淺析微弱信號檢測裝置設(shè)計

孫霖 陳玉玲 沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院

一、前言

結(jié)構(gòu)的噪聲源由標(biāo)準(zhǔn)噪聲產(chǎn)生。當(dāng)輸入正弦信號的頻率為1 kHz 時，最大幅度在200 mV～2 V 范圍內(nèi)，系統(tǒng)中的設(shè)置要求其精度控制在5%以內(nèi)。

二、設(shè)計方案

該設(shè)計使用濾波方法，因為濾波器本身是用于消除不需要的噪聲的設(shè)備。對輸入和輸出信號進行濾波以獲得干凈的信號，并有效地過濾某一頻率的頻率或頻率，并且功能是獲得特定頻率或消除某些頻率。本文采用多階的帶通濾波器，中心頻率是1KHZ，過濾除信號之外的其他AC 信號。過濾器是借助過濾器設(shè)計的，方便簡單，而且還基本可以實現(xiàn)設(shè)計要求。

三、器件選擇

微控制器MSP430G2551 是一款處理器，具有極低功率的混合信號。它結(jié)合了芯片內(nèi)的許多外圍模擬電路和通用數(shù)字模塊。OPA2134 雙音頻運放特點為頻帶寬、轉(zhuǎn)換速率高、并且在超低噪聲情況下有超低失真、該驅(qū)動器的高功率輸出使其成為噪聲和信號的理想選擇，具有高掃描速度的低失真差分運算放大器，在惡劣的環(huán)境中，可以使用出色的動態(tài)響應(yīng)，高輸出電壓變化和高輸出功率。附加部件可實現(xiàn)強化且一般與OPA2134 可進行兼容；OPA2227 是一款具有低噪聲和高精度功能的精密放大器、噪聲小，準(zhǔn)確放大信號電壓；OP07 運算放大器是一種廣泛使用的運算放大器，低噪聲，極低的輸入失調(diào)電壓，極低的溫度漂移，輸入噪聲時的極低電壓幅度，寬電壓范圍和高輸入阻抗。可廣泛用于集成電路，絕對值精密電路，比較器和弱信號精密增益電路；TL431 穩(wěn)壓器用于系統(tǒng)設(shè)計，使用精密直流電源產(chǎn)生2.5V 參考電壓參考設(shè)計。TL431 是標(biāo)準(zhǔn)分流器，帶有可調(diào)節(jié)的3 個端子，具有良好的耐熱性。系統(tǒng)設(shè)定輸出電壓可以為3V 至36V 之間任意的值。該器件與其他產(chǎn)品相比噪聲低，價格較為便宜的TL431，TL431 就是這樣設(shè)計的，使用系統(tǒng)電壓作為參考器件。

四、系統(tǒng)框圖

系 統(tǒng) 中 的MSP430G2553 是MCU 系統(tǒng)的主要組成部分。這包括讀取MC14433轉(zhuǎn)換，控制和顯示1602LCD 的結(jié)果。輸入電壓信號可用于CAN 模擬輸入可正確采樣的電壓。MC14433 模塊具有執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值由微控制器讀取并發(fā)送到模塊的顯示器以供顯示。

五、功能接口設(shè)計

關(guān)于電源電路的設(shè)計，系統(tǒng)使用低功率模式，系統(tǒng)會在單片機控制下自動關(guān)閉一些電路的工作電源。在電源管理方案中，電池的正極分為兩種方式：第一路徑直接連接到輸入端子SPX1117。SPX1117是一款三引腳集成電路芯片穩(wěn)壓器，其輸出端提供3.3 V 的恒定電壓，可用作單芯片系統(tǒng)的電源。可以切換和控制通過晶體管9012 的另一種方式。在該設(shè)計中，當(dāng)系統(tǒng)處于正常操作狀態(tài)時，微控制器的控制端口提供高電平，9011 飽和。輸出端提供5V 的穩(wěn)定電壓。7660S 負壓注入泵產(chǎn)生-5V 電壓。當(dāng)系統(tǒng)處于“低功耗”狀態(tài)時，微控制器控制端口的輸出為低。9011 處于關(guān)閉狀態(tài)，9012 的參考電壓為9V。并且它也處于關(guān)斷狀態(tài)，并且電源電壓的模擬部分為零。微控制器將始終處于不同的操作模式。

加法器電路是信號的輸入，是信號的初始處理。如果這里的失真很大，這將對以下電路產(chǎn)生重大影響。因此，OPA2134在加法電路的前面充當(dāng)兩個緩沖器，進入加法器的正弦和噪聲信號在第一階段被緩沖，并且信號源和加法器電路是隔離的。加法器使用INA2134 添加正弦和噪聲信號。根據(jù)加法電路可以很好地實現(xiàn)兩個信號的連接，并且失真很小。

由于信號本身相對較小并且通過衰減網(wǎng)絡(luò)衰減了100 倍，因此OPA2227 用于在檢測到信號之前預(yù)先放大弱信號。OPA2227 是一款雙通道低噪聲，高精度雙運算放大器，信號經(jīng)過放大。前置放大器網(wǎng)絡(luò)將小信號放大100 倍以便于電路的后續(xù)測量。弱信號檢測電路使用中心頻率為1kHz 的六階帶通濾波器來濾除除正弦信號之外的各種噪聲信號。

交流電壓測量實際均方根轉(zhuǎn)換電路是測量交流電壓的重要部分，該設(shè)計系統(tǒng)對交流電壓信號的測量精度有直接影響。在本設(shè)計中，我們選擇使用AD637 將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。該電路完成從AC到DC 的轉(zhuǎn)換，效果良好。

我們使用MC14433 作為電壓轉(zhuǎn)換器AD，然后ADC 將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到微控制器。最后MCU 控制LCD 顯示器顯示測量的正弦值。

六、結(jié)束語

該系統(tǒng)可以對與微弱信號的檢測，其優(yōu)點在于可應(yīng)用有較廣的應(yīng)用，具有較強的抗干擾能力。所以系統(tǒng)可以更好的應(yīng)用于其他領(lǐng)域。