基于單片機(jī)的微弱信號處理模塊設(shè)計(jì)

王春蘭　郭峰

摘要：

通過模擬電路結(jié)合單片機(jī)MSP430進(jìn)行采樣控制的思路，以MSP430系列單片機(jī)為控制器，輔以必要的模擬電路，主要模塊由前端放大模塊、低通濾波模塊、頻譜均衡濾波模塊、精密峰值檢波模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)據(jù)處理控制報警顯示模塊構(gòu)成。

關(guān)鍵詞：

MSP430；信號處理

中圖分類號：

TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：16723198（2015）02016101

本設(shè)計(jì)以地震波為例，其中頻譜均衡濾波對原始地震反射地層吸收衰減進(jìn)行有效補(bǔ)償，使地震反射波的特征參數(shù)得到明顯改善；采用高階低通濾波器將高頻段噪聲濾除；采用12位A/D轉(zhuǎn)換提高系統(tǒng)對信號的分辨率。本設(shè)計(jì)的軟、硬件均采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，使得設(shè)計(jì)具有移植性和可擴(kuò)展性。借助EDA工具對電路的性能進(jìn)行仿真分析對比，并對200Hz典型地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)際測試，仿真和測試表明，對震動強(qiáng)度為10mV以上的地震波信號，該裝置可以準(zhǔn)確地報警并顯示地震的等級。

1方案論證

微控制器及外設(shè)等部分組成，傳感器是將被測量（通常為非電量）轉(zhuǎn)換成電信號的信號轉(zhuǎn)換元件，然后由于傳感器的電氣特性，其所產(chǎn)生的電信號一般不可能直接輸入至PC，必須進(jìn)行調(diào)理才能被數(shù)據(jù)采集設(shè)備精確、可靠地采集。

1.1信號處理方案

通過加均衡濾波電路來對地層的吸收進(jìn)行有效補(bǔ)償。地層的吸收衰減效應(yīng)是導(dǎo)致地震勘測分辨率不高的主要原因，在地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中設(shè)置頻譜均衡濾波器，對地層的吸收衰減進(jìn)行有效補(bǔ)償，可使地震反射波的特征參數(shù)得到明顯改善。

1.2控制器的信號采集方案

采用ADS7818進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計(jì)電路簡單且易于實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換精度較高，符合本設(shè)計(jì)要求。

1.3顯示電路方案

選用數(shù)碼管顯示，MSP430F2002芯片的資源和管腳就可以滿足要求，有較高的性價比。

2模塊電路分析與設(shè)計(jì)

2.1傳感器概述

通常定義傳感器是一種換能器，嚴(yán)傳感器是一種接收信號或受激勵并以電信號響應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換器件。大多數(shù)傳感器其滿度輸出都是相當(dāng)小的微弱的信號，在進(jìn)一步作模擬或數(shù)字處理之前，必須對它們的輸出進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

2.2放大電路

最常用的信號調(diào)理形式就是放大，既將輸入的微弱電信號放大至數(shù)據(jù)采集量程相當(dāng)?shù)某潭纫垣@得盡可能高的分辨率。

本系統(tǒng)選用AD620儀表放大器進(jìn)行前端信號的放大處理。AD620能確保高增益精密放大所需的低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移和低噪聲等性能指標(biāo)；具有高共摸抑制比、高輸入阻抗、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。其增益計(jì)算方法為：

2.3低通濾波電路

濾波器是一種允許具有特定頻率范圍的信號通過，并且衰減其他所有信號的設(shè)備。濾波器可分為無源濾波器和有源濾波器兩大類。前者是用無源器件R、L和C組成，后者是由有源器件（如運(yùn)放）與R、C或開關(guān)電容組成。

在本設(shè)計(jì)中地震信號是低頻信號，它的有效頻率范圍大約在20～300Hz之間。本系統(tǒng)以200Hz的雷克子波，且為了防止高頻對后級微分電路的影響，所以針對它的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了6階低通濾波。該濾波電路帶內(nèi)增益為12dB，根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，調(diào)整電路中的電阻電容參數(shù)，將截止頻率設(shè)置為500Hz。

根據(jù)大慶恒北地區(qū)的地震參數(shù)（Vo、β），建立視等厚吸收介質(zhì)模型（單層厚度為0.5秒，共6層），其地層吸收衰減特性為Dn（f）=exp（-0.1122fni=1V-2.2i）

對其進(jìn)行麥克勞林展開，為了使設(shè)計(jì)的頻譜均衡濾波器的振幅函數(shù)更加接近其展開式，相位譜盡量是一簡單函數(shù)或零相位譜，取麥克勞林展開式的偶數(shù)項(xiàng)得，本設(shè)計(jì)采用6階微分電路的頻譜均衡濾波器，其輸出函數(shù)為：

2.4峰值檢波電路

由于本系統(tǒng)要記錄地震的最大震級，所以要求電路能迅速跟蹤信號。采用峰值檢波電路能夠迅速跟蹤信號并記錄地震波的最大振幅。電路中，當(dāng)輸入大于輸出時，峰值檢波電路處于跟蹤狀態(tài)；當(dāng)輸入小于輸出時處于保持狀態(tài)。能夠達(dá)到要求的功能。

2.5A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器是用來把連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為一定格式的數(shù)字信號的器件。由于模擬信號在時間上是連續(xù)的，而數(shù)字信號則是離散量，因此A/D轉(zhuǎn)換必須按一定的時間間隔取模擬電壓值，再對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這過程稱為對模擬信號的采樣。而A/D轉(zhuǎn)換需要時間，這就要將采樣時刻的電壓值保持下來。對保持下來的模擬電壓值進(jìn)行量化和編碼，從而得到數(shù)字量輸出D。因此A/D轉(zhuǎn)換必須包含四個過程：采樣、保持、量化和編碼。

本設(shè)計(jì)中由于地震信號的動態(tài)范圍很高，為了達(dá)到一定的分辨率，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)不能過少。通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將連續(xù)的地震信號采樣后量化。本系統(tǒng)應(yīng)用ADS7818高精度十二位串行輸出轉(zhuǎn)換器，ADS7818采樣速率CONV=1.54kHz，SCLK=16*CONV=25kHz，模擬量的動態(tài)范圍為0～5V。

2.6穩(wěn)壓電源電路

理想電源無論通過它的電流為多少，都能在它的終端維持一個恒定的電壓。實(shí)際電源的輸出電壓隨負(fù)載電流而改變，一般隨著負(fù)載電流的增大而減小。評價電源性能的量，體現(xiàn)電源在空負(fù)載和滿負(fù)載的條件下維持恒定電壓的能力，這個量稱作電源的穩(wěn)壓百分比（percent voltage regulation）。

確切地說，上式定義了輸出百分比，或負(fù)載百分比。這是因?yàn)樗腔谪?fù)載條件變化，其他所有因素都保持恒定。很明顯，上式的分子是輸出電壓在無負(fù)載和全負(fù)載情況下的總變化量，因此理想電源具有零穩(wěn)壓百分比。

3結(jié)語

詳細(xì)介紹了微弱信號前置調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。包括前端放大模塊、低通濾波模塊、頻譜均衡濾波模塊、精密峰值檢波模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊及穩(wěn)壓電源電路。其中低通濾波模塊將截止頻率設(shè)置為500Hz；頻譜均衡濾波對原始地震反射地層吸收誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償，使地震反射波的特征參數(shù)得到明顯改善采用高精度十二位串行輸出A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換提高了系統(tǒng)對信號的分辨率；穩(wěn)壓電源輸出+-5V電壓，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。