微弱信號(hào)檢測(cè)的前置放大電路設(shè)計(jì)_張石銳_圖文

1、 技術(shù)創(chuàng)新電子設(shè)計(jì)您的論文得到兩院院士關(guān)注微弱信號(hào)檢測(cè)的前置放大電路設(shè)計(jì)The design of preamplifier circuit based on weak signal detection(1.上海交通大學(xué);2.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心張石銳1,2鄭文剛2黃丹楓1趙春江2ZHANG Shi-rui ZHENG Wen-gang HUANG Dan-feng ZHAO Chun-jiang摘要:針對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)的技術(shù)需求,論文設(shè)計(jì)了以電流電壓轉(zhuǎn)換器,儀表放大器和低通濾波器為主要結(jié)構(gòu)的微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路。結(jié)合微弱信號(hào)的特點(diǎn)討論了電路中噪聲的抑制和隔離,提出了電

2、路元件的選擇方法與電路設(shè)計(jì)中降低噪聲干擾的注意事項(xiàng)。本文利用集成程控增益儀表放大器PGA202設(shè)計(jì)了微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路,并利用微弱低頻信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試,得到了理想的效果。關(guān)鍵詞:精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);微弱信號(hào)檢測(cè);儀表放大器;前置放大電路中圖分類號(hào):TN721.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAbstract:Combined with the demand of the detection of weak signal in precision agriculture,the article introduced the circuit princi -ple of deigning preamplifier ci

3、rcuit whit I/V Conversion level,instrumentation amplifier level and low-pass filter level.At the same time the article discussed the circuit's noise suppression and isolation according to the characteristics of the weak signal,and gave the method of choosing elements and noise reduction.Finally,

4、gave the design of the weak signal detection pre -amplifier using the program-controlled integrated instrumentation amplifier PGA202.Key words:precision agriculture;weak signal detection;instrumentation amplifier;preamplifier文章編號(hào):1008-0570(200908-2-0223-021引言精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)主要是依據(jù)實(shí)時(shí)獲取的農(nóng)田環(huán)境和農(nóng)作物信息,對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行精確的灌溉、施肥、噴

5、藥,最大限度地提高水、肥和藥的利用效率,減少環(huán)境污染,獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。農(nóng)田環(huán)境和農(nóng)作物信息的準(zhǔn)確獲取取決于可靠的生物傳感技術(shù)。如常規(guī)精準(zhǔn)灌溉主要關(guān)注空氣的溫度、濕度和土壤的含水量,利用這些參數(shù)的變化控制對(duì)農(nóng)作物的灌溉,而作物自身產(chǎn)生的一些信號(hào)能夠更準(zhǔn)確的反映其自身的生理狀況,通過檢測(cè)這些信號(hào)控制灌溉可以使灌溉更精確。目前精準(zhǔn)灌溉技術(shù)正朝著以環(huán)境信息和農(nóng)作物生理信息相結(jié)合為控制依據(jù)的方向發(fā)展,為此各種生物傳感器如植物電信號(hào)傳感器、植物莖流傳感器等應(yīng)運(yùn)而生。但一般作物自身生理狀況產(chǎn)生的信號(hào)極其微弱,往往電流信號(hào)只能達(dá)到納安級(jí),電壓信號(hào)也只能達(dá)到微伏級(jí)。為有效的利用這些信號(hào),應(yīng)首先對(duì)其

6、進(jìn)行調(diào)理,本文根據(jù)植物生理信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了適合此類微弱信號(hào)檢測(cè)的前置放大電路。2電路基本結(jié)構(gòu)生物傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)一般為頻率較低的微弱信號(hào),檢測(cè)不同的植物生理參數(shù),可能得到電壓或電流信號(hào)。對(duì)于電流信號(hào),應(yīng)首先把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào),通過放大電路的放大,最后利用低通濾波器,濾除混雜在信號(hào)中的高頻噪聲。微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路的整體結(jié)構(gòu)如圖1。圖1微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路的整體結(jié)構(gòu)考慮到傳感器產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱,很容易受到噪聲的污染,所以放大電路選擇儀表放大器結(jié)構(gòu)。儀表放大器擁有差分式結(jié)構(gòu),對(duì)共模噪聲有很強(qiáng)的抑制作用,同時(shí)擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗,非常適合對(duì)微弱信號(hào)的放大。另外為了使

7、輸出電壓在高頻段以更快的速度下降,提高低通濾波器濾除噪聲的能力,這里選擇了二階低通濾波器。微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路原理圖如圖2。生物傳感器產(chǎn)生的生物信號(hào)通常具有很大的動(dòng)態(tài)范圍,達(dá)到幾個(gè)數(shù)量級(jí),原理圖中R2為可變電阻,通過改變R2的阻值,可以改變儀表放大器的放大倍數(shù),從而適應(yīng)放大不同大小的微弱信號(hào)。圖2微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路原理圖張石銳:碩士研究生基金項(xiàng)目:北京市科技攻關(guān)項(xiàng)目;項(xiàng)目名稱:農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉監(jiān)測(cè)與控制設(shè)備研制與開發(fā)(D0706007040191;國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃;項(xiàng)目名稱:農(nóng)產(chǎn)品流通過程信息化關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)研發(fā)(2006BAD10A04;國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃;項(xiàng)目名稱:

8、灌區(qū)地下水開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)(2006BAD11B05技術(shù)創(chuàng)新 3噪聲的抑制和屏蔽在微弱信號(hào)檢測(cè)的過程中,噪聲的抑制和屏蔽至關(guān)重要,由于信號(hào)微弱,很容易受到噪聲污染,這些噪聲主要由環(huán)境噪聲、電路元器件自身產(chǎn)生的噪聲和電源的工頻噪聲組成,因此在噪聲的抑制和屏蔽上要綜合考慮這幾方面的因素。3.1元器件的選擇在進(jìn)行微弱信號(hào)檢測(cè)過程中,為了減少集成運(yùn)算放大器對(duì)電路的干擾,應(yīng)選擇接近理想運(yùn)算放大器的芯片。主要參數(shù)的要求是具有較小的輸入偏執(zhí)電流、輸入偏執(zhí)電壓和零漂,具有較大的共模抑制比和輸入電阻。特別是電流電壓轉(zhuǎn)換級(jí)對(duì)集成運(yùn)放的要求較高,一般需要運(yùn)放的輸入偏執(zhí)電流在pA級(jí)。目前市面上有很多滿足條件的集成運(yùn)算

9、放大器,如AD8571、LMC6482、LF351和OPA2703等。電路中的儀表放大級(jí)通常設(shè)計(jì)為程控放大倍數(shù)的結(jié)構(gòu),通過程控開關(guān)調(diào)整反饋電阻的大小,從而改變放大倍數(shù)。為了對(duì)數(shù)字電路和模擬電路進(jìn)行隔離,程控開關(guān)應(yīng)選用光偶開關(guān)。為了提高儀表放大器的性能,可以選用集成儀表放大器。很多公司提供了不同類型的集成儀表放大器,如INA127,它內(nèi)部集成了儀表放大器的主要結(jié)構(gòu),有很好的對(duì)稱性,可通過改變外接電阻的大小改變放大倍數(shù)。PGA202是一款可程控放大倍數(shù)的儀用放大器,應(yīng)用它可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu),但PGA202需要搭建差分輸入級(jí),這樣就降低了共模抑制能力。2007年末ADI公司推出的AD8253芯片集以上

10、兩種芯片的優(yōu)點(diǎn)于一身,不但集成了完整的儀表放大電路,還集成了程控放大倍數(shù)的邏輯電路,是微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路的理想選擇。3.2工頻噪聲和環(huán)境噪聲的隔離工頻噪聲是影響電路的主要噪聲,通?？赏ㄟ^電路的電源傳遞到電路中。為了減少這種影響,在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在連接電源處增加旁路電容,隔離電源的交流噪聲。除了這些措施外,為了濾除50Hz的工頻干擾,還可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)采用具有50Hz陷波的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。另外,數(shù)字電路部分與模擬電路部分分別接地,盡量減少模擬電路的接地點(diǎn)同時(shí)采用畫圈接地的方法都可以有效的隔離噪聲。4電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖3PGA202的內(nèi)部結(jié)構(gòu)綜合考慮微弱信號(hào)檢測(cè)的需要和市場(chǎng)上芯片的供應(yīng)情況,本文選

11、用PGA202搭建儀表放大器,對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。4.1PGA202簡(jiǎn)介這里所選用的PGA202是由BURR-BROWN公司生產(chǎn)的,PGA202是一種程控儀表放大器,它內(nèi)部集成了程控的增益改變邏輯電路。由于省去了增益控制部分,利用PGA202搭建儀表放大器可以使電路結(jié)構(gòu)得到很大的簡(jiǎn)化,并且它的放大倍數(shù)穩(wěn)定精確,為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供了方便。PGA202的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3。在圖3中可以看到,A和A1為數(shù)字程控信號(hào)的輸入端,控制PGA202中集成的前置邏輯電路,通過改變A、A1的值可以使儀表運(yùn)算放大器的倍數(shù)在1、10、100和1000之間改變。4.2濾波器的設(shè)計(jì)為了加強(qiáng)濾波器濾除

12、噪聲的能力,筆者采用了二階低通濾波器,并在濾波器的設(shè)計(jì)過程中選擇了同樣的電容電阻組合。濾波器的截止頻率可通過公式來進(jìn)行計(jì)算,由于生物傳感器的信號(hào)多為低頻信號(hào),因此可以將低通濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)的低一些。在筆者所設(shè)計(jì)的電路中,電阻值100k,電容值33nF,截止頻率為48Hz。4.3電路設(shè)計(jì)為了提高儀表放大器差分輸入級(jí)的對(duì)稱性,同時(shí)滿足零漂、輸入偏執(zhí)電流、輸入偏執(zhí)電壓等參數(shù)的需求,選用了性能參數(shù)較好并且同一芯片中含有兩個(gè)運(yùn)算放大器的OPA2277作為儀表放大器的差分輸入級(jí)。在電壓電流轉(zhuǎn)換級(jí)采用了性能參數(shù)更為理想的集成運(yùn)放AD8571,AD8571的輸入偏執(zhí)電流為20-70pA,輸入偏執(zhí)電壓為1u

13、V,共模抑制比達(dá)到120-140dB,可以滿足I/V轉(zhuǎn)換輸入級(jí)對(duì)運(yùn)放性能的要求。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中還考慮了噪聲的隔離,為減少電源的工頻噪聲對(duì)電路的影響,芯片連接電源處分別并聯(lián)了0.1uF的旁路電容。另外為降低環(huán)境噪聲對(duì)輸入信號(hào)的污染,將電路的輸入點(diǎn)放在了畫圈接地的圈中,利用接地圈對(duì)環(huán)境噪聲起到屏蔽作用。整體電路的設(shè)計(jì)如圖4所示。圖4應(yīng)用PGA202的微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路設(shè)計(jì)4.4電路的測(cè)試表1電路測(cè)試結(jié)果本文按照?qǐng)D4制作了電路板,選擇R0的大小為1k,對(duì)電路的性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試過程采用TFG2300數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生20H正弦信號(hào),通過串聯(lián)500k高精度電阻分壓后接入電路。設(shè)信號(hào)發(fā)生

14、器產(chǎn)生信號(hào)的振幅為A,儀表放大器的輸入信號(hào)的振幅可以通過公式計(jì)算。采用TDS1002數(shù)字示波器觀察到電路輸出了較平滑的正弦波形。表1中給出了A1、A0分別為11、10時(shí)電路的測(cè)試數(shù)據(jù)。通過表1可以看出放大器的放大倍數(shù)穩(wěn)定增益誤差較小。(下轉(zhuǎn)第188頁ÁÁ500RRkAAÁÂ?技術(shù)創(chuàng)新 信息,通過對(duì)信息的分析,選擇控制方式做出相應(yīng)的動(dòng)作。如圖(4所示,可以方便地設(shè)定機(jī)器人的平移速度和旋轉(zhuǎn)速度,實(shí)時(shí)地控制機(jī)器人前行、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)以及停止。圖4移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制界面在實(shí)驗(yàn)中利用本文提出的多種傳感器目標(biāo)識(shí)別的融合結(jié)構(gòu),建立了兩個(gè)多層BP處理網(wǎng)絡(luò),處理CCD攝

15、像頭和超聲波測(cè)距傳感器的信號(hào)、紅外傳感器和超聲波測(cè)距傳感器的信號(hào)。通過實(shí)驗(yàn)表明:基于DSP技術(shù)的野外探索機(jī)器人整個(gè)控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí),準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)預(yù)期的各項(xiàng)要求。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和比較可以證明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成的多傳感器融合信號(hào)識(shí)別具有很高的健壯性,識(shí)別能力強(qiáng),這樣給機(jī)器人對(duì)陌生環(huán)境的辨識(shí)和決策提供了更有力的科學(xué)依據(jù)。5結(jié)束語整個(gè)設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)采用了嵌入式的研究方法來構(gòu)建系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái),程序經(jīng)仿真調(diào)試后編譯燒入DSP中,運(yùn)行測(cè)試結(jié)果證明,本系統(tǒng)工作安全可靠、數(shù)據(jù)收發(fā)正確,完全可以作為移動(dòng)機(jī)器人的載體。該智能控制系統(tǒng)不僅滿足了移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的要求,同時(shí)也為機(jī)器人的轉(zhuǎn)型應(yīng)用

16、提供了良好的技術(shù)支持。在此基礎(chǔ)上,可以加入各種先進(jìn)的控制算法來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式機(jī)器人的進(jìn)一步智能化。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):對(duì)于多傳感器的信息融合采用了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合算法,很好的解決了機(jī)器人在野外復(fù)雜環(huán)境下如何準(zhǔn)確及時(shí)地完成復(fù)雜任務(wù)的問題,同時(shí)融入無線通信技術(shù),極大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。參考文獻(xiàn)1田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用教程M.北京航空航天大學(xué)出版社,2005,3.2朱若寒,孫易冰.基于DSP信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.微計(jì)算機(jī)信息,2008,6-2:197-2013伍錦暉,謝存禧.基于DSP的機(jī)器人雙目視覺平臺(tái)設(shè)計(jì)J.機(jī)器人技術(shù),2005,2:249-2504宋捧,郭蘭申,邢國(guó)芬.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集

17、成、多傳感器融合的機(jī)器人對(duì)障礙物的識(shí)別J.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2006,19:32-34.作者簡(jiǎn)介:童賢慧,男,漢族,1984年3月生,江蘇連云港人,南京工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)碩士研究生,研究方向?yàn)槿斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò),機(jī)器人應(yīng)用技術(shù);孫雙,男,漢族,1983年11月生,江蘇鹽城人,南京師范大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)碩士研究生,研究方向嵌入式應(yīng)用技術(shù)。Biography:TONG Xian-hui,Male,Han Nationality,1984.03,Jiangsu Lianyungang,College of Information Science and En

18、gi-neering graduate student,Nanjing University of Technology Nan-jing,Research direction for artificial neural networks and Robotapplied technology.(210009南京南京工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院童賢慧孫雙(College of Information Science and Engineering,Nanjing U-niversity of Technology Nanjing Jiangsu210009,ChinaTONG Xian-hui

19、SUN Shuang通訊地址:(210009南京江蘇省南京市新模范馬路5號(hào)南京工業(yè)大學(xué)丁家橋校區(qū)214信箱童賢慧(收稿日期:2009.07.05(修稿日期:2009.08.05(上接第224頁5結(jié)論本文中所討論的微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的生物傳感器。運(yùn)用本文所闡述的降噪方法,有效的抑制和屏蔽了可能對(duì)電路造成影響的各種噪聲,如環(huán)境噪聲、工頻噪聲等。通過利用微弱低頻信號(hào)對(duì)以程控增益集成儀表放大器PGA202為核心的微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路進(jìn)行測(cè)試,得到了較為理想的結(jié)果,說明該電路可以在微弱信號(hào)的檢測(cè)過程中得到應(yīng)用。本文創(chuàng)新點(diǎn):本文針對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)的需求,結(jié)合屏蔽和抑制噪聲的措施,利用PGA202設(shè)計(jì)了完整的微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路。參考文獻(xiàn)1汪懋華“精細(xì)農(nóng)業(yè)”發(fā)展與工程技術(shù)創(chuàng)新J農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)1999.31-82王鳳花,張淑娟精細(xì)農(nóng)業(yè)田間信息采集關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展J農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)2008.5112-1213李遠(yuǎn)明,陳文濤微弱光信號(hào)前置放大電路設(shè)計(jì)J設(shè)計(jì)參考2007.851-534孫成正,尹文慶,趙建平,李亮植物電信號(hào)前置放大電路的設(shè)計(jì)與仿真J電子測(cè)量技術(shù)2007.7168-1715戴彬,陳迪平,劉文用一種新型超寬帶CMOS低噪聲放大器設(shè)計(jì)J微計(jì)算機(jī)信息