基于加速度传感器的微弱信号放大电路设计

徐志夺

（大连测控技术研究所，辽宁 大连 116000）

0 引言

探测是研究人员根据传感器所获得的目标位移信号，通过采样模块和数据算法进行分析，获得想要的信息的过程。所以，采集精准的信号在探测过程中就显得尤为重要。当前我国比较常用的一类信号采集传感器是加速度传感器，由于其自身限制和所采集信号的特性，需配有信号放大电路。在放大电路的设计过程中，主要从硬件和软件两个方面进行设计，硬件部分主要分为放大电路、噪声抑制电路、转化电路三个部分，而软件主要是通过运放原理进行模块设计。通过实际研究，该方法能够准确地设计放大电路。

1 基于加速度传感器的微弱信号放大电路的硬件设计和分析

本篇微弱信号放大电路设计方案主要分为精密仪表电路、噪声抑制电路和模数转化电路[1]。整个放大电路系统的工作原理如下：首先，以振动加速器信号作为模拟信号，模拟出低频率的信号，再利用精密仪器电路完成信号放大工作，当信号被放大后，会出现多个干扰源。接下来就需要利用低通滤波器来消除噪声干扰，保证信号源有效[2]。最后，利用A/D转化模块将采样的信号源从模拟信号转化为易于查看的数字信号。至此，就能成功获得有用的信号。接下来，我们对每个部分的电路进行详细分析。微弱信号放大流程图如图1所示。

图1 微弱信号放大流程图

1.1 精密仪表放大电路

振动加速器信号的振幅非常小，导致信号非常微弱，采集过程中很容易被其它信号所淹没。为此，需要先利用精密仪器放大电路将被采集的信号放大，将精密放大电路设置在实验电路前端。仪表放大器数据更加精确，属于精密差分电压放大器，是由运算放大器优化发展而来的，在整个放大器中，具有非常高的精准度。在日常使用中，它具有如下特点：①共模抑制比高；②噪音低；③输入阻抗大；④线性误差小；⑤增益设置灵活；⑥操作灵活、方法简单等特点[3]。相比传统的运算放大器，它的优点更加突出，性能更加优异，所以在数据采集上，仪器放大电路较为常用。本设计中使用了TI公司出品的精密仪器放大器，其型号为INA10，该款放大器以两级差分电路为基础架构，其芯片内部分别由A1和A2控制差分输入，应用方式相同，高效实现同相输入信号放大效果。如果信号属于共模输出信号，其放大效果并不明显，放大能力微弱，这一性质可以帮助抑制加速器产生的微弱信号在整个电路分析过程中衰减，增强微弱信号的存在强度。利用前级差分的输入方式，能够有效提升放大电路中差模信号的共模抑制比；当共模抑制比不变时，使用以A3为核心的差分放大电路，能够高效地减小电阻匹配所需要的精度。与传统的差分放大电路对比，仪表放大器电路共模抑制比更高，控制放大过程更加简便，更加容易操作[4]。

1.2 噪声抑制电路

对微弱信号进行检测时，需要严格进行抑制噪声的处理，由于微弱信号的振动幅值非常小，所以采集过程中，极其容易受到外界环境因素和其它设备工作噪音干扰。因此，降噪过程是必不可少的，在抑制过程中，要全面地对影响因素进行分析，确保所有外在影响因素都被排除。在采集检测微弱信号的过程中，必须要降低集成运算放大器自身产生的影响因素，在放大器的选择上要结合实验情况，选择合适的运算放大芯片，确保采集信号的精准性。

该电路控制芯片选择TI公司所生产的型号为QPA1632的芯片，此款芯片也可以帮助数模转换器芯片进行驱动。这款芯片能够保证信号放大输出的质量，它的优点在于自身产生的噪声极低并且能够提供输出驱动的功能。不仅如此，该芯片自身的性能也是非常优异的，它的失真率极低，仅有0.000022%，其产生的电压噪声也非常低，但是其增益带宽可达180MHz。该芯片内部结构使用全差分架构，能够严格把控最大信噪比、平和输入和输出转化的浮动范围。加速度传感器振动产生的频率极低，利用该芯片能够很好地完成抑噪的功能，同时能够帮助增强输出驱动。

1.3 模数转化电路

当收集处理信号前的准备工作完成后，就要进行信号的存贮工作。在检波器实验中，同样采用TI公司芯片型号为ADS1271的精密模数转化器芯片对采集信号进行转换，在该芯片的差分模拟信号输入端使用QPA1632芯片作为运行驱动芯片。为保证AC的性能，需要在电路相关位置连接电容，具体电容型号的选择由设计人员根据电路情况进行选择，例如将1nF电容并联到AINP和AINN之间，保证每个模拟输入端与地连接间放置100pF的电容。该芯片为24位转化器，其运行数据的速率也非常快，可以达到105ksps，能够有效保证AC性能和直流精度。

如图2所示为噪声抑制和屏蔽电路（即OPA1632电路）的幅频特征曲线，能够清晰发现幅频抑制点为1kHz，完全符合加速度信号频率条件，另外，能够起到很好的抑制高频噪声作用，带内平坦度良好，总体起伏小于0.5dB[5]。

图2 噪声抑制和屏蔽电路幅频特征曲线

噪声抑制电路存在一定缺陷，即会对信号相位产生一定影响，实验过程中应紧密联系理论常识，详细分析相频特性。实验表明，放大电路对不同频率成分信号产生的相移存在偏差，是造成失真的重要因素。根据图3所示进行分析，在0～10kHz范围内，将相移变化控制在2deg内，经过实验对比发现，能够有效降低相移特性的影响，符合实验要求。

图3 噪声抑制和屏蔽电路相频特性曲线

结合输出信号特点，通过实验设计发现该放大器能够有效提高增益、降低噪声。首先，多个放大器级联的方式能够有效提高增益，该方法也是最直接的应用手段。这种设计存在一定缺陷，即产生了其它噪声，且噪声会随着引入级数不断改变，有可能会导致系统出现不稳定的问题。本文选用的一级放大和一级滤波，属于两级级联方式。其次，它们之间存在着一些特定关系，可以通过关系式表现出来：1+（NF1-1）+（NF2-1）/Av1+...+（NFn-1）/Av1Av2...Avm，其中NFtutal表示总噪声系数，NFn表示第n级噪声系数，Avn表示第n级放大器电压增益。该方程式将噪声系数与电压增益建立联系，通过实验数据以及公式计算对比发现，总噪声主要与第一级噪声系数有关，所以在测试过程中主要完成第一级INA110噪声测试即可。

根据相关测试结果和实验数据表明，本文所设计的放大电路可以作为传感器后级信号放大器。本设计能够有效地完成毫伏级的电路放大效果，至少将电路放大200倍左右，经过滤波降噪后将信号传递到A/D转换芯片上，要保证传输范围不超过A/D转换芯片的接收范围。根据波形图显示可以发现，放大器的输出信号不包括其他频率的输出信号。由此可发现放大电路具有很好的放大效果，且工作稳定可靠，噪声小，符合实验设计标准。

结合实验结果和输出信号特点分析，使用放大器的主要目的是为了抑制噪声的干扰，提高信号增益。当采用多个放大器级联来提高增益时，会提高噪声的产生比例，噪声的产生比例会随着级联数量的增加而增大，导致采集信号非常不稳定。但是通过研究发现，多级放大器产生的总噪声主要和一级放大滤波有关，所以在实验中重点考虑一级噪声测试。

3 基于加速度传感器的微弱信号放大电路的软件设计和分析

软件设计过程要结合运放原理来对本文所探讨的微弱信号放大电路进行设计，计算公式如下：

当正反向两端点的电位相等时，U+==U-，称为“虚短”。非线性工作区的运放负责引入正反馈，由于产生的输入信号极其微弱，可以通过运用多个放大器的手段进行降噪，通过两级级联的方式进行放大。参考以上运算，基本上可以理解整个软件的设计方向，最终根据用户需求设计出微弱信号放大电路的软件方案[7]。

4 实验研究

通过上述分析，本文所选用的放大电路完全可以作为传感器微弱信号放大电路，为保证该实验的实际可操作性，实验将与传统实验进行对比，将实验参数进行如下设置：将电路的输入电压设置为220V，将差模开环电压增益设置为20～50中间，有限制为75V，电路电容为10F，工作时间为24H。

将实验结果与传统实验结果进行对比，在对比中发现，两种电路都能起到放大信号的作用，相比传统电路，本篇设计的电路放大能力强于传统电路，这一点从图4中不难看出。无论哪种放大电路，在一定范围内的增长速度都很快，当达到一定时间以后，其放大能力就不再明显了，但是本文设计的放大电路要比传统放大电路作用的时间更长一些。

图4 传统电路与本篇设计电路放大能力对比

本电路能够将传感器产生的微弱输出扩大几百倍，经过抑制噪声电路后，将采集信号传输到模数转化器芯片上，但要注意信号幅值不能超过A/D模块的接受范围。在实验结束前，需要对示波器上呈现的波形进行判断，观察输出信号是否存在不同频率的波形信号。本次电路设计凸显出了它具有稳定性强、产生噪声小、工作效率高等优点，为今后同类信号的筛查提供了重要参考。

5 结语

通过整个实验的分析对比，不难发现振动加速度传感器产生的信号是极其微弱的，且具有振幅小、频率低的特点；在传统的放大电路设计上，出现效率低、作用效果差的问题，而本篇的电路设计能够高效弥补传统电路上的不足。在电路设计上，要明确电路硬件的组成部件，明确各级电路的应用原理，明确实验目的。软件部分要充分结合运放原理进行设计。实验开始前，准确分析实验电路的可行性，根据研究结果不难发现，本文的设计能够在输入信号非常薄弱的情况下抑制噪声，提高信号增益，并将其放大，A/D模块能够全面接收放大的信号，但要注意必须在A/D模块的使用范围内。