全国产化微弱信号调理电路

摘" 要： 为更好地处理微弱信号，提出一种新型的多通道信号前端调理模块。该模块不仅具有可编程增益功能，而且还整合了带通滤波器。在保证高输入阻抗和低噪声等关键性能的同时，提出一种全面而创新的调理模块设计方案。该方案的核心是采用可编程增益放大电路，显著提高了模块在放大各类微弱信号时的适应性。此外，利用HC595系列芯片，实现了对增益的精确调控。该放大电路具备26 dB的固定增益和0～84 dB的可调增益范围，工作带宽设定在380～420 kHz。经过系统性能测试，结果表明该调理电路成功满足了设计目标的各项要求。

关键词： 微弱信号处理； 调理电路； 程控增益； 带通滤波器； 放大电路； 运算放大器

中图分类号： TN721⁃34" " " " " " " " " " " " " " 文献标识码： A" " " " " " " " " " " "文章编号： 1004⁃373X（2024）20⁃0027⁃06

Totally⁃domestic weak signal conditioning circuit

ZHAO Xingling， ZHANG Dan， WANG Gui， LIU Hailong

（School of Artificial Intelligence， Hubei University， Wuhan 430062， China）

Abstract： A novel multi⁃channel signal front⁃end conditioning module is proposed to better process the weak signal. This module not only has programmable gain function， but also can integrate band⁃pass filter. A design scheme of comprehensive and innovative conditioning module is proposed while ensuring key performances such as high input impedance and low noise. The core of this scheme is the use of programmable gain amplifiers， which can significantly enhance the module′s adaptability in amplifying various weak signals. Furthermore， the HC595 series chips are used to precise control the gain. This circuit has a fixed gain of 26 dB and an adjustable gain range of 0 to 84 dB， with the operating bandwidth set between 380 kHz and 420 kHz. After system performance testing， the results show that this conditioning circuit can successfully meet all requirements set out in the design objectives.

Keywords： weak signal processing; conditioning circuit; programmable gain; band⁃pass filter; amplification circuit; operational amplifier

0" 引" 言

随着科学的发展，海洋世界的神秘逐渐吸引人类的关注，而海洋探索的发展离不开对水声信号技术的深入研究与应用。水声信号作为海下最有效的信息传递手段，其在海洋科学研究、资源开发和生态监测中扮演着关键角色。科学家利用先进的水声设备来监测海洋生物活动，比如鲸鱼的迁徙路线和深海生物的行为模式，这些数据对于生物多样性的研究及其保护策略的制定至关重要。同时，在海洋资源勘探方面，水声信号技术使得人类能够探测到难以到达的海底矿产资源。通过发送并接收水下声波，科学家可以构建海底地形图和识别潜在的油气田，这对于能源行业的发展具有重大意义。此外，水声信号还广泛应用于海洋环境监测，例如通过长期跟踪声音模式来评估海洋噪声污染对海洋生态的影响。为了进一步提升水声技术的应用效果，研究人员也在不断探索如何减少环境噪声对信号传播的干扰，并提高信号的解析度和传输距离。水声信号通常极其微弱，输出信号的电压幅值一般在毫伏级以下，且在传输过程中易受环境噪声影响[1⁃4]。针对这一挑战，本文设计了一种专门的调理电路，旨在有效处理这些信号。本文的设计重点集中在阻抗匹配、前置放大、程控增益放大以及滤波上。

在传统的设计方案中，DAC芯片通常与程控增益芯片配合使用。例如，文献[5]基于AD603设计了一种程控增益放大电路，其中INA128仪表放大器被用于前级放大，以提高信噪比，并将处理后的信号传递到后端。通过改变DAC芯片AD8600的输出电压，控制电压控制型放大器AD603，以实现对增益的调整。文献[6]则介绍了一种由模拟开关ADG704和集成运算放大器OPA656组成的程控增益前置放大电路的设计，通过模拟开关控制放大电路的增益。

鉴于这些现有技术，本文提出了一种基于全国产化的多通道可控增益前端调理模块。这一模块的设计不仅考虑了现有技术的局限性，还引入了创新性元素，以期提供更高效、更稳定的信号处理方案。

1" 调理电路性能参数设计

本文设计的主要功能是对微弱信号进行常规处理，设计参数为：26 dB的前级放大；增益范围为0～84 dB，实时可调；带通滤波器的工作频带为380～420 kHz；5 V单电源供电。

2" 调理电路设计方案

2.1" 电路总体结构

本文所设计的信号调理模块电路结构如图1所示。该模块的每个通道信号调理电路由以下三个主要部分组成：前级放大电路、可变增益放大器（TVG）和带通滤波器。前级放大电路直接与接收阵元相连，提供26 dB的固定增益，其特点是低噪声和高输入阻抗。在可变增益放大器的研究中，发现目前尚无国产化的压控和数控芯片产品。因此，本研究选择国产运算放大器构成的同相放大器，结合国产模拟开关，通过切换开关以调整放大倍数，实现TVG功能。单级可变增益放大电路能提供0倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍和128倍共8个放大档位。为了达到0～84 dB的可变增益范围，需要将两级放大电路进行级联。至于带通滤波器部分，其通带范围设定为380～420 kHz，采用4阶有源RC带通滤波器来实现。

2.2" 芯片选择及放大电路设计

2.2.1" 前级放大电路设计

环境噪声和传输过程对微弱信号的干扰是不可忽视的因素[7⁃9]。在整个电路系统中，前级放大电路的噪声直接影响到整体的噪声系数，因此对于前级放大电路来说，具备低噪声和强大的抗干扰能力是至关重要的[10⁃12]。

本文设计的前级放大电路采用了SC7510低噪声运算放大器，结合了XNMJ310AN场效应管，以实现前级的阻抗匹配和26 dB的固定增益放大。阻抗匹配是为了从前级接收阵元取得最大的目标信号，因此调理电路的等效输入阻抗必须远大于接收阵元的输出阻抗[13]。N沟道结型场效应管因其高输入阻抗和低噪声特性而成为理想选择。在反相放大电路的前端加入这种结型场效应管，可以有效满足对高输入阻抗的性能要求。整个前级放大电路优化了信号处理流程，提高了信号的信噪比，以确保信号的清晰度和稳定性。该电路结构如图2所示。

前级放大电路原理分析：本电路设计结合了场效应管的基础放大功能与反相放大电路，实现了高效的信号处理。其中，电阻R4与R1和R9的并联电阻比值决定了反相放大电路的放大倍数，从而确保信号的有效放大。此外，电容C3和电阻R7组成的滤波RC电路，有效地抑制了自激振荡等不稳定现象，保障了电路的稳定性。同时，C2和C4两个电容起到了阻隔模拟信号中直流分量的作用，避免了直流分量对需要的信号造成的干扰，确保信号的纯净和准确传递。本电路采用单电源5 V供电，使用2.5 V参考电压实现抬压。电容C1和C5作为旁路电容，起到关键作用，有效隔绝了电源端噪声，防止其对电路性能造成不良影响[14⁃15]。

2.2.2" 可调放大电路设计

本研究设计了一种由模拟开关芯片和运算放大器组成的、增益可8档调节的同相放大电路。通过切换模拟开关，放大倍数可分别设置为0倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍和128倍。将两级此类电路级联，可以实现0～84 dB的可控增益范围，以便实现时间变化增益（TVG）功能。

时间变化增益功能是指信号处理系统中的增益随时间而变化的功能。多种增益方案在程序设置的时间范围内自动切换。

MS1251是一款8路模拟输入信号选择芯片。A、B、C引脚控制信号的选择，通过HC595系列芯片对这3个引脚进行不同的数字组合，从而选择8路开关中的一路，并与SC7510运算放大器组成同相放大电路。SC7510芯片是一款低噪声、低失真的运算放大器，输入电压噪声为7.5 nV[Hz]，带宽为258 MHz（增益为1），压摆率为233 V/μs。MS1251相关数据如表1所示，电路原理图如图3所示。

2.2.3" 带通滤波器设计

为避免所需频率范围外的信号干扰，只允许特定频率范围内的信号通过，采用具有选频作用的滤波器对频率范围外的信号进行滤除或衰减[16⁃18]。本文设计的带通滤波器具有380～420 kHz的通带范围，归类于窄带滤波器。为了满足对高频率分辨率的需求，选择了四阶MFB（Mel Frequency Bandpass）结构。MFB结构在低频区域提供较高的频率分辨率，这对于窄带滤波器至关重要。同时，这种结构能够在维持所需精度的同时减少计算资源的消耗。

MFB滤波器的另一个优点是其对不同环境噪声条件的适应性，尤其是在背景噪声复杂或不断变化的情况下。这使得MFB滤波器在实际应用中，如在嘈杂环境中进行语音识别时，表现出极高的实用价值。

为了确保通带内的平坦度，本设计采用了巴特沃斯函数进行逼近。巴特沃斯滤波器的通带响应是平坦的，这意味着在通带的频率范围内信号的衰减较小。此外，巴特沃斯滤波器在通带和阻带之间具有最大的平滑度，使得频率响应曲线的斜率最为平缓。这有助于减少滤波过程中引入的相位失真和振铃效应。在所有滤波器类型中，巴特沃斯滤波器能够提供近似最佳的幅频响应，即在通带内实现最大的平坦度，而在阻带内实现最大的衰减。

本文滤波器的中心频率为400 kHz，带宽为40 kHz（-1 dB带宽）。相关的原理图如图4所示，仿真结果展示在图5中。在此设计中，选用了圣邦微电子的SGM8965芯片作为运算放大器，该芯片以其低噪声和低失真特性而著称。

2.2.4" 电源模块

在本文的设计中，选用了低压差线性稳压器（LDO）作为电源模块，其电路结构如图6所示。LDO能在较低的输入输出电压差下稳定工作，特别适用于输入电压仅略高于输出电压的场景。使用LDO可以提供更平稳、波纹更小的输出电压。相较于其他解决方案，LDO更易于设计和使用，无需复杂的补偿电路等。此外，LDO具有优良的瞬态响应，能够迅速适应负载变化，保证输出电压的稳定。

本设计采用的LDO为圣邦威公司的SGM2056芯片，这款芯片具有良好的瞬态响应，以及高输出精度、低功耗和低噪声等特性，并配备有热关断和过流保护功能。这些特性显著提升了系统的可靠性，保护了芯片免受过热和过载的损害。

为了进一步提高系统的供电可靠性并预防LDO损坏对整体电路造成的不利影响，本文在电源模块设计中增加了一项关键措施：引入一只0 Ω电阻，以实现更灵活的供电选择。这种设计允许电路在LDO故障的情况下，直接使用5 V电源供电，绕过LDO，确保电路的稳定供电。

偏置电压模块设计原理图如图7所示。在该电路设计中，除了采用5 V的单一电源供电外，还特别需要2.5 V的偏置电压来实现抬压。此举旨在确保电路内的半导体组件（例如晶体管）能够维持在其适宜的工作状态，同时也是为了增强整个电路的性能与稳定性。使用偏置电压的策略对于单电源供电系统而言是至关重要的。它不仅使得半导体器件能够在设计的工作点上正确运行，而且还有助于提升电路对温度变化的适应能力，保证了电路性能的最优化和稳定性的提高。因此，在单电源供电的电路设计中引入偏置电压是实现高效、稳定电路运行的关键措施。

3" 性能测试

本文根据以上设计理念制作出电路板实物，并对其进行了功能模块测试，主要包括前级放大电路测试、可控增益放大电路测试、滤波电路测试、等效输入噪声测试和TVG响应时间测试。

3.1" 前级放大电路输出

输入400 kHz、100 mV正弦波信号，经过场效应管与运放构成的同相放大电路，幅值放大20倍，理论输出2 V。测试结果如表2所示，结果表明，实际输出电压幅值与理论值的误差小于1 dB。

3.2" 可控增益

通过595系列芯片对模拟开关进行通道选择控制，从而实现不同的放大倍数，单级倍数0倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍和128倍可调。使用400 kHz、2 mV～1 V的正弦波信号测试。

部分测试结果如表3所示。

3.3" 滤波器幅频响应

为便于测试，将可控增益设置为0 dB，在此情况下整体电路的总增益为26 dB。使用100 mV正弦波信号，分别测试在380～420 kHz、200 kHz、800 kHz下的信号幅值，测试结果如表4所示。结果表明，通带内衰减≤1 dB，误差≤0.5 dB，带外衰减≥24 dB，符合设计要求。

3.4" 等效输入噪声

微弱信号对噪声的敏感度较高，因此低噪声是该电路设计的一个重要指标。将可控增益设置为42 dB，在此情况下整体电路的总增益为68 dB。将各通道的输入短接，使用机械毫伏表测试在该情况下的噪声，并利用下式计算出等效输入噪声。

[Vi=Vo×1 000Gain]

式中：[Vi]为等效输入噪声；[Vo]为输出噪声；[Gain]为放大倍数。

测试结果如表5所示。表5测试结果符合低噪声的设计要求。

3.5" TVG响应功能

通过主控芯片设置TVG响应时间，使得增益按顺序在该时间范围下依次完成切换。本次测试设置每1 ms完成一次增益切换。测试结果如图8所示，结果表明多种增益在该时间设置下可实现快速转换，增益反应时间较快。另外，在增益转换过程中，信号相位连续。

4" 结" 语

本文针对微弱信号调理问题，以及器件全国产化的需求，设计了一种多通道可程控增益放大电路调理模块。该模块具有低噪声、放大倍数可8档实时调节的功能。该设计基于模拟开关MS1251与运算放大器SC7510的组合构成同相放大器，实现多种增益方案的转换，并采用SGM8965运算放大器选择特定频率范围内的信号。实物测试结果表明，该电路模块在380～420 kHz工作带宽内可实现程控增益放大，信号无失真，且具有低噪声、低功耗的特点，实现了设计要求，可用于微弱信号的调理电路。

注：本文通讯作者为张丹。

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作者简介：赵星灵（2000—），女，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事微弱信号检测方向的研究。

张" 丹（1976—），男，湖北武汉人，博士研究生，副教授，研究方向为嵌入式技术。

收稿日期：2024⁃04⁃18" " " " " "修回日期：2024⁃05⁃20

基金项目：武汉市科学技术局知识创新专项（2023010201020423）

DOI：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2024.20.005

引用格式：赵星灵，张丹，汪桂，等.全国产化微弱信号调理电路[J].现代电子技术，2024，47（20）：27⁃32.