微弱信号检测的前置放大电路设计_张石锐

1、 技术创新电子设计您的论文得到两院院士关注微弱信号检测的前置放大电路设计The design of preamplifier circuit based on weak signal detection(1.上海交通大学;2.国家农业信息化工程技术研究中心张石锐1,2郑文刚2黄丹枫1赵春江2ZHANG Shi-rui ZHENG Wen-gang HUANG Dan-feng ZHAO Chun-jiang摘要:针对精准农业中对微弱信号检测的技术需求,论文设计了以电流电压转换器,仪表放大器和低通滤波器为主要结构的微弱信号检测前置放大电路。结合微弱信号的特点讨论了电路中噪声的抑制和隔离,提出了电

2、路元件的选择方法与电路设计中降低噪声干扰的注意事项。本文利用集成程控增益仪表放大器PGA202设计了微弱信号检测前置放大电路,并利用微弱低频信号进行了测试,得到了理想的效果。关键词:精准农业;微弱信号检测;仪表放大器;前置放大电路中图分类号:TN721.5文献标识码: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 circuits noise suppression and isolation according to the characteristics of the weak signal,and gave the method of choosing elements and noise reduction.Finally,gave

4、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文章编号:1008-0570(200908-2-0223-021引言精准农业主要是依据实时获取的农田环境和农作物信息,对农作物进行精确的灌溉、施肥、喷药,最大限

5、度地提高水、肥和药的利用效率,减少环境污染,获得最佳的经济效益和生态效益。农田环境和农作物信息的准确获取取决于可靠的生物传感技术。如常规精准灌溉主要关注空气的温度、湿度和土壤的含水量,利用这些参数的变化控制对农作物的灌溉,而作物自身产生的一些信号能够更准确的反映其自身的生理状况,通过检测这些信号控制灌溉可以使灌溉更精确。目前精准灌溉技术正朝着以环境信息和农作物生理信息相结合为控制依据的方向发展,为此各种生物传感器如植物电信号传感器、植物茎流传感器等应运而生。但一般作物自身生理状况产生的信号极其微弱,往往电流信号只能达到纳安级,电压信号也只能达到微伏级。为有效的利用这些信号,应首先对其进行调理,

6、本文根据植物生理信号的特点设计了适合此类微弱信号检测的前置放大电路。2电路基本结构生物传感器所产生的信号一般为频率较低的微弱信号,检测不同的植物生理参数,可能得到电压或电流信号。对于电流信号,应首先把电流信号转换成为电压信号,通过放大电路的放大,最后利用低通滤波器,滤除混杂在信号中的高频噪声。微弱信号检测前置放大电路的整体结构如图1。图1微弱信号检测前置放大电路的整体结构考虑到传感器产生的信号非常微弱,很容易受到噪声的污染,所以放大电路选择仪表放大器结构。仪表放大器拥有差分式结构,对共模噪声有很强的抑制作用,同时拥有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗,非常适合对微弱信号的放大。另外为了使输出电压在

7、高频段以更快的速度下降,提高低通滤波器滤除噪声的能力,这里选择了二阶低通滤波器。微弱信号检测前置放大电路原理图如图2。生物传感器产生的生物信号通常具有很大的动态范围,达到几个数量级,原理图中R2为可变电阻,通过改变R2的阻值,可以改变仪表放大器的放大倍数,从而适应放大不同大小的微弱信号。图2微弱信号检测前置放大电路原理图张石锐:硕士研究生基金项目:北京市科技攻关项目;项目名称:农业节水灌溉监测与控制设备研制与开发(D0706007040191;国家“十一五”科技支撑计划;项目名称:农产品流通过程信息化关键技术与系统研发(2006BAD10A04;国家“十一五”科技支撑计划;项目名称:灌区地下水

8、开发利用关键技术(2006BAD11B05技术创新 3噪声的抑制和屏蔽在微弱信号检测的过程中,噪声的抑制和屏蔽至关重要,由于信号微弱,很容易受到噪声污染,这些噪声主要由环境噪声、电路元器件自身产生的噪声和电源的工频噪声组成,因此在噪声的抑制和屏蔽上要综合考虑这几方面的因素。3.1元器件的选择在进行微弱信号检测过程中,为了减少集成运算放大器对电路的干扰,应选择接近理想运算放大器的芯片。主要参数的要求是具有较小的输入偏执电流、输入偏执电压和零漂,具有较大的共模抑制比和输入电阻。特别是电流电压转换级对集成运放的要求较高,一般需要运放的输入偏执电流在pA级。目前市面上有很多满足条件的集成运算放大器,如

9、AD8571、LMC6482、LF351和OPA2703等。电路中的仪表放大级通常设计为程控放大倍数的结构,通过程控开关调整反馈电阻的大小,从而改变放大倍数。为了对数字电路和模拟电路进行隔离,程控开关应选用光偶开关。为了提高仪表放大器的性能,可以选用集成仪表放大器。很多公司提供了不同类型的集成仪表放大器,如INA127,它内部集成了仪表放大器的主要结构,有很好的对称性,可通过改变外接电阻的大小改变放大倍数。PGA202是一款可程控放大倍数的仪用放大器,应用它可以简化电路结构,但PGA202需要搭建差分输入级,这样就降低了共模抑制能力。2007年末ADI公司推出的AD8253芯片集以上两种芯片的

10、优点于一身,不但集成了完整的仪表放大电路,还集成了程控放大倍数的逻辑电路,是微弱信号检测前置放大电路的理想选择。3.2工频噪声和环境噪声的隔离工频噪声是影响电路的主要噪声,通常可通过电路的电源传递到电路中。为了减少这种影响,在电路设计时应在连接电源处增加旁路电容,隔离电源的交流噪声。除了这些措施外,为了滤除50Hz的工频干扰,还可以在模数转换时采用具有50Hz陷波的模数转换器。另外,数字电路部分与模拟电路部分分别接地,尽量减少模拟电路的接地点同时采用画圈接地的方法都可以有效的隔离噪声。4电路的设计与实现图3PGA202的内部结构综合考虑微弱信号检测的需要和市场上芯片的供应情况,本文选用PGA2

11、02搭建仪表放大器,对微弱信号检测前置放大电路进行了整体设计。4.1PGA202简介这里所选用的PGA202是由BURR-BROWN公司生产的,PGA202是一种程控仪表放大器,它内部集成了程控的增益改变逻辑电路。由于省去了增益控制部分,利用PGA202搭建仪表放大器可以使电路结构得到很大的简化,并且它的放大倍数稳定精确,为后续的数据处理提供了方便。PGA202的内部结构如图3。在图3中可以看到,A和A1为数字程控信号的输入端,控制PGA202中集成的前置逻辑电路,通过改变A、A1的值可以使仪表运算放大器的倍数在1、10、100和1000之间改变。4.2滤波器的设计为了加强滤波器滤除噪声的能力

12、,笔者采用了二阶低通滤波器,并在滤波器的设计过程中选择了同样的电容电阻组合。滤波器的截止频率可通过公式来进行计算,由于生物传感器的信号多为低频信号,因此可以将低通滤波器的截止频率设计的低一些。在笔者所设计的电路中,电阻值100k,电容值33nF,截止频率为48Hz。4.3电路设计为了提高仪表放大器差分输入级的对称性,同时满足零漂、输入偏执电流、输入偏执电压等参数的需求,选用了性能参数较好并且同一芯片中含有两个运算放大器的OPA2277作为仪表放大器的差分输入级。在电压电流转换级采用了性能参数更为理想的集成运放AD8571,AD8571的输入偏执电流为20-70pA,输入偏执电压为1uV,共模抑

13、制比达到120-140dB,可以满足I/V转换输入级对运放性能的要求。在实际的电路设计中还考虑了噪声的隔离,为减少电源的工频噪声对电路的影响,芯片连接电源处分别并联了0.1uF的旁路电容。另外为降低环境噪声对输入信号的污染,将电路的输入点放在了画圈接地的圈中,利用接地圈对环境噪声起到屏蔽作用。整体电路的设计如图4所示。图4应用PGA202的微弱信号检测前置放大电路设计4.4电路的测试表1电路测试结果本文按照图4制作了电路板,选择R0的大小为1k,对电路的性能进行了测试。测试过程采用TFG2300数字合成信号发生器产生20H正弦信号,通过串联500k高精度电阻分压后接入电路。设信号发生器产生信号

14、的振幅为A,仪表放大器的输入信号的振幅可以通过公式计算。采用TDS1002数字示波器观察到电路输出了较平滑的正弦波形。表1中给出了A1、A0分别为11、10时电路的测试数据。通过表1可以看出放大器的放大倍数稳定增益误差较小。(下转第188页500RRkAA?技术创新 信息,通过对信息的分析,选择控制方式做出相应的动作。如图(4所示,可以方便地设定机器人的平移速度和旋转速度,实时地控制机器人前行、后退、左转和右转以及停止。图4移动机器人远程控制界面在实验中利用本文提出的多种传感器目标识别的融合结构,建立了两个多层BP处理网络,处理CCD摄像头和超声波测距传感器的信号、红外传感器和超声波测距传感器

15、的信号。通过实验表明:基于DSP技术的野外探索机器人整个控制系统达到了预期的效果。控制系统可以实时,准确的实现预期的各项要求。从实验结果分析和比较可以证明基于神经网络集成的多传感器融合信号识别具有很高的健壮性,识别能力强,这样给机器人对陌生环境的辨识和决策提供了更有力的科学依据。5结束语整个设计过程中系统采用了嵌入式的研究方法来构建系统的软硬件平台,程序经仿真调试后编译烧入DSP中,运行测试结果证明,本系统工作安全可靠、数据收发正确,完全可以作为移动机器人的载体。该智能控制系统不仅满足了移动机器人控制系统的要求,同时也为机器人的转型应用提供了良好的技术支持。在此基础上,可以加入各种先进的控制算

16、法来实现移动式机器人的进一步智能化。本文作者创新点:对于多传感器的信息融合采用了基于神经网络的融合算法,很好的解决了机器人在野外复杂环境下如何准确及时地完成复杂任务的问题,同时融入无线通信技术,极大提高了系统的实时性和可靠性。参考文献1田泽.嵌入式系统开发与应用教程M.北京航空航天大学出版社,2005,3.2朱若寒,孙易冰.基于DSP信号采集系统设计与实现J.微计算机信息,2008,6-2:197-2013伍锦晖,谢存禧.基于DSP的机器人双目视觉平台设计J.机器人技术,2005,2:249-2504宋捧,郭兰申,邢国芬.基于神经网络集成、多传感器融合的机器人对障碍物的识别J.机电产品开发与创

17、新,2006,19:32-34.作者简介:童贤慧,男,汉族,1984年3月生,江苏连云港人,南京工业大学信息科学与工程学院计算机应用专业硕士研究生,研究方向为人工神经网络,机器人应用技术;孙双,男,汉族,1983年11月生,江苏盐城人,南京师范大学数学与计算机科学学院计算机应用技术专业硕士研究生,研究方向嵌入式应用技术。Biography:TONG Xian-hui,Male,Han Nationality,1984.03,Jiangsu Lianyungang,College of Information Science and Engi-neering graduate student,N

18、anjing University of Technology Nan-jing,Research direction for artificial neural networks and Robotapplied technology.(210009南京南京工业大学信息科学与工程学院童贤慧孙双(College of Information Science and Engineering,Nanjing U-niversity of Technology Nanjing Jiangsu210009,ChinaTONG Xian-hui SUN Shuang通讯地址:(210009南京江苏省南京

19、市新模范马路5号南京工业大学丁家桥校区214信箱童贤慧(收稿日期:2009.07.05(修稿日期:2009.08.05(上接第224页5结论本文中所讨论的微弱信号检测前置放大电路适用于精准农业中的生物传感器。运用本文所阐述的降噪方法,有效的抑制和屏蔽了可能对电路造成影响的各种噪声,如环境噪声、工频噪声等。通过利用微弱低频信号对以程控增益集成仪表放大器PGA202为核心的微弱信号检测前置放大电路进行测试,得到了较为理想的结果,说明该电路可以在微弱信号的检测过程中得到应用。本文创新点:本文针对精准农业中对微弱信号检测的需求,结合屏蔽和抑制噪声的措施,利用PGA202设计了完整的微弱信号检测前置放大电路。参考文献1汪懋华“精细农业”发展与工程技术创新J农业工程学报1999.31-82王凤花,张淑娟精细农业田间信息采集关键技术的研究进展J农业机械学报2008.5112-1213李远明,陈文涛微弱光信号前置放大电路设计J设计参考2007.851-534孙成正,尹文庆,赵建平,李亮植物电信号前置放大电路的设计与仿真J电子测量技术2007.7168-1715戴彬,陈迪平,刘文用一种新型超宽带CMOS低噪声放大器设计J微计算机信息200