信号放大与处理

关键词： 信号

信号放大与处理（精选七篇）

信号放大与处理 篇1

虽然每一个系列放大器是针对某些应用而优化, 但是, 所有放大器都存在一些共同特性, 这些特性在设计阶段有必要加以考虑。每种放大器都会提供一定水平的增益, 但是, 增益变化和频率的关系是一项必须考虑的特性。放大器增益在频率较高时通常会减少, 随后可能需要在信号链的其他位置进行补偿。数据手册中的信息量也有助于加快设计过程。手册提供的数据, 例如增益变化与温度的关系、电源电压、工作频率等, 可以减少设计人员所耗费的验证时间, 加快产品上市。放大器的ESD额定值是另一项需要考虑的特性。ESD额定值与器件在不造成损坏的情况下能够承受的静电放电量有关。ADI公司的宽带IFA和增益模块经过优化设计, 可将相对于频率的增益滚降降至最低, 而且, 所有放大器均具有额定工作温度范围、电源电压和工作频率, 从而简化了产品选择和设计导入过程。

第一个需要详细介绍的放大器是LNA。LNA通常在接收路径中作为第一个有源器件使用, 是决定整体系统性能的关键器件, 该器件必须能够成功放大极低电平的信号, 同时不明显增加噪声。选择LNA时需要重点考虑的指标是噪声系数, 该系数与放大器增加至输入信号的噪声量有关。P1d B和OIP3也是十分重要的指标, 与放大器能够输出的线性信号功率及其功率处理能力有关。ADI公司的ADL5521和ADL5523 LNA能够实现不到1 d B的噪声系数、21 d Bm P1d B、37 d Bm OIP3和20 d Bm的输入功率处理能力。

中频放大器用于IF频率范围内的高性能工作, 通常在500 MHz以下的无线电架构中使用。无线电的IF部分需要高动态范围放大, 这样信号才不会在被模数转换器 (ADC) 进行数字化之前出现失真。放大器的高动态范围可通过低噪声系数和高OIP3实现。ADI公司的ADL5535和ADL5536 IFA可提供业界最佳的低噪声与高OIP3组合。工作在380 MHz、5 V电压、105 m A电源电流时, ADL5536的噪声系数为2.7 d B, OIP3为49 d Bm。

驱动器运算放大器通常用于无线电架构的发射路径, 可在信号发送至最终高功率放大器级之前增加信号强度。为了有效完成这一目标, 驱动器必须针对指定输出功率提供高线性度, 以实现低失真和高输出驱动能力。ADI公司的ADL5320、0.4~2.7 GHz以及ADL5321、2.3~4 GHz、SOT-89 0.25 W驱动器可实现宽带工作, 只需为指定工作频段提供极少的外部匹配器件。ADL5320驱动器可在2.14 GHz时提供42 d Bm的输出线性度和25.7 d Bm的输出压缩点, 5 V电压时消耗电源电流仅为104 m A。

增益模块是功能最丰富的放大器系列, 能够在中频至射频的宽频率范围内提供固定增益。选择增益模块时需要考虑的指标取决于具体应用, 但是, 宽带应用中增益平坦度与频率的关系非常重要。动态范围也很重要, 可以防止放大的信号出现失真。在现有的内部匹配增益模块中, ADI公司的ADL5601和ADL5602提供的动态范围最高。这些内部匹配的增益模块也经过了优化, 可将相对于频率的增益滚降降至最低。

在许多应用中, 通过集成方式来减少电路板面积是非常理想的方法。VGA通过集成各种放大器拓扑结构和数字步进衰减器 (DSA) 实现这一要求。ADL5240和ADL5243RF/IF数控式VGA的工作频率范围为100 MHz~4 000 MHz, 具有无与伦比的增益控制性能和精度。放大器或DSA都可以作为信号链路上的第一个器件, 并允许在设计中多处使用VGA, 使系统具有最大的灵活性。

信号放大与处理 篇2

教 -- 评 -- 教是个螺旋上升的过程,评价的最终目的是为教来服务。如何来体现评价结果对教的服务呢 ? 就是对教学评价的反馈,即教学反馈。在我国多数高校中,对教学反馈的评价还停留在对一个或几个具体指标的分析之上,缺少对教学结果的分析,不能真实的反应教师的教学效果,因此,建立合理的反馈途径,是解决当前反馈问题的行之有效的办法。

那么,什么是课堂教学反馈行为呢?课堂教学反馈行为是指课堂教学过程中师生之间、生生之间或师生自己对教学活动的反应。教学反馈行为是一种互动性行为,既包括教师的行为,又包括学生的行为,因而它是不连续的一系列的行为。教学反馈的重要实践意义,就在于通过反馈的调节作用,能确保教学活动正常有效地开展并取得应有的教学成效。本文将从教学成效检验目标、教学成效检验内容及教学成效检验方法三方面来具体分析

1 教学成效检验目标

我校所招收的应用电子技术专业的学生,对象生源分普通高考和中职技能高考两类,录取途径有三类 : 普通高考,单独招生考试及技能高考。针对这些教学对象,“单级低频小信号放大器的测调项目”的成效检验目标为 :使对象熟练使用万用表、示波器等常用仪器仪表 ;

正确使用函数信号发生器 ;掌握单级低频放大器的测调方法。

2 教学成效检验内容

为了体现测调过程的形成性评价与终结性评价并根据定量与定性相结合基本原则,我们将该项目的教学成效检验内容分为四个部分。1. 检查万用表的表笔连接、档位选择和测量值读取是否正确 ;2. 检查示波器的面板功能操作、示波器校验、信号幅值、频率数值读取以及示波器扫描系数读取是否正确 ;3. 检查函数信号发生器的面板功能操作、不同波形输出选择方法和信号波频率和幅值调试是否熟练 ;4. 检查低频小信号放大器的测调,内容包括静态工作点测调及交流放大倍数的测试两部分。目标设定内容如表1所示,成效检验内容如表2所示。

从表1可以看出,我们将整个项目的检验目标分为对万用表、示波器及函数信号发生器的使用熟练程度的检验和对低频小信号放大器静态工作点的测调两大部分。其中,前一部分的检验目标主要为形成性评价,即通过学生使用仪器的过程来评价学生操作的熟练度。而后一部分检验目标为终结性评价,即通过学生的测试数据来评价学生对该项目的掌握情况。

同样,我们将检验标准也按照检验目标分为了两大部分。每一个项目模块的目标完成度都分为了A、B、C、D四个等级,如果全部完成了目标,就为A等 ;完成了目标的75% 就为B等,以此类推。并且,我们给每个项目模块都划分了权重,最终的总体评价就可以按照总体评价 = ∑各模块目标完成度×模块权重这个公式来得出结论。

3 教学成效检验方法

该项目的教学成效检验方法采用的是三层渐进一体化式检验方法。从课堂过程检验到项目模块检验再到项目终结性检验,逐层递进,归为一体。

3.1 课堂过程检验

课堂过程检验,采取布置围绕知识点设计的测试题,知识点内容涵盖本次课的讲授内容,进行过程普适性检验。此种检验方法为普适方法。

3.2 项目模块检验

项目模块教学结束时,给出涵盖该模块知识点的操作案例,对学生进行分组并让其轮换分工,按照随机抽签原则,选取分组中的一名学生进行演讲式实操,既可以提高学生操作熟练程度,也可以锻炼学生语言表达能力,如时间允许还可进行竞表1目标设定内容赛排名,提高学生积极性。此种检验方法为互动方法。

3.3项目终结性检验

在项目教学完结后,需组织学生进行终结性考核,可规定项目场地开放时限,通常一周内,对象与教师提前预约,分批或单独到项目场地进行考核能力操作的部分,并填写项目教学成效反馈表,对未达到良好的学生允许其在规定时间内进行一次重考。此种检验方法为开放性检验方法。

普适、互动及开放三种检验方法三层一体,逐层渐进,组成了该项目的检验方法。

4教学成效反馈

对于教学情况的反馈效果,我们可以用表3教学成效反馈表来实施。

通过该反馈表,学生可以将本次项目实施过程中遇到的问题勾选出来,方便教师及时了解学生的掌握情况,哪些问题需要加强讲解,也可以通过该表格清楚的反映出来。

一种微伏信号滤波放大电路的设计 篇3

通常, 生物电及其它精密传感器输出信号极为微弱 (1μV~100μV) , 且含有大量高频噪声以及交流供电网的50Hz工频将造成了信噪比极低不利情况。为了便于后端仪器设备或者电路对这些微伏级信号进行处理, 必须对杂波进行滤波且微伏也必须进行放大且不失真。介绍了一种微伏信号放大电路, 可将微伏信号放大为伏特级信号, 且保证信号放大不失真。

2 电路设计

由于输入信号为微伏级信号, 显然不在后端ADC电路工作范围内 (0~10V) , 因此放大电路的增益应该很大。但实现高增益必须要进行多级放大才可实现, 随着放大级数增多, 势必也带来很多杂波。因此输入信号采用屏蔽电缆送进输入级放大后, 首先进行低通滤波后, 再输入到中间级放大电路, 而后进行高频噪声和市电50Hz降噪处理。经过输出级放大进行第三级放大再次了提高增益, 最后通过光电隔离装置将前后级隔离, 避免相互干扰且具有保护作用。此方案的电路提供86d B的增益及0.15~100Hz的通频带宽范围[1]。该系统组成为如图1所示:

2.1 放大电路

此放大滤波电路采用三级放大形式的方案, 第一级放大级电路输入端接入是有传感器所采样到的微伏级信号, 在100μV以下, 且含有大量杂波.输入级放大电路决定了到整个方案性能, 因此才会有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和强抗干扰能力等性能。第二级中间放大电路, 是放在低通滤波器之后;最后输出放大级电路, 放在市电陷波电路之后光电隔离装置之前。原因:输入的为微伏级信号和噪声是叠加在一起的, 通常比噪声小得多, 若输入级放大增益过高, 增大有用信号的同时, 也会增大噪声信号, 造成了后续很难去除噪声;信号经过低通滤波器后高频噪声得到有效抑制, 再进行到中间放大。而中间级放大电路主要作用才是得到搞增益, 是整个电路系统核心部门。输出级只是补偿信号在传输中的损耗, 起到一个补充的作用。整个放大滤波电路的增益为各级增益的乘积, 各级增益分别设置为:输入级为34d B, 中间级为40d B, 末级为12d B, 电路的总增益为86d B[2,3]。

2.2 低通滤波器及市电陷波电路

低通滤波器可以降低传感器所采集到微伏信号以外的高频噪声信号, 消除大量高频噪声的同时, 无法消除交流市电中50Hz工频的干扰。因此, 采用陷波电路主要为了滤除50Hz工频干扰。这里陷波电路使用比较常见双T陷波电路, 对于R和C的精度有很高要求, 为了使滤波电路的中心频率正好在50Hz处, 因此必须采用高精度R和C。

2.3 光电隔离电路

为了第一、二级电路的干扰进入输出端, 故采用光电隔离装置。这可以避免干扰信号通过地窜入后级以及前后电路地电位不相等带来的影响, 也可保证输出端误接其他高压装置烧毁整个电路的可能。在设计这部分电路中, 特别要要注意两个光电耦合器必须使前后级电源独立, 否则使用同一电源, 因为交流分析中直流电源等同于接地状态, 噪声会早两个光电耦合器之间流动, 造成了对输出端最终信号的干扰。因此必须使前两个独立电源, 这样才能保证通过光电耦合器的信号是干净的, 而使前与后级才起到真正隔离作用[3]。

3 电路调试与注意事项

将微伏信号灌入到电路输入前端与通输出端的信号之比, 可以计算整个放大电路的增益。此时, 采用的是仅有40μVpp的微伏信号, 而该电路处理后的信号幅度值可达4.72Vpp, 验证了放大滤波电路可达50d B以上, 符合性能指标的要求。通过双通道示波器观察看出响应信号与输入信号是同频变化, 放大器输出的响应信号中基本无杂波和市电干扰, 说明该设计方案电路的具有良好的频率响应特性。

4 结论

经实验可知, 该放大滤波电路对10μV以上微伏信号具有良好的放大滤波作用, 可以实现对输入10到100μV之间的微伏信号输出达到0.2到2V范围之间, 完全可以满足一般ADC电路的要求, 且电路系统组成简单, 成本较低, 安全可靠, 有较好市场应用前景。

摘要：为了解决噪声对微伏级信号的干扰, 便于提取有用信号和提供后级处理, 提出一种微伏信号滤波放大电路方案。系统主要由放大、滤波及隔离输出三部分组成。经验证:电路放大增益高, 对10μV以上信号放大效果良好, 避免了信号失真, 以及高频噪声和50Hz市电的干扰, 可满足后级采集电路的信号输入要求。

关键词：微伏信号,放大,滤波,光电隔离

参考文献

[1]许大庆.检测仪表微伏信号的直流放大[J].仪表技术, 2004 (6) :70-71.

[2]李树靖.线性光耦合器LOC110的原理与应用[J].世界电子元器件, 2002, 12:44-46.

直流信号的高增益放大电路改良设计 篇4

此次设计实现了直流小信号的十万倍放大, 使极其微小的直流信号达到AD的可测量范围是0至5V。在调试过程中系统通过电桥电路产生极微小的直流信号, 为整个放大电路提供信号源。系统整体采用两级放大电路级联的形式, 第一级采用差分放大器, 选用了TI公司的仪表放大器INA118, 其能保证良好共模抑比CMRR, 在增益为1000倍时能提供110d B的共模抑制比, 且失调电压仅为50u V, 且其输入阻抗很高, 输出阻抗较低。第二级选择OPA227高精度低噪声运算放大器, 因为其结合了低噪声和高精度两种特性, 使其成为交流和精密应用的理想选择。需要注意的是INA118存在的50u V失调电压在经10000倍放大后, 失调电压会在输出端产生500m V的电压误差, 因此必须在两级之间加入调零电路, 去掉由于失调电压带来的系统误差。

二、运放平衡电阻

1. 平衡电阻作用。

可以确保输入阻抗匹配一般须要配适当的电阻。且可以减小输入电流失调, 由于理论上同相端电阻就是接反相端所接电阻的并联值。但在实践时, 在反馈的作用下, 尤其在深度负反馈时, 失调现象较轻微, 在一般的应用场合, 同相接地电阻一般可以去掉。本设计由于放大倍数较高, 所以轻微的失调电压都会导致明显的电压变化。因此有必要在同相端加入平衡电阻。

三、基准电压部分

仪表放大器INA118需要一个基准电压, 而且为了是简化系统供电, 需在第二级反相放大电路的同相端接/2。因此需要为系统设计一个稳定的基准电压, 采用精密电阻串联, 取中位点处电压的方法获得/2, 同时为了避免前后级之间产生影响, 利用电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低的特点, 采用电压跟随器实现阻抗隔离。这样实现了为整个系统提供稳定的基准电压。同时信号在经反相放大电路后, 即使输入信号会反相, 但是由于其是在/2上下波动, 所以信号始终都会处于放大器线性放大区, 从而有效的抑制了失真, 简化了供电系统。在日常的应用中INA118的Ref引脚一般接地或者串联一个很低阻值电阻到地, 以获得很好的共模抑制比, 本设计中由于添加了电压跟随器, 介于电压跟随器本身的输出阻抗很低, 对后级电路就相当于一个恒压源, 即输出电压不受后级电路阻抗影响, 这样就保证了INA118的共模抑制比。

四、电路调试

直流小信号放大电路一般采用两级甚至多级放大电路串联, 因此在设计过程中往往还需要考虑阻抗匹配的问题, 本设计中由于第一级选用的是仪表放大器, 其有低输出阻抗的优点, 因此只需在第二级反相放大电路中取输入电阻为1K, 就能得到良好的输出效果。经过改良后的电路, 在调试时, 首先将第一级仪表放大器正负输入端同时接地, 注意此时不能将输入端悬空, 因为两个输入端之间就有杂散电容电流的存在, 电磁波的干扰也会使在两个输入端之间产生微小的输入信号源, 这些电流会对调零产生干扰。接好输入端后就开始调节调零电路, 直到使得第一级的输出电压接近零为止。然后再进行串级调零。电路调节电路放大倍数使10u V输入信号经过放大后始终处于放大器的线性放大区内。

五、结束语

经过改进的直流小信号放大电路能够良好的处理高增益放大时的系统误差, 为后续使用AD对信号进行采集提供了方便。

参考文献

[1]王建宇.微弱信号高精度线性放大电路的设计[J].电子设计工程, 2014, 22:94-96.

[2]陈亮名, 杨昆.基于宽带高增益的放大器设计[J].电子设计工程, 2014, 15:146-148.

信号放大与处理 篇5

1 锁相放大器原理

1.1锁相放大器原理

锁相放大器利用了噪声与目的信号之间在性质上的差别,目的信号的频谱是很窄的,而白噪声的频谱却有着宽阔的频谱,白噪声的频谱虽然包括了目的信号的频谱,但是,白噪声的频谱幅度却很小,使得目的信号受到噪声影响的程度很小甚至可以忽略。如果我们用窄带带通滤波器滤除目的信号外的频谱,这样噪声对目的信号的干扰就会很小,从而就可以准确的测出目的信号的幅度了。为了更加精确的测量被噪声所掩埋的目的信号,应该将带通滤波器的频带宽度变的更加窄。如果将频带宽度缩小到1/N,那么噪声就会减小到1/ √N,如果目的信号大小不改变,则信噪比会改善为1/ √N。减小带宽就意味着提高电路的Q值,但是,带通滤波器的带宽不可能做到无穷小,也就是说Q值不可能做到无穷大。一般的滤波器所能够达到的Q值大约在100左右,这是由于组成滤波器的元件的精确度和稳定性是有限的,太高的Q值电路往往是不稳定的,在制作上是很困难的。但是锁相放大器利用噪声与目的信号之间在性质上的差别,却可以使Q提高到约为10^7,而且能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上,这是窄带带通滤波器是无法做到的。

将被测信号和参考信号(方波)进行乘法运算,方波通过傅里叶展开为R(t),相乘后得到u(t),u(t) 包括相乘信号的和频与差频信号。由于被测信号和参考信号频率相同,其中差频信号会有为直流信号。而和频信号和其他的差频信号通过后面的低通滤波器滤除,只剩下直流信号,输出为

1.2双通道锁相放大器原理

为了克服单通道锁相放大器的缺点,在经过对单通道锁相放大器的改进,双通道锁相放大器可以使得参考信号和目的信号的相位差不必为0°,电路同样能很好地测量被测信号的大小。这样在测量时就不必调节参考信号和目的信号的相位差了,为自动化的测量带来了便利,并且测量结果更加精确。

双通道锁相放大器的工作原理结构如图所示,包括信号通道、参考通道、相敏检测器 ( PSD) 、低通滤波器 (LPF)、矢量运算以及直流放大器。(图1)

2 双通道锁相放大器电路的设计

2.1前置放大器电路

前置放大器采用低噪声、低温漂的放大电路以提高信噪比,通过两级放大实现1000倍的放大。由于输入信号的等效电阻的变化很大,为尽可能获取小信号,这就必须放大器有很大的输入电阻,所以第一级采用同相放大。

2.2滤波电路

为抑制噪声提高信噪比,在信号通道增加50Hz的陷波电路以及低通滤波器。如果电源中工频的干扰没有处理好,造成的影响会比较大,利用低通滤波器来抑制噪声带宽,使得稳定性大大的提高。

2.3相敏检波器以及低通滤波器电路

相敏检波器是锁相放大器的核心,为检测出噪声中的微弱信号,要求PSD必须具有比较宽的动态范围。一般的模拟乘法器电路,由于输出的直流漂移,无法实现宽的动态范围,所以采用了开关式的乘法器作为相敏检波器。低通滤波器用于滤出直流分量,与时间相关的分量不能通过,输出与的输入的幅度成正比关系。

2.4直流放大器以及矢量运算

由于PSD输出直流比较小,不便于ADC的采样,同时为增大信噪比,所以在后面采用DC放大器。由于DC放大器的增益较大,PSD的直流漂移也会被放大,同时考虑到动态余量,所以AC放大器与DC放大器的增益要合理分配,才能确保一定的动态余量。由于输出的直流分量X、Y只是输入信号的两个分量,矢量运算电路由AD采样通过MSP430单片机计算出输入信号的幅度。

3 测试结果分析

通过测试,所有测量结果的误差都控制在了5% 以内, 而且随着输入信号幅度的增大测量误差会进一步减小。输入信号频率范围为100Hz~10KHz,可以从比被测信号强1000倍以上的干扰信号中检测出目的信号。

4 结束语

信号放大与处理 篇6

压电式传感器利用材料的压电效应,将被测力、加速度、超声等物理量转换为电信号进行输出。压电式传感器的输出阻抗很高,输出信号较弱、又常常叠加着强的50 Hz共模干扰,因此,它的采集系统放大调理电路需要一个高输入阻抗的前置放大器[1,2],特别是该前置放大器还需要一个很高的共模抑制比[3,4]。

基于仪用放大器来实现压电信号的前置放大电路是一类常见的方法。因为仪用放大器本身具有很高的共模抑制比(通常在100 dB以上)和极高的输入阻抗(通常在109 Ω以上),低的线性误差和充裕的带宽[5]。本文将对现有的常见的基于仪用放大器的压电信号前置放大电路具体做法进行分析,提出改进方案,并进行实验验证。

1 现有基于仪用放大器前置电路的分析

常用的压电传感器一般为浮地信号源,采用仪用放大器来测量浮地压电信号源,一般容易想到的接法有3种,如图1所示:(a)为直接将信号源连至仪放两同相端作为差分输入;(b)为信号源一端接至仪放的参考地;(c)为通过2个等值电阻引出信号源的共模信号,并联至仪放的参考地。

对图1(a)所示接法,可以想象,存在这样的问题。当压电信号源相对于仪放参考地的共模信号很大时,将导致前置放大电路饱和或截止,不能正常工作。而实际中,特别是有强电磁场的工业现场环境,共模电压信号可能达到二、三十伏甚至更高。因此,这种接法是不可行、不实用的。

对图1(b)所示接法,压电信号源的负端和仪放参考地连在了一起。与图1(a)相比,这种接法,压电信号源不再浮地,输入信号相对于仪放参考地的共模成分被始终箝制为输入电压的1/2,得到了一定的控制;但是,共模成分还是存在的,还有使仪放易于饱和、有效输入范围被减小的弊病。另外,这种接法对仪放而言是一种不平衡的接法,压电信号源高输出阻抗意味着这种不平衡将带来一些问题,如造成外界对正负端的共模干扰转化为差模输入,进而使仪用放大器的抗干扰能力下降。

对图1(c)所示接法,从2个同阻值的电阻中间引出导线连接到仪放参考地[6]。两个同阻值电阻中间引出的信号电位为VR=(Vi1+Vi2)/2,刚好是输入信号的共模成分。因此,这种接法将输入共模成分牵制在了参考地,即:如果不考虑电路动态过渡过程的话,这种接法的共模输入成分始终为0。这也是一种输入平衡的接法。这种接法的不足是:输入阻抗较前两种减小;特别是,未考虑共模成分抑制的动态过程。实际中,由于高的电路阻抗等原因,这种接法对外来的共模干扰的抑制衰减可能要花一些时间,因此,其抑制共模能力还应想办法进一步提高。

2 前置放大电路的改进

提出的前置放大电路的改进方案如图2所示。从仪用放大器两等值外接电阻RG的中间引出一路信号,其值为(Vi1+Vi2)/2,刚好是输入压电信号源的共模成分;首先让其通过普通 运 放A4组成的电压跟随器,电压关系如式(1),其作用是与仪用放大器隔离,起保护作用[7];然后,对其进行反相放大,通过运放A5组成反相积分电路来实现,输入输出关系见式(2);最后,将反相放大的共模信号,通过一个限流保护电阻R12加到共模点VR。

以上电路改进的本质是:实现了输入信号共模成分的电压并联负反馈。与图1(c)方案相比,由于采用了负反馈,从而会起到更快速地衰减共模干扰的作用。图1中3种接法信号经过仪放中A1和A2后,若共模信号的放大倍数是1;采用图2的负反馈电路后,共模信号经过仪放中A1和A2后放大倍数为1/(1+|F|),F为负反馈放大倍数,F越大,则共模抑制能力越强[8]。

需要注意的是,本方案抑制的是共模干扰,如果由于电路电缆不对称等因素造成共模信号转化为差模信号,则本方案也无能为力。因此,在电路实现时要考虑电路的对称性问题,尽量使电路对称,选择高精度的电阻和高质量的运放[9,10]。

$\begin{array}{l}V{}_{\text{o}4}=V{}_{\text{i}4}(1)\\ V{}_{\text{o}5}=-V{}_{\text{o}4}\frac{1}{\text{j}\omega C{}_{11}R{}_{11}}=-\frac{V{}_{\text{i}1}+V{}_{\text{i}2}}{2}\cdot \frac{1}{\text{j}\omega C{}_{11}R{}_{11}}(2)\\ V{}_{\text{R}}=\frac{V{}_{\text{i}1}+V{}_{\text{i}2}}{2}(3)\end{array}$

3 实验及结果

本实验采用常见的振动压电传感器,传感器通过双芯屏蔽电缆和仪用放大器相连。仪用放大器采用INA114,其是一款通用高精度仪用放大器,在增益为1 000时,其共模抑制比高达115 dB,输入阻抗高达1010 Ω。普通运算放大器A4、A5使用TL081,其是一款低噪声低温漂且使用较为广泛的运放。RG选取千分之一精度的阻值为2.2 kΩ的电阻。可计算出仪放增益为G=12.36。另外,R11=10 kΩ,R12 =200 kΩ,C11 =1 nF,R=200 kΩ。

当压电传感器和仪用放大器的差分输入端直接相连,即采用图1(a)接法时,自然随机激励下的电路前置级放大结果如图3(a)所示。发现前置放大后信号的50 Hz干扰较大,周期性明显,幅值较大,峰峰值在30 V左右,甚至出现削波现象。

当采用图1中(b)图连接方式,自然随机激励下的电路放大结果如图3(b)所示,共模信号较图3(a)中有所减小,峰峰值为21.2 V,50 Hz的基础上还夹杂噪声,这是输入回路不平衡造成的。

图4中(a),(b)图分别为使用图1(c)所示接法和图2所示改进接法的两种放大电路在相同的自然随机激励下的电路放大结果。从图中的时域、频域分析看出来,图4(a)中的干扰具有明显的周期性,幅值在200 mV左右;改进后的电路共模抑制能力更强,效果更佳。

采用改进后的电路,将传感器吸附在铁架上,然后通过敲击铁架,获得振动压电信号,采集结果如图5所示,可以看出信号信噪比较好,共模干扰较小,充分证明了改进后电路的优越性,可以使压电信号较为准确撷取,出色的完成压电信号采集的任务。

4 结 语

提出了以共模电压并联负反馈电路为特点的压电信号放大电路前置级方案。实验显示,该方案能有效提高共模抑制比。该设计已经应用于实践,对于压电信号的采集适应性很强。

摘要：压电传感器输出的压电信号较弱,输出阻抗高且叠加有共模干扰;现有的几种利用仪用放大器的压电信号前置放大电路解决方案有一些不足。在理论分析的基础上,对压电信号前置放大电路做了重要改进,提出了具有共模电压并联负反馈电路的压电信号放大电路前置级方案。实验显示,该方案能有效抑制共模干扰、提高电路的信噪比。

关键词：超声,压电信号,仪用放大器,共模干扰

参考文献

[1]王庆峰.PVDF压电传感器信号调理电路的设计[J].仪器仪表学报,2006(06):1653-1655.

[2]刘三山.一种用于涡街流量计的差分电荷放大器的研制[J].仪器仪表装置,2008(11):8-12.

[3]贾云飞.涡街流量计中电荷放大电路的研究与设计[J].自动化与仪表,2005,20(Z1):42-45.

[4]黄云志.涡街流量计数字信号处理系统的改进与实验[J].电子测量与仪器学报,2005,19(2):75-79.

[5]蔡延财.基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计[J].现代电子技术,2007,30(6):63-65.

[6]杨振东.仪表放大器AD524在声发射信号拾取电路中的应用[J].模拟器件,2004(12):55-57.

[7]刘青峰.高阻抗微弱信号测量的保护电路设计[J].测控技术,2009(3):100-102.

[8]康华光.电子技术基础(模拟部分)[M].北京:高等教育出版社,1998.

[9]陆利忠.测量放大器应用中的抗共模干扰[J].测控技术,2007(1):87-89.

锁相放大器对微弱信号的检测研究 篇7

Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。

本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测电路,用来检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值及相位。电路主要通过带通滤波器、低通滤波器、放大电路和反向电路构成,最终形成锁相放大器,实现对微弱信号的检测。

1 500Hz~2k Hz的带通滤波器

带通滤波器可以由一个二阶低通滤波器和一个二阶高通滤波器串联得到,值得注意的是,在选运算放大器控件的时候要选真实运算放大器,不能用模拟或理想运放,不然在之后的电路仿真中会出错,而我们统一选择的AD8599这个型号的运算放大器。

画出来的电路如图所1示。

通带为500Hz~2k Hz,也就是图1二阶高通的通带到二阶低通的通带范围之间。

二阶低通滤波器的截止频率为:

二阶高通滤波器的截止频率为:

则带通滤波器的通频带为(fp1-fp2)。

但往往计算出来的结果带入电路中不会得到我们想要的结果,这就需要前后比较我们仿真的结果再对数据进行小小的变动和修改,直到得出的通带范围L-H为500Hz~2k Hz左右为止。得出的仿真结果如图2所示。

先测出平缓区域的幅值所对应的带宽,图2(a),在此基础上减3d B,也就是先把竖线往左平移到减3d B的位置,图2(b),对比对应的频率,得到的就是低频。同理,把竖线往右平移到减3d B的位置,图2(c),对比对应的频率,得到的就是高频。最后的通带范围就是512.047Hz~1.916Hz。

2 放大电路和反向电路

下面介绍放大电路和反相电路,设计的含运放的一个电路中,既可以是放大电路也可以是反向电路,二者之间不相互影响。具体的理论知识可参照《模拟电子技术基础》,放大倍数为(1+Rf/R1),正向电路就是将输入信号连入运算放大器的正向端,反向电路就是将输出信号连入运算放大器的负号端。

3 低通滤波电路

要实现低通滤波电路的起点带宽越小越好,就是使RC的乘积越大越好。仿真出来的截止频率少于1Hz。

低通滤波器电路和仿真测试结果分别如图3-4所示。

4 放大-移相-比较电路

放大电路已在前面提到,就不再说了。

对于图5(a)的移相电路的推导内容为:

此外,常用的还有0~180°和-180~0°的可调的连续移相电路,如图5(b)-5(c)所示。

在此设计电路中,就是选用的是0-180°的移相电路。移动滑动变阻器的大小可改变相位。

最后加上一个比较电路产生方波可观察到相位的平移。

在此过程中应该注意不要将滑动变阻器的值设的过大,如果值过大,在移动的时候不好控制,可能会导致移动数据较大,这样在图像中反映的相位移动过大,不利于观察。

5 总电路-锁定放大器

锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成,是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。其是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。基于互相关原理它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准,只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或者倍频)、同相的噪声分量有响应。因此,能大幅度抑制无用噪声,改善检测信噪比。锁相放大器具有极强的抗噪声能力。它和一般的带通放大器不同,输出信号并不是输入信号的放大,而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。

总电路的功能是要在噪声干扰中检测出有用的小信号。

锁定放大器的基本结构如图6所示,包括信号通道、参考信号、相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)等。

锁定放大器是利用互相关原理设计的一种检测仪。

如图7所示的电路图,是一个相敏检测器。

在实现电路的过程中存在很多问题,有些数据是单独就设置好了的,但往往各种仪器之间他们相互影响,得不到想要的结果,这就需要耐心的调节各类参数,最终得到理想的波形。其中要注意:

①放大倍数的调节,倍数过小会导致检测不出波形。

②输入信号也不能过大,不然会导致波形失真。

③要通过调节滑动变阻器的值来得到相位的变化(要求:-90°,0°或90°)。

④时间常数RC的设置要合理,不然传递时间会远远超出想象。

因此,在没加噪声时的输出波形为如图8所示。

改变输入信号的电压值时,低通滤波器输出电压也会改变,测试的数据如表1所示,观察发现低通滤波输出电压是成正比例变化。

当加入噪声输入时,仿真时间较长。控制输入信号电压不变时,改变输入端噪声,测试出低通滤波输出电压如表2所示。

从表2中发现,在相同信号电压时,随着输入端噪声电压的增大,低通滤波输出电压也会增大,不过并没有成比例关系。由此可以得出,当输入端噪声电压的增大到一定范围时,将会影响低通滤波输出电压。

6 结束语

本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测电路,用来检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值及相位。该系统由交流电压源,微弱信号检测电路,示波器组成。其中微弱信号检测电路是由信号通道,参考通道以及相敏检测器组成的对交变信号进行相敏检波的锁相放大器。该系统是以相敏检波器为核心,输入信号通过放大和带通滤波通过驱动开关,参考信号经过移相器后,接着通过比较器产生方波去驱动开关,最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号。

参考文献

[1]聂娅琴.基于锁相放大器的微弱信号检测研究[D].长沙:中南大学,2014.

[2]陈宇泽,邢维巍,樊尚春.基于DSP Builder的正交矢量型数字锁相放大器实现[J].现代电子技术,2015(1):62-65.

[3]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.