徐志奪

（大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116000）

0 引言

探測(cè)是研究人員根據(jù)傳感器所獲得的目標(biāo)位移信號(hào)，通過(guò)采樣模塊和數(shù)據(jù)算法進(jìn)行分析，獲得想要的信息的過(guò)程。所以，采集精準(zhǔn)的信號(hào)在探測(cè)過(guò)程中就顯得尤為重要。當(dāng)前我國(guó)比較常用的一類信號(hào)采集傳感器是加速度傳感器，由于其自身限制和所采集信號(hào)的特性，需配有信號(hào)放大電路。在放大電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件部分主要分為放大電路、噪聲抑制電路、轉(zhuǎn)化電路三個(gè)部分，而軟件主要是通過(guò)運(yùn)放原理進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)際研究，該方法能夠準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)放大電路。

1 基于加速度傳感器的微弱信號(hào)放大電路的硬件設(shè)計(jì)和分析

本篇微弱信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)方案主要分為精密儀表電路、噪聲抑制電路和模數(shù)轉(zhuǎn)化電路[1]。整個(gè)放大電路系統(tǒng)的工作原理如下：首先，以振動(dòng)加速器信號(hào)作為模擬信號(hào)，模擬出低頻率的信號(hào)，再利用精密儀器電路完成信號(hào)放大工作，當(dāng)信號(hào)被放大后，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)干擾源。接下來(lái)就需要利用低通濾波器來(lái)消除噪聲干擾，保證信號(hào)源有效[2]。最后，利用A/D轉(zhuǎn)化模塊將采樣的信號(hào)源從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為易于查看的數(shù)字信號(hào)。至此，就能成功獲得有用的信號(hào)。接下來(lái)，我們對(duì)每個(gè)部分的電路進(jìn)行詳細(xì)分析。微弱信號(hào)放大流程圖如圖1所示。

圖1 微弱信號(hào)放大流程圖

1.1 精密儀表放大電路

振動(dòng)加速器信號(hào)的振幅非常小，導(dǎo)致信號(hào)非常微弱，采集過(guò)程中很容易被其它信號(hào)所淹沒(méi)。為此，需要先利用精密儀器放大電路將被采集的信號(hào)放大，將精密放大電路設(shè)置在實(shí)驗(yàn)電路前端。儀表放大器數(shù)據(jù)更加精確，屬于精密差分電壓放大器，是由運(yùn)算放大器優(yōu)化發(fā)展而來(lái)的，在整個(gè)放大器中，具有非常高的精準(zhǔn)度。在日常使用中，它具有如下特點(diǎn)：①共模抑制比高；②噪音低；③輸入阻抗大；④線性誤差??；⑤增益設(shè)置靈活；⑥操作靈活、方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[3]。相比傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器，它的優(yōu)點(diǎn)更加突出，性能更加優(yōu)異，所以在數(shù)據(jù)采集上，儀器放大電路較為常用。本設(shè)計(jì)中使用了TI公司出品的精密儀器放大器，其型號(hào)為INA10，該款放大器以兩級(jí)差分電路為基礎(chǔ)架構(gòu)，其芯片內(nèi)部分別由A1和A2控制差分輸入，應(yīng)用方式相同，高效實(shí)現(xiàn)同相輸入信號(hào)放大效果。如果信號(hào)屬于共模輸出信號(hào)，其放大效果并不明顯，放大能力微弱，這一性質(zhì)可以幫助抑制加速器產(chǎn)生的微弱信號(hào)在整個(gè)電路分析過(guò)程中衰減，增強(qiáng)微弱信號(hào)的存在強(qiáng)度。利用前級(jí)差分的輸入方式，能夠有效提升放大電路中差模信號(hào)的共模抑制比；當(dāng)共模抑制比不變時(shí)，使用以A3為核心的差分放大電路，能夠高效地減小電阻匹配所需要的精度。與傳統(tǒng)的差分放大電路對(duì)比，儀表放大器電路共模抑制比更高，控制放大過(guò)程更加簡(jiǎn)便，更加容易操作[4]。

1.2 噪聲抑制電路

對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要嚴(yán)格進(jìn)行抑制噪聲的處理，由于微弱信號(hào)的振動(dòng)幅值非常小，所以采集過(guò)程中，極其容易受到外界環(huán)境因素和其它設(shè)備工作噪音干擾。因此，降噪過(guò)程是必不可少的，在抑制過(guò)程中，要全面地對(duì)影響因素進(jìn)行分析，確保所有外在影響因素都被排除。在采集檢測(cè)微弱信號(hào)的過(guò)程中，必須要降低集成運(yùn)算放大器自身產(chǎn)生的影響因素，在放大器的選擇上要結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況，選擇合適的運(yùn)算放大芯片，確保采集信號(hào)的精準(zhǔn)性。

該電路控制芯片選擇TI公司所生產(chǎn)的型號(hào)為QPA1632的芯片，此款芯片也可以幫助數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這款芯片能夠保證信號(hào)放大輸出的質(zhì)量，它的優(yōu)點(diǎn)在于自身產(chǎn)生的噪聲極低并且能夠提供輸出驅(qū)動(dòng)的功能。不僅如此，該芯片自身的性能也是非常優(yōu)異的，它的失真率極低，僅有0.000022%，其產(chǎn)生的電壓噪聲也非常低，但是其增益帶寬可達(dá)180MHz。該芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用全差分架構(gòu)，能夠嚴(yán)格把控最大信噪比、平和輸入和輸出轉(zhuǎn)化的浮動(dòng)范圍。加速度傳感器振動(dòng)產(chǎn)生的頻率極低，利用該芯片能夠很好地完成抑噪的功能，同時(shí)能夠幫助增強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)。

1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)化電路

當(dāng)收集處理信號(hào)前的準(zhǔn)備工作完成后，就要進(jìn)行信號(hào)的存貯工作。在檢波器實(shí)驗(yàn)中，同樣采用TI公司芯片型號(hào)為ADS1271的精密模數(shù)轉(zhuǎn)化器芯片對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在該芯片的差分模擬信號(hào)輸入端使用QPA1632芯片作為運(yùn)行驅(qū)動(dòng)芯片。為保證AC的性能，需要在電路相關(guān)位置連接電容，具體電容型號(hào)的選擇由設(shè)計(jì)人員根據(jù)電路情況進(jìn)行選擇，例如將1nF電容并聯(lián)到AINP和AINN之間，保證每個(gè)模擬輸入端與地連接間放置100pF的電容。該芯片為24位轉(zhuǎn)化器，其運(yùn)行數(shù)據(jù)的速率也非?？?，可以達(dá)到105ksps，能夠有效保證AC性能和直流精度。

如圖2所示為噪聲抑制和屏蔽電路（即OPA1632電路）的幅頻特征曲線，能夠清晰發(fā)現(xiàn)幅頻抑制點(diǎn)為1kHz，完全符合加速度信號(hào)頻率條件，另外，能夠起到很好的抑制高頻噪聲作用，帶內(nèi)平坦度良好，總體起伏小于0.5dB[5]。

圖2 噪聲抑制和屏蔽電路幅頻特征曲線

噪聲抑制電路存在一定缺陷，即會(huì)對(duì)信號(hào)相位產(chǎn)生一定影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)緊密聯(lián)系理論常識(shí)，詳細(xì)分析相頻特性。實(shí)驗(yàn)表明，放大電路對(duì)不同頻率成分信號(hào)產(chǎn)生的相移存在偏差，是造成失真的重要因素。根據(jù)圖3所示進(jìn)行分析，在0～10kHz范圍內(nèi)，將相移變化控制在2deg內(nèi)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，能夠有效降低相移特性的影響，符合實(shí)驗(yàn)要求。

圖3 噪聲抑制和屏蔽電路相頻特性曲線

結(jié)合輸出信號(hào)特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)該放大器能夠有效提高增益、降低噪聲。首先，多個(gè)放大器級(jí)聯(lián)的方式能夠有效提高增益，該方法也是最直接的應(yīng)用手段。這種設(shè)計(jì)存在一定缺陷，即產(chǎn)生了其它噪聲，且噪聲會(huì)隨著引入級(jí)數(shù)不斷改變，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的問(wèn)題。本文選用的一級(jí)放大和一級(jí)濾波，屬于兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式。其次，它們之間存在著一些特定關(guān)系，可以通過(guò)關(guān)系式表現(xiàn)出來(lái)：1+（NF1-1）+（NF2-1）/Av1+...+（NFn-1）/Av1Av2...Avm，其中NFtutal表示總噪聲系數(shù)，NFn表示第n級(jí)噪聲系數(shù)，Avn表示第n級(jí)放大器電壓增益。該方程式將噪聲系數(shù)與電壓增益建立聯(lián)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及公式計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)，總噪聲主要與第一級(jí)噪聲系數(shù)有關(guān)，所以在測(cè)試過(guò)程中主要完成第一級(jí)INA110噪聲測(cè)試即可。

根據(jù)相關(guān)測(cè)試結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文所設(shè)計(jì)的放大電路可以作為傳感器后級(jí)信號(hào)放大器。本設(shè)計(jì)能夠有效地完成毫伏級(jí)的電路放大效果，至少將電路放大200倍左右，經(jīng)過(guò)濾波降噪后將信號(hào)傳遞到A/D轉(zhuǎn)換芯片上，要保證傳輸范圍不超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片的接收范圍。根據(jù)波形圖顯示可以發(fā)現(xiàn)，放大器的輸出信號(hào)不包括其他頻率的輸出信號(hào)。由此可發(fā)現(xiàn)放大電路具有很好的放大效果，且工作穩(wěn)定可靠，噪聲小，符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和輸出信號(hào)特點(diǎn)分析，使用放大器的主要目的是為了抑制噪聲的干擾，提高信號(hào)增益。當(dāng)采用多個(gè)放大器級(jí)聯(lián)來(lái)提高增益時(shí)，會(huì)提高噪聲的產(chǎn)生比例，噪聲的產(chǎn)生比例會(huì)隨著級(jí)聯(lián)數(shù)量的增加而增大，導(dǎo)致采集信號(hào)非常不穩(wěn)定。但是通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，多級(jí)放大器產(chǎn)生的總噪聲主要和一級(jí)放大濾波有關(guān)，所以在實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)考慮一級(jí)噪聲測(cè)試。

3 基于加速度傳感器的微弱信號(hào)放大電路的軟件設(shè)計(jì)和分析

軟件設(shè)計(jì)過(guò)程要結(jié)合運(yùn)放原理來(lái)對(duì)本文所探討的微弱信號(hào)放大電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算公式如下：

當(dāng)正反向兩端點(diǎn)的電位相等時(shí)，U+==U-，稱為“虛短”。非線性工作區(qū)的運(yùn)放負(fù)責(zé)引入正反饋，由于產(chǎn)生的輸入信號(hào)極其微弱，可以通過(guò)運(yùn)用多個(gè)放大器的手段進(jìn)行降噪，通過(guò)兩級(jí)級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行放大。參考以上運(yùn)算，基本上可以理解整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)方向，最終根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)出微弱信號(hào)放大電路的軟件方案[7]。

4 實(shí)驗(yàn)研究

通過(guò)上述分析，本文所選用的放大電路完全可以作為傳感器微弱信號(hào)放大電路，為保證該實(shí)驗(yàn)的實(shí)際可操作性，實(shí)驗(yàn)將與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，將實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置：將電路的輸入電壓設(shè)置為220V，將差模開環(huán)電壓增益設(shè)置為20～50中間，有限制為75V，電路電容為10F，工作時(shí)間為24H。

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，兩種電路都能起到放大信號(hào)的作用，相比傳統(tǒng)電路，本篇設(shè)計(jì)的電路放大能力強(qiáng)于傳統(tǒng)電路，這一點(diǎn)從圖4中不難看出。無(wú)論哪種放大電路，在一定范圍內(nèi)的增長(zhǎng)速度都很快，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間以后，其放大能力就不再明顯了，但是本文設(shè)計(jì)的放大電路要比傳統(tǒng)放大電路作用的時(shí)間更長(zhǎng)一些。

圖4 傳統(tǒng)電路與本篇設(shè)計(jì)電路放大能力對(duì)比

本電路能夠?qū)鞲衅鳟a(chǎn)生的微弱輸出擴(kuò)大幾百倍，經(jīng)過(guò)抑制噪聲電路后，將采集信號(hào)傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)化器芯片上，但要注意信號(hào)幅值不能超過(guò)A/D模塊的接受范圍。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前，需要對(duì)示波器上呈現(xiàn)的波形進(jìn)行判斷，觀察輸出信號(hào)是否存在不同頻率的波形信號(hào)。本次電路設(shè)計(jì)凸顯出了它具有穩(wěn)定性強(qiáng)、產(chǎn)生噪聲小、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，為今后同類信號(hào)的篩查提供了重要參考。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的分析對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)振動(dòng)加速度傳感器產(chǎn)生的信號(hào)是極其微弱的，且具有振幅小、頻率低的特點(diǎn)；在傳統(tǒng)的放大電路設(shè)計(jì)上，出現(xiàn)效率低、作用效果差的問(wèn)題，而本篇的電路設(shè)計(jì)能夠高效彌補(bǔ)傳統(tǒng)電路上的不足。在電路設(shè)計(jì)上，要明確電路硬件的組成部件，明確各級(jí)電路的應(yīng)用原理，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。軟件部分要充分結(jié)合運(yùn)放原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)開始前，準(zhǔn)確分析實(shí)驗(yàn)電路的可行性，根據(jù)研究結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，本文的設(shè)計(jì)能夠在輸入信號(hào)非常薄弱的情況下抑制噪聲，提高信號(hào)增益，并將其放大，A/D模塊能夠全面接收放大的信號(hào)，但要注意必須在A/D模塊的使用范圍內(nèi)。