基于ADS1256的直流微弱信号检测系统研究

重庆大学电气工程学院 王绪龙重庆大学弘深学院 李清坤重庆大学城市建设与环境工程学院 瞿智显



基于ADS1256的直流微弱信号检测系统研究

重庆大学电气工程学院 王绪龙
重庆大学弘深学院 李清坤
重庆大学城市建设与环境工程学院 瞿智显

【摘要】在科学研究中，微弱信号往往是必不可少的，而由于信号的特性及周围噪声可能较大，因此对信号处理电路的要求较高。本文设计了一种用于直流微弱信号检测的电路，对其主要模块电路组成及电气性能进行了介绍，并通过实验验证了系统可测量±2.1mV的信号，分辨率为1mV，最大误差为3.1%，能够满足系统对信号的精度要求。

【关键词】直流；微弱信号；ADS1256；TMS320F28335

0 引言

微弱信号一般指十分微小，变化不易发现的信号，而在科学研究中，微弱信号十分常见。例如在生物反应中中存在的缓慢的生物化学反应、微小生物电现象等；在天文学中星体光谱、辐射的分析等；在物理学中对物质的特性、电磁场的微小变化、物理热学的分析等；在光学中对各种光光谱的分析；以及其他各学科领域，可以说微弱信号无处不在。微弱信号往往反映了自然科学现象的微小变化，因此，检测微弱信号的强度及其变化具有重要的意义[1]。

检测微弱信号时，往往需要将其他形式的信号转化为电信号，尤其是电压信号。这其中就需要用到精密的传感器电路，然后对信号进行放大等处理。但由于微弱信号量级较低，周围存在噪声时会导致相对误差较大甚至被噪声淹没，同时器件本身的影响亦不可忽略，如传感器的温度漂移，零点漂移，放大器的漂移、失调等特性。

在实际的电路测量系统中，微弱的直流信号更加容易受到直流或低频噪声的影响，因此直流微弱信号的检测更是十分困难。此外，微弱直流电压信号的检测还容易受到各种低频噪声的干扰，所以微弱直流电压信号的检测相比于交流信号难度更大。

因此，本测量系统采用差模信号处理方式，采用双级仪表放大器，减少了共模噪声干扰及放大器自身的零漂误差；采用24位传感器ADS1256及高速数字信号处理器TMS320F28335，提高了数据测量精度。

1 测量系统组成

根据微弱信号的测量要求，系统由多级放大、滤波模块组成，其模块构成由图1所示。

图1 测量系统的构成

图1中，信号先经过对称结构的无源滤波电路滤除测量回路中的共模高频干扰信号，再采用高精度初级仪表放大电路，对微弱信号做第一级放大，采用滤波电路和放大电路相结合的方式，可以有效地降低放大电路本身噪声的影响以及放大的干扰信号对后端器件的损坏，采用隔离电路可以消除电路中的一部分干扰，同时也能起到采集控制单元与测量回路在电源上的隔离。本文重点研究了测量电路中几个关键模块的设计，实现了直流微弱信号的准确测量。

2 关键模块电路设计

2.1 无源滤波电路设计

滤波电路是在信号处理过程中常用的电路，其主要功能将输入信号中的目标信号及有用部分滤过，将输入信号中的噪声部分，无用信号滤除[2]。由于电源电路、信号调理电路、数字电路等部分均会产生噪声，为了获得更纯净的有用信号，必须将噪声信号滤除。本部分设置二阶无源低通滤波器，这种滤波器由电阻、电容组成，但需要较低的信号源阻抗和较高的负载阻抗。该滤波器位于放大器前端，对信号进行初级的处理。电路原理如图2所示。

其传递函数为：

截止角频率：

截止频率：

其电路原理图为：

图2 无源滤波电路原理图

取R=10k，第一级电容C=2.2uF，第二级电容C=1uF，其幅频响应波特曲线见图3。

图3 无源滤波电路幅频特性曲线

2.2 仪表放大电路设计

由于待测电压信号为微弱信号，信号量级最小可以达到uV级的，因此，需要做信号放大处理。对测量电路而言，共模抑制比CMRR是影响测量精度的关键指标。本文采用差分运放构成双端输入-单端输出的差分放大电路，该电路具有高输入阻抗、高共模抑制比，能有效抑制共模信号，常用于多级直接耦合放大电路的输入级和中间级[3]，具体电路图如图4所示。差分运放芯片采用INA128，放大电路模块由双级放大电路组成。每一级均有仪用放大器INA128及其相关电路组成。INA128 增益高达10000 倍，共模抑制比可达120dB，而且只需外接一个电阻就可调节增益。INA128可将毫伏级的信号放大成伏级信号，便于测量。双级放大电路如图所示。增益与外界电阻的计算公式为：

如图4所示，两个放大器级联，第一级放大器差分输入；第二级放大器同相输入，反相接地，以减少噪声影响。

每级放大器增益为：G’=1+50/1.5=34.3；

图4 差分放大电路

2.3 有源滤波电路设计

如前所述，由于测量信号十分微弱,容易被外界及器件自身噪声淹没, 放大电路在放大测量信号的同时也放大了噪声, 同时由于电路拓扑不合理，亦将导致噪声升高。因此，及时前端接入无源滤波电路，但是器件本身的漂移噪声有可能继续存在于电路之中。因此仅对信号放大是测量不出微弱信号的。只有在有效地抑制噪声的条件下放大微弱信号才能提取出有用信号[4]。信号放大后， 接一阶有源滤波电路，对信号进行进一步的滤波。

其传递函数为：

其中：

其电路原理图如图5所示。

该电路的幅频特性曲线见图6。

2.4 AD转换电路设计

AD转换电路采用TI公司的低噪声高分辨率的24位Sigma—Delta(Σ-一△)模数转换器(ADC)ADS1256，该款ADS1256可适合于采集最高频率只有几千赫兹的模拟数据的系统中，数据输出速率最高可为30K采样点 (SPS)，有完善的自校正和系统校正系统，SPI串行数据传输接口[5]。在本文所设计的电路中，ADS1256用于直流微弱信号采集，电压基准取2.5V，最小测量精度可达1uV。采用平均值法，采集1s内的采样数据，并对其进行取平均值，提高数据精度。AD转换部分电路原理图如图7所示。

图5 有源滤波电路原理图

图6 有源滤波电路幅频特性曲线

图7 ADS1256 ADC基本电路

3 系统性能测试

为验证系统性能，本文采用直流稳压电源对系统进行测试，测试流程见图8。实际制作的直流小信号源系统经实际测试，输出信号在±2.5V可调，分辨率为1mV，相对误差小于3.1%。

图8 系统测试流程

表1 系统测试结果

4 结论

本文研究制作了直流小信号测量系统，并介绍了系统中主要模块的功能及设计思路，绘制了原理图并进行仿真。最后利用直流稳压电源对系统进行测试，结果证明，系统可测量±2.1mV的信号，分辨率为1mV，最大误差为3.1%，平均误差为1.52%。证明所设计的测量电路能够精确地测量微弱信号，该电路应用前景广阔，可将其作为标准化测量仪器使用，或者将该电路前端接一传感器，将电路作为专用的信号测量仪器使用。

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王绪龙（1994—），男，大学本科，主要研究方向：电力电子，嵌入式系统。

李清坤（1995—），男，大学本科，主要研究方向：接地网检测，嵌入式系统。

瞿智显（1994—），男，大学本科，主要研究方向：电工理论与新技术。

作者简介：