時(shí)采用增益調(diào)節(jié)電位器，使其在50 Hz處衰減效果最好。經(jīng)計(jì)算kΩ， μF；為增益帶寬調(diào)節(jié)電位器。圖6為具體設(shè)計(jì)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(jí)直流電壓信號(hào)放大測(cè)量過(guò)程中，抗干擾是一個(gè)不可避免的問(wèn)題。若不通過(guò)信號(hào)隔離，測(cè)量系統(tǒng)就會(huì)引入各種電磁干擾。目標(biāo)信號(hào)中混入干擾信號(hào)，不但會(huì)降低測(cè)量的準(zhǔn)確度，而且尖峰電磁脈沖會(huì)對(duì)后端采集電路造成一定破壞。因此，針對(duì)微弱直流電壓信號(hào)測(cè)量存在的干擾問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(yán)重，一般只用來(lái)隔離數(shù)字信號(hào)，而不能簡(jiǎn)單應(yīng)用到對(duì)模擬信號(hào)的隔離。因此，模擬信號(hào)的隔離相對(duì)復(fù)雜的多，一方面要求其達(dá)到隔離效果，另一方面又要求最大限度地使模擬信號(hào)不失真，也就是能確保模擬信號(hào)的線性傳輸[7]。有源隔離模塊T6550D/S內(nèi)部采用電磁隔離技術(shù)，精度達(dá)到13～14位，具有良好的線性度及優(yōu)良的溫漂與時(shí)漂性能[8]，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入/輸出和電源間的相互隔離，非常適合高精度信號(hào)隔離測(cè)量。電路接口如圖8所示。

5 電源模塊設(shè)計(jì)

可設(shè)計(jì)市電和鋰電池為采集系統(tǒng)提供工作電源。市場(chǎng)上常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源裝置可實(shí)現(xiàn)將220 V交流電轉(zhuǎn)換為12 V直流電輸出，采用18650鋰電池組供電時(shí)，輸出電壓也為12 V左右。為了使信號(hào)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(guò)開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源芯片，其開(kāi)關(guān)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(nèi)實(shí)現(xiàn)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(nèi)工作，輸出電流高達(dá)1 A的同時(shí)提供一個(gè)介于0.6 V和Vin之間的可調(diào)輸出電壓[9]。開(kāi)關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率和線性電源的低噪聲確保測(cè)量系統(tǒng)的低功耗和測(cè)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(diào)壓器，將5.5 V穩(wěn)壓得到5 V輸出電壓。另外，通過(guò)DC_DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LTC1983，可以得到-5 V的輸出電壓。5 V電壓通過(guò)集成電路DU1PO?05D15可以產(chǎn)生±15 V的電壓輸出。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)是基于微伏級(jí)直流電壓信號(hào)放大電路系統(tǒng)中的初級(jí)放大電路、低通濾波電路、中間級(jí)放大電路及陷波電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的。仿真電路如圖10所示。

仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。仿真電路中的萬(wàn)用表顯示值分別是電壓信號(hào)通過(guò)各個(gè)模塊后的值。由測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)可得出，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)5～45 μV直流電壓信號(hào)的精準(zhǔn)放大（放大倍數(shù)為50 000），且測(cè)量放大電路能達(dá)到0.044%的精度。絕對(duì)誤差的定義為測(cè)量的實(shí)際值與被測(cè)量的理想真值之差，相對(duì)誤差為絕對(duì)誤差與被測(cè)量的理想真值之比[10]，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到該組數(shù)據(jù)的平均相對(duì)誤差為0.15%。

7 結(jié) 論

基于高精度儀表放大電路、濾波電路及隔離電路設(shè)計(jì)了微伏級(jí)直流電壓信號(hào)放大電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入5～45 μV的直流電壓信號(hào)的精準(zhǔn)放大，放大信號(hào)輸出范圍為0.25～2.25 V，完全滿(mǎn)足后級(jí)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(jìn)行電源模塊的設(shè)計(jì)，提高了測(cè)量精度并降低功耗。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該微伏級(jí)直流電壓信號(hào)放大電路能夠達(dá)到0.044%的精度，測(cè)試數(shù)據(jù)的平均相對(duì)誤差達(dá)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(qiáng)等特點(diǎn)。因此該信號(hào)放大電路可廣泛應(yīng)用于對(duì)穩(wěn)定度、測(cè)量精度要求較高的模擬信號(hào)采集電路中。

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