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。

　　1、引言

　　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(lèi)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(guò)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。

　　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(guò)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)。

　　3、噪聲的抑制和屏蔽

　　在微弱信號(hào)檢測(cè)的過(guò)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(guò)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(mǎn)足條件的集成運(yùn)算放大器，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(guò)程控開(kāi)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(kāi)關(guān)應(yīng)選用光偶開(kāi)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(lèi)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(chēng)性，可通過(guò)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^(guò)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(huà)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)

　　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)。

　　4.1 PGA202 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， A0 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(guò)改變A0、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(guò)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(guò)公式

　　來(lái)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100kΩ，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(chēng)性，同時(shí)滿(mǎn)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1uV，共模抑制比達(dá)到 120-140dB，可以滿(mǎn)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(huà)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。

　　4.4 電路的測(cè)試

　　本文按照?qǐng)D 4 制作了電路板，選擇R0 的大小為1kΩ，對(duì)電路的性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試 過(guò)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(guò)串聯(lián)500 kΩ高精度電阻 分壓后接入電路。設(shè)信號(hào)發(fā)生器產(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(guò)公式

　　計(jì)算。采用TDS1002 數(shù)字示波器觀(guān)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(guò)表1 可以看出放大器 的放大倍數(shù)穩(wěn)定增益誤差較小。

　　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(guò)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(shuō)明該電路可以在微弱信號(hào)的檢測(cè)過(guò) 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。