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一种微伏信号滤波放大电路的设计

2014-5-19 13:10| 发布者: dzly| 查看: 471| 评论: 0

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10u V 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。

  通常,生物电及其它精密传感器输出信号极为微弱(1 V~ 100 V),且含有大量高频噪声以及交流供电网的50Hz 工频造成了信噪比极低的不利情况。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。
  1 电路设计
  该系统组成如图1 所示。


  微伏信号中间级级放大低通滤波输入级放大。
  A/D 转化光电隔离输出级放大50Hz 陷波。
  图1 微伏信号放大电路组成
  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86dB 的增益及0. 15~ 100Hz 的通频带宽范围[1]。
  1.1 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由传感器所采样到的微伏级信号,在100V 以下,且含有大量杂波,输入级放大电路直接关系到整个电路性能优劣,必须具有高精度、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高增益,是整个电路系统的核心部门。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34dB,中间级为40dB,末级为12dB,电路的总增益为86dB[2,3]。
  1.2 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。
  1.3 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,噪声会在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。因此必须使用前两个独立电源,这样才能保证通过光电耦合器的信号是干净的,使前与后级起到真正的隔离作用[3]。
  2 电路调试与注意事项
  将微伏信号接入到电路的输入端,通过测量放大滤波后的信号,可以计算整个放大电路的增益值。经测量初始的微伏信号仅有40u Vpp,而经过放大滤波后的信号幅度值可达4.72Vpp,验证了放大滤波电路可达50dB以上,符合设计之初的要求。通过仪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比较干净(基本无杂波和市电干扰),说明放大滤波电路具有良好的频率响应特性。
  3 结语
  经实验可知,该放大滤波电路对10u V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100 uV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,有较好的市场应用前景。
  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
  [3] 陈丁,王森,王稳奇.关于“电路分析”课程教学的几点看法[J].吉林教育,2010(4):102__
  
  

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