高精度弱信号放大电路的设计6-26.doc

高精度弱信号放大电路的设计尤啟明，周俊，詹康，蔡桢荻，吴继新（江汉大学 物理与信息工程学院，湖北 武汉 430056）摘 要 本文针对电阻应变式电子秤的设计，分析了如何设计高精度弱信号放大电路。从系统的整体性角度，介绍了电子秤的设计，重点从信号产生、信号分析、信号处理和信号采集等过程，来完整地讲述高精度弱信号放大电路的设计要领。实验结果表明：在电子秤称重范围内，测量重量小于50g，称重误差小于0.5g；重量在50g及以上，称重误差小于1g；数据抖动现象不再明显。充分验证了此高精度弱信号放大电路设计方法的可靠性。关键词 弱信号；电子秤；信噪比；放大电路；低通滤波Design of High Precision and Weak Signal AmplifierYOU Qiming,ZHOU Jun, ZHAN Kang, CAI Zhendi,WU Jixin(School of Physics & Information Engineering, Jianghan University, Wuhan 430056, China)Abstract Aiming at the design of resistance strain gauge electronic scale, this essay will analysis how to design a high precision and weak signal amplifier in detail. It introduces the entire system design of the electronic scale, and stresses on the processes of the signal generation, analyzing, processing and acquiring to present the techniques and skills of the circuit design thoroughly. The results of the experiment show that within the weighing range of the electronic scale, the weighing error is below 0.5g when weighing range is under 50g, while below 1g when above 50g, with no obvious unsteady data. It gives an evidence of the reliability for this high precision and weak signal amplifier.Key words weak signal; electronic scale;signal-to-noise ratio; amplifier;low-pass filter1. 引言随着科技的不断发展,被噪声掩盖的弱信号的检测(如弱光、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视1，高精度放大技术也日益重要。那么，如何设计高精度弱信号放大电路，本文从电子秤的制作出发，讲述高精度弱信号放大电路的设计过程。首先将微弱信号进行幅值放大到可检测范围，再进行硬件滤波，通过A/D采样电路进行数模转换，获得离散数字信号，最后通过软件滤波得到最终信号数据。2.弱信号的形成在提取弱信号之前，对微弱信号形成原理认识是很有必要的。通常获取微弱信号都是通过传感器，那么传感器的制作好坏，对信噪比大小就起决定性作用。例如应变式电子秤中应变片的粘贴、应变片本身质量、粘贴技术都对后期小信号处理有着直接的关系。（1） 选片：在使用电阻应变片之前，需要选择质量合格的电阻应变片，以平整、清洁、干燥、片内无气泡、锈斑、电阻值在规定范围内为标准。 （2） 测点表面的处理：选取测试点，选择物体受力形变最大区域作为待测区，用锉刀或粗砂纸对所选器件测试点进行打磨，除去测试物表面防锈层、电镀层及油污，接着用细砂纸打磨成45的交叉纹，之后再将测试点擦理干净。如图2.1图所示。（3） 贴片：电阻应变片应该准确的粘贴在测试点上，方向必须和应变片形变方向保持一致。在粘贴前，最好对测试间粘贴位置做上标记。如图2.2所示. 分清电阻应变片的正反面，正面朝上，放在待测标记区，用镊子调整轻轻应变片位置。贴合应变片所用胶可选择502，曾使用过其他多种胶，因固化性和柔和性问题，都被舍弃，固化性太强，应变片与固化后胶体融合，应变片无法形变;柔和型太强，应变片与胶体易脱离，应变片也无法形变。粘贴时，左手按住应变片引脚，右手上胶，并垫上BOPP膜（常见有香烟外包装塑料薄膜），用手沿一个方向滚压，排出应变片与待测物间气泡即好。如图2.3所示。图2.1 打磨 图2.2 标记 图2.3 粘贴(4) 导线焊接固定:焊接引脚后，为防止紧贴于金属待测物而造成短路，一定要做好绝缘措施，可以套上热缩管。其次，焊接导线时，温度不要太高，时间不要太长，以免烫坏应变片。3电路设计3.1应变片桥式等效电路及粘贴位置4片电阻应变片分别粘贴于悬臂端的两面，构成桥式等效电路，如图3.2所示。当忽略电源的内阻时，由分压原理得： 满足时，电桥平衡，但实测过程很难达到这种效果，在此贴片前只要满足即可。选择适当材质的悬臂，将应变片按顺序粘贴于悬臂上，粘贴示意图如下图3.3所示。其粘贴原理是为保证悬臂受重物拉力后，发生形变，使得增大，更有利于弱信号的增强。图3.2 桥式等效电路 图3.3 应变片粘贴示意图 3.2放大电路设计由于电阻应变片受力后电阻值改变比较小，转化的电压小信号U较小，易被噪声信号覆盖。为了减少噪声的引入，本次设计选用仪表放大器INA128作为第一级放大电路，其放大倍数为：在初始状态时，U0，当U=2.5mv时， 第一级输出为： 在实际情况中，电阻应变片的差异使得V1要比上述计算值大，甚至超过1V。这对量程为3V的ADC来说会浪费掉的测量范围，使得测量量程减小。为了解决这个问题，在INA128放大电路的后面加TLC272做减法器，作为第二极放大电路，使得输出初值在50mv左右，保证了输出为正，且不浪费ADC测量范围。前置放大电路图如图3.4所示。图3.4 前置放大电路3.3硬件滤波电路设计本次电子秤设计采样频率为100Hz,因此信号最大频率必须小于50Hz。利用FilterLab滤波器设计软件，输入相应的滤波器参数，选用4阶巴特沃斯低通滤波器，软件设计通带频率10Hz，阻带频率50Hz。巴特沃斯滤波器生成的幅度和相位曲线如图3.5所示。为了进一步验证该电路的有效性，采用multisim进行电路仿真，仿真电路图如图3.6所示。图3.5 幅度、相位曲线 图3.6 滤波器仿真电路4.软件设计软件设计是电子秤设计的关键步骤之一，其主要包含AD采样、软件滤波、LCD显示等步骤。理论信号均为低频信号，而实测中存在高频、中高频杂波干扰，因此需要进行数字低通滤波处理。首先，对每次采集到的新数据进行限幅处理，排除偶然出现的脉冲性干扰所引起的采样值偏差。对每次采集到的数据进行处理，等到相应的序列。（C是常数）然后，将保留下的N个数据进行滑动中位值平均滤波，得到相应的序列，抑制随机干扰，使数据更稳定。 最后，可以根据需要，多次进行嵌套式滑动滤波处理，也就是多次低通滤波，使截止频率更低。5.测量结果将电子秤保持水平，依次将重量为5g 500g范围内的标准砝码放入托盘中，观察并记录液晶屏上显示的数据、计算出称重误差，测试数据如表 1 所示。表 1 5g 500g 范围测试数据实验次数12345678910砝码质量/g5102050100200250300400500第一次测量/g4.99.919.949.5100.5200249.9299.6399.4499.8第二次测量/g4.910.120.050.0101.0199.0250.3300.1400.5499.6误差/g0.10.10.050.250.750.50.20.250.550.3根据表1数据显示，测量误差都非常小，重量小于 50g，称重误差小于 0.1g；重量在 50g 及以上，称重误差小于 1g；数据抖动现象不再明显。6.总结高精度放大电路设计设计应该从系统的角度分析，其难点就是如何提高信噪比。所以如何在信号产生、信号分析、信号处理和信号采集等过程中，都降低噪声的产生