張文輝 王文博 陳丁

摘要：為了解決噪聲對(duì)微伏級(jí)信號(hào)的干擾，便于提取有用信號(hào)和提供后級(jí)處理，提出一種微伏信號(hào)濾波放大電路方案。系統(tǒng)主要由放大、濾波及隔離輸出三部分組成。經(jīng)驗(yàn)證：電路放大增益高,對(duì)10μV以上信號(hào)放大效果良好,避免了信號(hào)失真,以及高頻噪聲和50Hz市電的干擾，可滿足后級(jí)采集電路的信號(hào)輸入要求。

關(guān)鍵詞：微伏信號(hào)；放大；濾波；光電隔離1引言

通常，生物電及其它精密傳感器輸出信號(hào)極為微弱（1μV～100μV），且含有大量高頻噪聲以及交流供電網(wǎng)的50Hz工頻將造成了信噪比極低不利情況。為了便于后端儀器設(shè)備或者電路對(duì)這些微伏級(jí)信號(hào)進(jìn)行處理，必須對(duì)雜波進(jìn)行濾波且微伏也必須進(jìn)行放大且不失真。介紹了一種微伏信號(hào)放大電路，可將微伏信號(hào)放大為伏特級(jí)信號(hào)，且保證信號(hào)放大不失真。

2電路設(shè)計(jì)

由于輸入信號(hào)為微伏級(jí)信號(hào)，顯然不在后端ADC電路工作范圍內(nèi)（0～10V），因此放大電路的增益應(yīng)該很大。但實(shí)現(xiàn)高增益必須要進(jìn)行多級(jí)放大才可實(shí)現(xiàn)，隨著放大級(jí)數(shù)增多，勢(shì)必也帶來(lái)很多雜波。因此輸入信號(hào)采用屏蔽電纜送進(jìn)輸入級(jí)放大后，首先進(jìn)行低通濾波后，再輸入到中間級(jí)放大電路，而后進(jìn)行高頻噪聲和市電50Hz降噪處理。經(jīng)過(guò)輸出級(jí)放大進(jìn)行第三級(jí)放大再次了提高增益，最后通過(guò)光電隔離裝置將前后級(jí)隔離，避免相互干擾且具有保護(hù)作用。此方案的電路提供86dB的增益及0. 15~100Hz 的通頻帶寬范圍[1]。該系統(tǒng)組成為如圖1所示：

2.1 放大電路

此放大濾波電路采用三級(jí)放大形式的方案，第一級(jí)放大級(jí)電路輸入端接入是有傳感器所采樣到的微伏級(jí)信號(hào)，在100μV以下，且含有大量雜波.輸入級(jí)放大電路決定了到整個(gè)方案性能，因此才會(huì)有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲和強(qiáng)抗干擾能力等性能。第二級(jí)中間放大電路，是放在低通濾波器之后；最后輸出放大級(jí)電路，放在市電陷波電路之后光電隔離裝置之前。原因：輸入的為微伏級(jí)信號(hào)和噪聲是疊加在一起的，通常比噪聲小得多，若輸入級(jí)放大增益過(guò)高，增大有用信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)增大噪聲信號(hào)，造成了后續(xù)很難去除噪聲；信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后高頻噪聲得到有效抑制，再進(jìn)行到中間放大。而中間級(jí)放大電路主要作用才是得到搞增益，是整個(gè)電路系統(tǒng)核心部門。輸出級(jí)只是補(bǔ)償信號(hào)在傳輸中的損耗，起到一個(gè)補(bǔ)充的作用。整個(gè)放大濾波電路的增益為各級(jí)增益的乘積,各級(jí)增益分別設(shè)置為：輸入級(jí)為34dB，中間級(jí)為40dB，末級(jí)為12dB，電路的總增益為86dB[2,3]。

2.2 低通濾波器及市電陷波電路

低通濾波器可以降低傳感器所采集到微伏信號(hào)以外的高頻噪聲信號(hào)，消除大量高頻噪聲的同時(shí)，無(wú)法消除交流市電中50Hz工頻的干擾。因此，采用陷波電路主要為了濾除50Hz工頻干擾。這里陷波電路使用比較常見(jiàn)雙T陷波電路，對(duì)于Ｒ和Ｃ的精度有很高要求，為了使濾波電路的中心頻率正好在50Hz處，因此必須采用高精度R和C。

2.3 光電隔離電路

為了第一、二級(jí)電路的干擾進(jìn)入輸出端，故采用光電隔離裝置。這可以避免干擾信號(hào)通過(guò)地竄入后級(jí)以及前后電路地電位不相等帶來(lái)的影響，也可保證輸出端誤接其他高壓裝置燒毀整個(gè)電路的可能。在設(shè)計(jì)這部分電路中,特別要要注意兩個(gè)光電耦合器必須使前后級(jí)電源獨(dú)立，否則使用同一電源,因?yàn)榻涣鞣治鲋兄绷麟娫吹韧诮拥貭顟B(tài)，噪聲會(huì)早兩個(gè)光電耦合器之間流動(dòng)，造成了對(duì)輸出端最終信號(hào)的干擾。因此必須使前兩個(gè)獨(dú)立電源，這樣才能保證通過(guò)光電耦合器的信號(hào)是干凈的，而使前與后級(jí)才起到真正隔離作用[3]。

3電路調(diào)試與注意事項(xiàng)

將微伏信號(hào)灌入到電路輸入前端與通輸出端的信號(hào)之比，可以計(jì)算整個(gè)放大電路的增益。此時(shí)，采用的是僅有40μVpp的微伏信號(hào)，而該電路處理后的信號(hào)幅度值可達(dá)4.72Vpp，驗(yàn)證了放大濾波電路可達(dá)50dB以上,符合性能指標(biāo)的要求。通過(guò)雙通道示波器觀察看出響應(yīng)信號(hào)與輸入信號(hào)是同頻變化，放大器輸出的響應(yīng)信號(hào)中基本無(wú)雜波和市電干擾，說(shuō)明該設(shè)計(jì)方案電路的具有良好的頻率響應(yīng)特性。

4結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，該放大濾波電路對(duì)10μV以上微伏信號(hào)具有良好的放大濾波作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入10到100μV之間的微伏信號(hào)輸出達(dá)到0.2到2V范圍之間，完全可以滿足一般ADC電路的要求,且電路系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，成本較低，安全可靠，有較好市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]許大慶.檢測(cè)儀表微伏信號(hào)的直流放大[J].儀表技術(shù),2004(6):70-71．

[2]李樹(shù)靖.線性光耦合器LOC110的原理與應(yīng)用[J].世界電子元器件，2002,12:44-46．

[3]陳丁,王森,王穩(wěn)奇.關(guān)于“電路分析”課程教學(xué)的幾點(diǎn)看法[J].吉林教育,2010(4):102.