高精密三通道微弱信號處理電路的設(shè)計

魏麗君,高巧玲

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲 412001;2.中南大學(xué)自動化學(xué)院,湖南長沙 410003)

0 引言

微弱信號的處理包含濾波、不失真放大和單片機(jī)的處理。由于信號的幅值小,很容易受到外界的干擾,有些情況下干擾信號甚至比有效信號的幅值還大[1-3],因此,微弱信號的不失真處理和有效放大成為了主要研究方向。

近年來隨著環(huán)境污染和新能源的應(yīng)用受到重視,對污染物中元素含量和有害氣體濃度監(jiān)測的要求也隨之提出了更高的要求,中科院安徽光機(jī)所在此領(lǐng)域進(jìn)行了研究,取得了一系列研究的成果,對PM2.5以及一氧化碳、二氧化碳以及硫化物等進(jìn)行檢測[4-6];武漢四光科技有限公司、華中科技大學(xué)等也進(jìn)行了一系列的研究,開發(fā)了相關(guān)產(chǎn)品,取得了相關(guān)成果[7-11],但是,設(shè)計采用多通道微弱信號處理電路,同時對一氧化碳、二氧化碳、氫氣或者二氧化硫進(jìn)行檢測還有待研究[12-16],基于此,本文開發(fā)一款三通道的高精密微弱信號處理電路,經(jīng)過精密的計算和設(shè)計,使得電路具有高信噪比,選頻特性好,可實現(xiàn)對3種不同微弱信號的同時處理,為復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測的場景提供了解決思路。

1 微弱信號處理電路的設(shè)計與分析

1.1 第一級積分運(yùn)算電路

對信號進(jìn)行采集后,通過C1和R4組成的濾波電路,其中的直流干擾信號會被濾除。隨后輸入到運(yùn)放U1A的同相端,運(yùn)放采用LTC1151CSW,R7、R1、C60與運(yùn)放構(gòu)成積分運(yùn)算電路,如圖1所示。其中R7的作用是防止信號增益過大,其放大倍數(shù)可由式(1)得到。

圖1 第1次積分運(yùn)算電路原理圖

(1)

第一級信號處理電路的放大倍數(shù)不宜過大,因為第1級中包含的干擾信號最多,此時若放大倍數(shù)大,則其中的噪聲也會得到放大,增加后級信號處理的難度。

1.2 第2級精密整流電路

第2級精密整流電路的原理圖如圖2所示。

圖2 第2級精密整流電路原理圖

實現(xiàn)整流的方法有很多,很多研究中,直接采用二極管進(jìn)行整流,也有采用變壓器進(jìn)行整流,如果采用二極管整流,會因為二極管的導(dǎo)通壓降而產(chǎn)生截止失真或者交越失真,而采用變壓器整流則會增加電路設(shè)計的大小,從而增加成本,與此同時會因為變壓器的原因帶來二次干擾源。因此設(shè)計采用高精度整流電路。

假設(shè)設(shè)計采用的運(yùn)放開環(huán)差模放大倍數(shù)為106,采用的普通二極管導(dǎo)通壓降為0.7 V,則在此高精密整流電路中,集成運(yùn)放的凈輸入電壓只需要式(2)計算得到的電壓就可以導(dǎo)通。

(2)

式中:Up為陽極電位;UN為陰極電位。

由式(2)可得,集成運(yùn)放的凈輸入電壓只要變化值達(dá)到0.7 μV,就會導(dǎo)致二極管工作狀態(tài)變化,從而實現(xiàn)精密整流。

1.3 線性平均值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

線性平均值轉(zhuǎn)換電路的作用主要是濾波和信號的轉(zhuǎn)換,與前一級的精密整流電路連接使用。旁路電容C63的作用是濾波,電路的設(shè)計原理圖如圖3所示。

圖3 線性平均值轉(zhuǎn)換電路

精密整流電路和線性平均值轉(zhuǎn)換電路搭配作用,其工作原理是:根據(jù)電路的設(shè)計,可以計算得到Uo2=-2Uo-Ui,其中Ui>0 時,圖2中D1導(dǎo)通,D2截止,此時:Uo2=-2(-Ui)-Ui=Ui;而Ui<0時,D2導(dǎo)通,D1截止,Uo2=0-Ui=-Ui。

1.4 二階壓控電壓源濾波電路的設(shè)計

二階壓控電壓源濾波電路采用二級設(shè)計方式,第1級二階壓控電壓源濾波電路如圖4所示。其主要作用是對線性平均值轉(zhuǎn)換電路輸出信號進(jìn)行再濾波。根據(jù)電路參數(shù)設(shè)計,第1級的電路性能參數(shù)可計算得到。

圖4 第1級二階壓控電壓源濾波電路

特征頻率為

(3)

通帶放大倍數(shù)為

(4)

Aup<3,因此電路不會產(chǎn)生自激振蕩。其品質(zhì)因數(shù)為

(5)

第2級二階壓控電壓源濾波電路如圖5所示,其性能參數(shù)同樣可以計算得到。

圖5 第2級二階壓控電壓源濾波電路

特征頻率為

(6)

通帶放大倍數(shù)為

(7)

品質(zhì)因數(shù)為

(8)

通過計算可知,兩級電路的特征頻率一致,因此該電路具有很好的選頻特性,濾波效果好。而由兩級電路的品質(zhì)因數(shù)可得總的品質(zhì)因數(shù)為0.707,電路具有最佳的平坦特性,這也是該電路的創(chuàng)新設(shè)計點(diǎn)。

1.5 電壓跟隨電路

為了信號的完整性和有效性,可以在該電路的最后加一級電壓跟隨電路或者π型濾波電路,本設(shè)計采用簡單的電壓跟隨器,原理圖如圖6所示。

圖6 電壓跟隨電路

2 電路仿真測試

電路設(shè)計完成以后,進(jìn)行了單路的電路設(shè)計仿真,具體的仿真圖如圖7所示。

圖7 電路仿真圖

仿真輸入信號為10 Hz的正弦波,幅值為10 μV,得到的輸出波形圖如圖8所示,其失真度測試結(jié)果如圖9所示,總諧波失真(THD)為0。其幅頻特性和相頻特性曲線測試結(jié)果如圖10、圖11所示。電路具有良好的選頻特性。

圖8 輸出波形圖

圖9 失真度結(jié)果測試圖

圖10 幅頻特性測試圖

圖11 相頻特性測試圖

3 電路在低硫傳感系統(tǒng)中的實驗測試

3.1 低硫傳感檢測系統(tǒng)的試驗裝置設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的微弱信號處理電路,將其應(yīng)用到低硫傳感檢測系統(tǒng)中,該系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖12所示。系統(tǒng)是采用非分光紅外技術(shù),利用朗伯-比爾定律,通過測定氣體的濃度來測定物體元素含量的一種裝置,其中虛線所包含的部分為紅外池,在測量過程中,整個紅外池將置于恒溫環(huán)境中,因為測量精度要求極高,因此容易受到外界干擾因素多,比如溫度的浮動、氣室的光潔度、紅外光源的老化等,微弱信號處理電路的作用是濾除其中的噪聲,將有效信號放大到合適單片機(jī)處理的范圍,得到合適而正確的結(jié)果。

3.2 低硫傳感檢測系統(tǒng)的試驗步驟

低硫傳感檢測系統(tǒng)的實驗步驟如下:

(1)將非分光紅外傳感器按照要求安裝到檢測裝置中,包括紅外光源、鍍金氣室與紅外探測器等,并進(jìn)行測試,確保儀器連接正確,工作正常。

(2)將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(比如:煤)在密閉的氧彈中進(jìn)行充分燃燒,采用平面六通閥儲存,使氣體充分均勻,然后將待測氣體通入鍍金氣室中。

(3)開啟恒溫控制系統(tǒng),確保測試裝置置于該恒溫環(huán)境中,盡最大可能減少溫漂對系統(tǒng)測試的影響。

(4)將A/D轉(zhuǎn)換后的信號接入設(shè)計的微弱信號處理電路行,對其輸出信號進(jìn)行測試。

(5)將測試得到的信號,根據(jù)朗伯-比爾定律,反求物質(zhì)元素的含量,對照標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中元素的含量,分析測試結(jié)果,得到測試結(jié)論。

3.3 低硫傳感檢測系統(tǒng)的試驗結(jié)果分析

在測試之前,采用氫氣作為標(biāo)準(zhǔn)氣體,進(jìn)行標(biāo)定,測定的結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)氫氣標(biāo)定測試結(jié)果表 %

經(jīng)過測試,其測量的絕對誤差小于0.1%。在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過清洗,標(biāo)定絕對誤差值,然后進(jìn)行低硫探測實驗,經(jīng)過測試,得到的測試信號波形如圖13所示,信號的整體波動50 μV左右。檢測信號的檢出限達(dá)到了10 ppm,可以開展1 ppm左右的信號檢測。

圖13 信號測試波形圖

另外的2個通道設(shè)計一樣,中間的相互干擾通過PCB設(shè)計排除,通道與通道之間全部采用接地設(shè)計,可以消除相互之間的干擾,經(jīng)過測試,都可以很好的滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本設(shè)計完成了三通道高精密微弱信號處理電路設(shè)計,經(jīng)過嚴(yán)格的參數(shù)計算、逐級精密放大和濾波,經(jīng)過仿真測試,電路具有很高的信噪比,實現(xiàn)了微弱信號的精密放大。電路可以完成氫濃度測試、二氧化碳(一氧化碳)濃度測試、低硫濃度的測試,設(shè)計完成后,將該信號處理電路應(yīng)用在低硫探測傳感器中,通過試驗驗證測試,實現(xiàn)了1 ppm級別的低硫微弱信號檢測,驗證了電路設(shè)計的正確性和有效性。