高精密三通道微弱信号处理电路的设计

魏丽君,高巧玲

(1.湖南铁道职业技术学院,湖南株洲 412001;2.中南大学自动化学院,湖南长沙 410003)

0 引言

微弱信号的处理包含滤波、不失真放大和单片机的处理。由于信号的幅值小,很容易受到外界的干扰,有些情况下干扰信号甚至比有效信号的幅值还大[1-3],因此,微弱信号的不失真处理和有效放大成为了主要研究方向。

近年来随着环境污染和新能源的应用受到重视,对污染物中元素含量和有害气体浓度监测的要求也随之提出了更高的要求,中科院安徽光机所在此领域进行了研究,取得了一系列研究的成果,对PM2.5以及一氧化碳、二氧化碳以及硫化物等进行检测[4-6];武汉四光科技有限公司、华中科技大学等也进行了一系列的研究,开发了相关产品,取得了相关成果[7-11],但是,设计采用多通道微弱信号处理电路,同时对一氧化碳、二氧化碳、氢气或者二氧化硫进行检测还有待研究[12-16],基于此,本文开发一款三通道的高精密微弱信号处理电路,经过精密的计算和设计,使得电路具有高信噪比,选频特性好,可实现对3种不同微弱信号的同时处理,为复杂环境监测的场景提供了解决思路。

1 微弱信号处理电路的设计与分析

1.1 第一级积分运算电路

对信号进行采集后,通过C1和R4组成的滤波电路,其中的直流干扰信号会被滤除。随后输入到运放U1A的同相端,运放采用LTC1151CSW,R7、R1、C60与运放构成积分运算电路,如图1所示。其中R7的作用是防止信号增益过大,其放大倍数可由式(1)得到。

图1 第1次积分运算电路原理图

(1)

第一级信号处理电路的放大倍数不宜过大,因为第1级中包含的干扰信号最多,此时若放大倍数大,则其中的噪声也会得到放大,增加后级信号处理的难度。

1.2 第2级精密整流电路

第2级精密整流电路的原理图如图2所示。

图2 第2级精密整流电路原理图

实现整流的方法有很多,很多研究中,直接采用二极管进行整流,也有采用变压器进行整流,如果采用二极管整流,会因为二极管的导通压降而产生截止失真或者交越失真,而采用变压器整流则会增加电路设计的大小,从而增加成本,与此同时会因为变压器的原因带来二次干扰源。因此设计采用高精度整流电路。

假设设计采用的运放开环差模放大倍数为106,采用的普通二极管导通压降为0.7 V,则在此高精密整流电路中,集成运放的净输入电压只需要式(2)计算得到的电压就可以导通。

(2)

式中:Up为阳极电位;UN为阴极电位。

由式(2)可得,集成运放的净输入电压只要变化值达到0.7 μV,就会导致二极管工作状态变化,从而实现精密整流。

1.3 线性平均值转换电路设计

线性平均值转换电路的作用主要是滤波和信号的转换,与前一级的精密整流电路连接使用。旁路电容C63的作用是滤波,电路的设计原理图如图3所示。

图3 线性平均值转换电路

精密整流电路和线性平均值转换电路搭配作用,其工作原理是:根据电路的设计,可以计算得到Uo2=-2Uo-Ui,其中Ui>0 时,图2中D1导通,D2截止,此时:Uo2=-2(-Ui)-Ui=Ui;而Ui<0时,D2导通,D1截止,Uo2=0-Ui=-Ui。

1.4 二阶压控电压源滤波电路的设计

二阶压控电压源滤波电路采用二级设计方式,第1级二阶压控电压源滤波电路如图4所示。其主要作用是对线性平均值转换电路输出信号进行再滤波。根据电路参数设计,第1级的电路性能参数可计算得到。

图4 第1级二阶压控电压源滤波电路

特征频率为

(3)

通带放大倍数为

(4)

Aup<3,因此电路不会产生自激振荡。其品质因数为

(5)

第2级二阶压控电压源滤波电路如图5所示,其性能参数同样可以计算得到。

图5 第2级二阶压控电压源滤波电路

特征频率为

(6)

通带放大倍数为

(7)

品质因数为

(8)

通过计算可知,两级电路的特征频率一致,因此该电路具有很好的选频特性,滤波效果好。而由两级电路的品质因数可得总的品质因数为0.707,电路具有最佳的平坦特性,这也是该电路的创新设计点。

1.5 电压跟随电路

为了信号的完整性和有效性,可以在该电路的最后加一级电压跟随电路或者π型滤波电路,本设计采用简单的电压跟随器,原理图如图6所示。

图6 电压跟随电路

2 电路仿真测试

电路设计完成以后,进行了单路的电路设计仿真,具体的仿真图如图7所示。

图7 电路仿真图

仿真输入信号为10 Hz的正弦波,幅值为10 μV,得到的输出波形图如图8所示,其失真度测试结果如图9所示,总谐波失真(THD)为0。其幅频特性和相频特性曲线测试结果如图10、图11所示。电路具有良好的选频特性。

图8 输出波形图

图9 失真度结果测试图

图10 幅频特性测试图

图11 相频特性测试图

3 电路在低硫传感系统中的实验测试

3.1 低硫传感检测系统的试验装置设计

根据设计的微弱信号处理电路,将其应用到低硫传感检测系统中,该系统硬件设计框图如图12所示。系统是采用非分光红外技术,利用朗伯-比尔定律,通过测定气体的浓度来测定物体元素含量的一种装置,其中虚线所包含的部分为红外池,在测量过程中,整个红外池将置于恒温环境中,因为测量精度要求极高,因此容易受到外界干扰因素多,比如温度的浮动、气室的光洁度、红外光源的老化等,微弱信号处理电路的作用是滤除其中的噪声,将有效信号放大到合适单片机处理的范围,得到合适而正确的结果。

3.2 低硫传感检测系统的试验步骤

低硫传感检测系统的实验步骤如下:

(1)将非分光红外传感器按照要求安装到检测装置中,包括红外光源、镀金气室与红外探测器等,并进行测试,确保仪器连接正确,工作正常。

(2)将标准物质(比如:煤)在密闭的氧弹中进行充分燃烧,采用平面六通阀储存,使气体充分均匀,然后将待测气体通入镀金气室中。

(3)开启恒温控制系统,确保测试装置置于该恒温环境中,尽最大可能减少温漂对系统测试的影响。

(4)将A/D转换后的信号接入设计的微弱信号处理电路行,对其输出信号进行测试。

(5)将测试得到的信号,根据朗伯-比尔定律,反求物质元素的含量,对照标准物质中元素的含量,分析测试结果,得到测试结论。

3.3 低硫传感检测系统的试验结果分析

在测试之前,采用氢气作为标准气体,进行标定,测定的结果如表1所示。

表1 标准氢气标定测试结果表 %

经过测试,其测量的绝对误差小于0.1%。在此基础上,经过清洗,标定绝对误差值,然后进行低硫探测实验,经过测试,得到的测试信号波形如图13所示,信号的整体波动50 μV左右。检测信号的检出限达到了10 ppm,可以开展1 ppm左右的信号检测。

图13 信号测试波形图

另外的2个通道设计一样,中间的相互干扰通过PCB设计排除,通道与通道之间全部采用接地设计,可以消除相互之间的干扰,经过测试,都可以很好的满足设计要求。

4 结论

本设计完成了三通道高精密微弱信号处理电路设计,经过严格的参数计算、逐级精密放大和滤波,经过仿真测试,电路具有很高的信噪比,实现了微弱信号的精密放大。电路可以完成氢浓度测试、二氧化碳(一氧化碳)浓度测试、低硫浓度的测试,设计完成后,将该信号处理电路应用在低硫探测传感器中,通过试验验证测试,实现了1 ppm级别的低硫微弱信号检测,验证了电路设计的正确性和有效性。