基于ADS1256的直流微弱信號檢測系統研究

重慶大學電氣工程學院 王緒龍重慶大學弘深學院 李清坤重慶大學城市建設與環境工程學院 瞿智顯

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基于ADS1256的直流微弱信號檢測系統研究

重慶大學電氣工程學院 王緒龍
重慶大學弘深學院 李清坤
重慶大學城市建設與環境工程學院 瞿智顯

【摘要】在科學研究中，微弱信號往往是必不可少的，而由于信號的特性及周圍噪聲可能較大，因此對信號處理電路的要求較高。本文設計了一種用于直流微弱信號檢測的電路，對其主要模塊電路組成及電氣性能進行了介紹，并通過實驗驗證了系統可測量±2.1mV的信號，分辨率為1mV，最大誤差為3.1%，能夠滿足系統對信號的精度要求。

【關鍵詞】直流；微弱信號；ADS1256；TMS320F28335

0 引言

微弱信號一般指十分微小，變化不易發現的信號，而在科學研究中，微弱信號十分常見。例如在生物反應中中存在的緩慢的生物化學反應、微小生物電現象等；在天文學中星體光譜、輻射的分析等；在物理學中對物質的特性、電磁場的微小變化、物理熱學的分析等；在光學中對各種光光譜的分析；以及其他各學科領域，可以說微弱信號無處不在。微弱信號往往反映了自然科學現象的微小變化，因此，檢測微弱信號的強度及其變化具有重要的意義[1]。

檢測微弱信號時，往往需要將其他形式的信號轉化為電信號，尤其是電壓信號。這其中就需要用到精密的傳感器電路，然后對信號進行放大等處理。但由于微弱信號量級較低，周圍存在噪聲時會導致相對誤差較大甚至被噪聲淹沒，同時器件本身的影響亦不可忽略，如傳感器的溫度漂移，零點漂移，放大器的漂移、失調等特性。

在實際的電路測量系統中，微弱的直流信號更加容易受到直流或低頻噪聲的影響，因此直流微弱信號的檢測更是十分困難。此外，微弱直流電壓信號的檢測還容易受到各種低頻噪聲的干擾，所以微弱直流電壓信號的檢測相比于交流信號難度更大。

因此，本測量系統采用差模信號處理方式，采用雙級儀表放大器，減少了共模噪聲干擾及放大器自身的零漂誤差；采用24位傳感器ADS1256及高速數字信號處理器TMS320F28335，提高了數據測量精度。

1 測量系統組成

根據微弱信號的測量要求，系統由多級放大、濾波模塊組成，其模塊構成由圖1所示。

圖1 測量系統的構成

圖1中，信號先經過對稱結構的無源濾波電路濾除測量回路中的共模高頻干擾信號，再采用高精度初級儀表放大電路，對微弱信號做第一級放大，采用濾波電路和放大電路相結合的方式，可以有效地降低放大電路本身噪聲的影響以及放大的干擾信號對后端器件的損壞，采用隔離電路可以消除電路中的一部分干擾，同時也能起到采集控制單元與測量回路在電源上的隔離。本文重點研究了測量電路中幾個關鍵模塊的設計，實現了直流微弱信號的準確測量。

2 關鍵模塊電路設計

2.1 無源濾波電路設計

濾波電路是在信號處理過程中常用的電路，其主要功能將輸入信號中的目標信號及有用部分濾過，將輸入信號中的噪聲部分，無用信號濾除[2]。由于電源電路、信號調理電路、數字電路等部分均會產生噪聲，為了獲得更純凈的有用信號，必須將噪聲信號濾除。本部分設置二階無源低通濾波器，這種濾波器由電阻、電容組成，但需要較低的信號源阻抗和較高的負載阻抗。該濾波器位于放大器前端，對信號進行初級的處理。電路原理如圖2所示。

其傳遞函數為：

截止角頻率：

截止頻率：

其電路原理圖為：

圖2 無源濾波電路原理圖

取R=10k，第一級電容C=2.2uF，第二級電容C=1uF，其幅頻響應波特曲線見圖3。

圖3 無源濾波電路幅頻特性曲線

2.2 儀表放大電路設計

由于待測電壓信號為微弱信號，信號量級最小可以達到uV級的，因此，需要做信號放大處理。對測量電路而言，共模抑制比CMRR是影響測量精度的關鍵指標。本文采用差分運放構成雙端輸入-單端輸出的差分放大電路，該電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比，能有效抑制共模信號，常用于多級直接耦合放大電路的輸入級和中間級[3]，具體電路圖如圖4所示。差分運放芯片采用INA128，放大電路模塊由雙級放大電路組成。每一級均有儀用放大器INA128及其相關電路組成。INA128 增益高達10000 倍，共模抑制比可達120dB，而且只需外接一個電阻就可調節增益。INA128可將毫伏級的信號放大成伏級信號，便于測量。雙級放大電路如圖所示。增益與外界電阻的計算公式為：

如圖4所示，兩個放大器級聯，第一級放大器差分輸入；第二級放大器同相輸入，反相接地，以減少噪聲影響。

每級放大器增益為：G’=1+50/1.5=34.3；

圖4 差分放大電路

2.3 有源濾波電路設計

如前所述，由于測量信號十分微弱,容易被外界及器件自身噪聲淹沒, 放大電路在放大測量信號的同時也放大了噪聲, 同時由于電路拓撲不合理，亦將導致噪聲升高。因此，及時前端接入無源濾波電路，但是器件本身的漂移噪聲有可能繼續存在于電路之中。因此僅對信號放大是測量不出微弱信號的。只有在有效地抑制噪聲的條件下放大微弱信號才能提取出有用信號[4]。信號放大后， 接一階有源濾波電路，對信號進行進一步的濾波。

其傳遞函數為：

其中：

其電路原理圖如圖5所示。

該電路的幅頻特性曲線見圖6。

2.4 AD轉換電路設計

AD轉換電路采用TI公司的低噪聲高分辨率的24位Sigma—Delta(Σ-一△)模數轉換器(ADC)ADS1256，該款ADS1256可適合于采集最高頻率只有幾千赫茲的模擬數據的系統中，數據輸出速率最高可為30K采樣點 (SPS)，有完善的自校正和系統校正系統，SPI串行數據傳輸接口[5]。在本文所設計的電路中，ADS1256用于直流微弱信號采集，電壓基準取2.5V，最小測量精度可達1uV。采用平均值法，采集1s內的采樣數據，并對其進行取平均值，提高數據精度。AD轉換部分電路原理圖如圖7所示。

圖5 有源濾波電路原理圖

圖6 有源濾波電路幅頻特性曲線

圖7 ADS1256 ADC基本電路

3 系統性能測試

為驗證系統性能，本文采用直流穩壓電源對系統進行測試，測試流程見圖8。實際制作的直流小信號源系統經實際測試，輸出信號在±2.5V可調，分辨率為1mV，相對誤差小于3.1%。

圖8 系統測試流程

表1 系統測試結果

4 結論

本文研究制作了直流小信號測量系統，并介紹了系統中主要模塊的功能及設計思路，繪制了原理圖并進行仿真。最后利用直流穩壓電源對系統進行測試，結果證明，系統可測量±2.1mV的信號，分辨率為1mV，最大誤差為3.1%，平均誤差為1.52%。證明所設計的測量電路能夠精確地測量微弱信號，該電路應用前景廣闊，可將其作為標準化測量儀器使用，或者將該電路前端接一傳感器，將電路作為專用的信號測量儀器使用。

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王緒龍（1994—），男，大學本科，主要研究方向：電力電子，嵌入式系統。

李清坤（1995—），男，大學本科，主要研究方向：接地網檢測，嵌入式系統。

瞿智顯（1994—），男，大學本科，主要研究方向：電工理論與新技術。

作者簡介：