全國產(chǎn)化微弱信號調(diào)理電路

摘" 要： 為更好地處理微弱信號，提出一種新型的多通道信號前端調(diào)理模塊。該模塊不僅具有可編程增益功能，而且還整合了帶通濾波器。在保證高輸入阻抗和低噪聲等關(guān)鍵性能的同時，提出一種全面而創(chuàng)新的調(diào)理模塊設(shè)計(jì)方案。該方案的核心是采用可編程增益放大電路，顯著提高了模塊在放大各類微弱信號時的適應(yīng)性。此外，利用HC595系列芯片，實(shí)現(xiàn)了對增益的精確調(diào)控。該放大電路具備26 dB的固定增益和0～84 dB的可調(diào)增益范圍，工作帶寬設(shè)定在380～420 kHz。經(jīng)過系統(tǒng)性能測試，結(jié)果表明該調(diào)理電路成功滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo)的各項(xiàng)要求。

關(guān)鍵詞： 微弱信號處理； 調(diào)理電路； 程控增益； 帶通濾波器； 放大電路； 運(yùn)算放大器

中圖分類號： TN721?34" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）20?0027?06

Totally?domestic weak signal conditioning circuit

ZHAO Xingling， ZHANG Dan， WANG Gui， LIU Hailong

（School of Artificial Intelligence， Hubei University， Wuhan 430062， China）

Abstract： A novel multi?channel signal front?end conditioning module is proposed to better process the weak signal. This module not only has programmable gain function， but also can integrate band?pass filter. A design scheme of comprehensive and innovative conditioning module is proposed while ensuring key performances such as high input impedance and low noise. The core of this scheme is the use of programmable gain amplifiers， which can significantly enhance the module′s adaptability in amplifying various weak signals. Furthermore， the HC595 series chips are used to precise control the gain. This circuit has a fixed gain of 26 dB and an adjustable gain range of 0 to 84 dB， with the operating bandwidth set between 380 kHz and 420 kHz. After system performance testing， the results show that this conditioning circuit can successfully meet all requirements set out in the design objectives.

Keywords： weak signal processing; conditioning circuit; programmable gain; band?pass filter; amplification circuit; operational amplifier

0" 引" 言

隨著科學(xué)的發(fā)展，海洋世界的神秘逐漸吸引人類的關(guān)注，而海洋探索的發(fā)展離不開對水聲信號技術(shù)的深入研究與應(yīng)用。水聲信號作為海下最有效的信息傳遞手段，其在海洋科學(xué)研究、資源開發(fā)和生態(tài)監(jiān)測中扮演著關(guān)鍵角色。科學(xué)家利用先進(jìn)的水聲設(shè)備來監(jiān)測海洋生物活動，比如鯨魚的遷徙路線和深海生物的行為模式，這些數(shù)據(jù)對于生物多樣性的研究及其保護(hù)策略的制定至關(guān)重要。同時，在海洋資源勘探方面，水聲信號技術(shù)使得人類能夠探測到難以到達(dá)的海底礦產(chǎn)資源。通過發(fā)送并接收水下聲波，科學(xué)家可以構(gòu)建海底地形圖和識別潛在的油氣田，這對于能源行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。此外，水聲信號還廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測，例如通過長期跟蹤聲音模式來評估海洋噪聲污染對海洋生態(tài)的影響。為了進(jìn)一步提升水聲技術(shù)的應(yīng)用效果，研究人員也在不斷探索如何減少環(huán)境噪聲對信號傳播的干擾，并提高信號的解析度和傳輸距離。水聲信號通常極其微弱，輸出信號的電壓幅值一般在毫伏級以下，且在傳輸過程中易受環(huán)境噪聲影響[1?4]。針對這一挑戰(zhàn)，本文設(shè)計(jì)了一種專門的調(diào)理電路，旨在有效處理這些信號。本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)集中在阻抗匹配、前置放大、程控增益放大以及濾波上。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，DAC芯片通常與程控增益芯片配合使用。例如，文獻(xiàn)[5]基于AD603設(shè)計(jì)了一種程控增益放大電路，其中INA128儀表放大器被用于前級放大，以提高信噪比，并將處理后的信號傳遞到后端。通過改變DAC芯片AD8600的輸出電壓，控制電壓控制型放大器AD603，以實(shí)現(xiàn)對增益的調(diào)整。文獻(xiàn)[6]則介紹了一種由模擬開關(guān)ADG704和集成運(yùn)算放大器OPA656組成的程控增益前置放大電路的設(shè)計(jì)，通過模擬開關(guān)控制放大電路的增益。

鑒于這些現(xiàn)有技術(shù)，本文提出了一種基于全國產(chǎn)化的多通道可控增益前端調(diào)理模塊。這一模塊的設(shè)計(jì)不僅考慮了現(xiàn)有技術(shù)的局限性，還引入了創(chuàng)新性元素，以期提供更高效、更穩(wěn)定的信號處理方案。

1" 調(diào)理電路性能參數(shù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的主要功能是對微弱信號進(jìn)行常規(guī)處理，設(shè)計(jì)參數(shù)為：26 dB的前級放大；增益范圍為0～84 dB，實(shí)時可調(diào)；帶通濾波器的工作頻帶為380～420 kHz；5 V單電源供電。

2" 調(diào)理電路設(shè)計(jì)方案

2.1" 電路總體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的信號調(diào)理模塊電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。該模塊的每個通道信號調(diào)理電路由以下三個主要部分組成：前級放大電路、可變增益放大器（TVG）和帶通濾波器。前級放大電路直接與接收陣元相連，提供26 dB的固定增益，其特點(diǎn)是低噪聲和高輸入阻抗。在可變增益放大器的研究中，發(fā)現(xiàn)目前尚無國產(chǎn)化的壓控和數(shù)控芯片產(chǎn)品。因此，本研究選擇國產(chǎn)運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相放大器，結(jié)合國產(chǎn)模擬開關(guān)，通過切換開關(guān)以調(diào)整放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)TVG功能。單級可變增益放大電路能提供0倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍和128倍共8個放大檔位。為了達(dá)到0～84 dB的可變增益范圍，需要將兩級放大電路進(jìn)行級聯(lián)。至于帶通濾波器部分，其通帶范圍設(shè)定為380～420 kHz，采用4階有源RC帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)。

2.2" 芯片選擇及放大電路設(shè)計(jì)

2.2.1" 前級放大電路設(shè)計(jì)

環(huán)境噪聲和傳輸過程對微弱信號的干擾是不可忽視的因素[7?9]。在整個電路系統(tǒng)中，前級放大電路的噪聲直接影響到整體的噪聲系數(shù)，因此對于前級放大電路來說，具備低噪聲和強(qiáng)大的抗干擾能力是至關(guān)重要的[10?12]。

本文設(shè)計(jì)的前級放大電路采用了SC7510低噪聲運(yùn)算放大器，結(jié)合了XNMJ310AN場效應(yīng)管，以實(shí)現(xiàn)前級的阻抗匹配和26 dB的固定增益放大。阻抗匹配是為了從前級接收陣元取得最大的目標(biāo)信號，因此調(diào)理電路的等效輸入阻抗必須遠(yuǎn)大于接收陣元的輸出阻抗[13]。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管因其高輸入阻抗和低噪聲特性而成為理想選擇。在反相放大電路的前端加入這種結(jié)型場效應(yīng)管，可以有效滿足對高輸入阻抗的性能要求。整個前級放大電路優(yōu)化了信號處理流程，提高了信號的信噪比，以確保信號的清晰度和穩(wěn)定性。該電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

前級放大電路原理分析：本電路設(shè)計(jì)結(jié)合了場效應(yīng)管的基礎(chǔ)放大功能與反相放大電路，實(shí)現(xiàn)了高效的信號處理。其中，電阻R4與R1和R9的并聯(lián)電阻比值決定了反相放大電路的放大倍數(shù)，從而確保信號的有效放大。此外，電容C3和電阻R7組成的濾波RC電路，有效地抑制了自激振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象，保障了電路的穩(wěn)定性。同時，C2和C4兩個電容起到了阻隔模擬信號中直流分量的作用，避免了直流分量對需要的信號造成的干擾，確保信號的純凈和準(zhǔn)確傳遞。本電路采用單電源5 V供電，使用2.5 V參考電壓實(shí)現(xiàn)抬壓。電容C1和C5作為旁路電容，起到關(guān)鍵作用，有效隔絕了電源端噪聲，防止其對電路性能造成不良影響[14?15]。

2.2.2" 可調(diào)放大電路設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)了一種由模擬開關(guān)芯片和運(yùn)算放大器組成的、增益可8檔調(diào)節(jié)的同相放大電路。通過切換模擬開關(guān)，放大倍數(shù)可分別設(shè)置為0倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍和128倍。將兩級此類電路級聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)0～84 dB的可控增益范圍，以便實(shí)現(xiàn)時間變化增益（TVG）功能。

時間變化增益功能是指信號處理系統(tǒng)中的增益隨時間而變化的功能。多種增益方案在程序設(shè)置的時間范圍內(nèi)自動切換。

MS1251是一款8路模擬輸入信號選擇芯片。A、B、C引腳控制信號的選擇，通過HC595系列芯片對這3個引腳進(jìn)行不同的數(shù)字組合，從而選擇8路開關(guān)中的一路，并與SC7510運(yùn)算放大器組成同相放大電路。SC7510芯片是一款低噪聲、低失真的運(yùn)算放大器，輸入電壓噪聲為7.5 nV[Hz]，帶寬為258 MHz（增益為1），壓擺率為233 V/μs。MS1251相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，電路原理圖如圖3所示。

2.2.3" 帶通濾波器設(shè)計(jì)

為避免所需頻率范圍外的信號干擾，只允許特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，采用具有選頻作用的濾波器對頻率范圍外的信號進(jìn)行濾除或衰減[16?18]。本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器具有380～420 kHz的通帶范圍，歸類于窄帶濾波器。為了滿足對高頻率分辨率的需求，選擇了四階MFB（Mel Frequency Bandpass）結(jié)構(gòu)。MFB結(jié)構(gòu)在低頻區(qū)域提供較高的頻率分辨率，這對于窄帶濾波器至關(guān)重要。同時，這種結(jié)構(gòu)能夠在維持所需精度的同時減少計(jì)算資源的消耗。

MFB濾波器的另一個優(yōu)點(diǎn)是其對不同環(huán)境噪聲條件的適應(yīng)性，尤其是在背景噪聲復(fù)雜或不斷變化的情況下。這使得MFB濾波器在實(shí)際應(yīng)用中，如在嘈雜環(huán)境中進(jìn)行語音識別時，表現(xiàn)出極高的實(shí)用價值。

為了確保通帶內(nèi)的平坦度，本設(shè)計(jì)采用了巴特沃斯函數(shù)進(jìn)行逼近。巴特沃斯濾波器的通帶響應(yīng)是平坦的，這意味著在通帶的頻率范圍內(nèi)信號的衰減較小。此外，巴特沃斯濾波器在通帶和阻帶之間具有最大的平滑度，使得頻率響應(yīng)曲線的斜率最為平緩。這有助于減少濾波過程中引入的相位失真和振鈴效應(yīng)。在所有濾波器類型中，巴特沃斯濾波器能夠提供近似最佳的幅頻響應(yīng)，即在通帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的平坦度，而在阻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的衰減。

本文濾波器的中心頻率為400 kHz，帶寬為40 kHz（-1 dB帶寬）。相關(guān)的原理圖如圖4所示，仿真結(jié)果展示在圖5中。在此設(shè)計(jì)中，選用了圣邦微電子的SGM8965芯片作為運(yùn)算放大器，該芯片以其低噪聲和低失真特性而著稱。

2.2.4" 電源模塊

在本文的設(shè)計(jì)中，選用了低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）作為電源模塊，其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。LDO能在較低的輸入輸出電壓差下穩(wěn)定工作，特別適用于輸入電壓僅略高于輸出電壓的場景。使用LDO可以提供更平穩(wěn)、波紋更小的輸出電壓。相較于其他解決方案，LDO更易于設(shè)計(jì)和使用，無需復(fù)雜的補(bǔ)償電路等。此外，LDO具有優(yōu)良的瞬態(tài)響應(yīng)，能夠迅速適應(yīng)負(fù)載變化，保證輸出電壓的穩(wěn)定。

本設(shè)計(jì)采用的LDO為圣邦威公司的SGM2056芯片，這款芯片具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)，以及高輸出精度、低功耗和低噪聲等特性，并配備有熱關(guān)斷和過流保護(hù)功能。這些特性顯著提升了系統(tǒng)的可靠性，保護(hù)了芯片免受過熱和過載的損害。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的供電可靠性并預(yù)防LDO損壞對整體電路造成的不利影響，本文在電源模塊設(shè)計(jì)中增加了一項(xiàng)關(guān)鍵措施：引入一只0 Ω電阻，以實(shí)現(xiàn)更靈活的供電選擇。這種設(shè)計(jì)允許電路在LDO故障的情況下，直接使用5 V電源供電，繞過LDO，確保電路的穩(wěn)定供電。

偏置電壓模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖7所示。在該電路設(shè)計(jì)中，除了采用5 V的單一電源供電外，還特別需要2.5 V的偏置電壓來實(shí)現(xiàn)抬壓。此舉旨在確保電路內(nèi)的半導(dǎo)體組件（例如晶體管）能夠維持在其適宜的工作狀態(tài)，同時也是為了增強(qiáng)整個電路的性能與穩(wěn)定性。使用偏置電壓的策略對于單電源供電系統(tǒng)而言是至關(guān)重要的。它不僅使得半導(dǎo)體器件能夠在設(shè)計(jì)的工作點(diǎn)上正確運(yùn)行，而且還有助于提升電路對溫度變化的適應(yīng)能力，保證了電路性能的最優(yōu)化和穩(wěn)定性的提高。因此，在單電源供電的電路設(shè)計(jì)中引入偏置電壓是實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定電路運(yùn)行的關(guān)鍵措施。

3" 性能測試

本文根據(jù)以上設(shè)計(jì)理念制作出電路板實(shí)物，并對其進(jìn)行了功能模塊測試，主要包括前級放大電路測試、可控增益放大電路測試、濾波電路測試、等效輸入噪聲測試和TVG響應(yīng)時間測試。

3.1" 前級放大電路輸出

輸入400 kHz、100 mV正弦波信號，經(jīng)過場效應(yīng)管與運(yùn)放構(gòu)成的同相放大電路，幅值放大20倍，理論輸出2 V。測試結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明，實(shí)際輸出電壓幅值與理論值的誤差小于1 dB。

3.2" 可控增益

通過595系列芯片對模擬開關(guān)進(jìn)行通道選擇控制，從而實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，單級倍數(shù)0倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍和128倍可調(diào)。使用400 kHz、2 mV～1 V的正弦波信號測試。

部分測試結(jié)果如表3所示。

3.3" 濾波器幅頻響應(yīng)

為便于測試，將可控增益設(shè)置為0 dB，在此情況下整體電路的總增益為26 dB。使用100 mV正弦波信號，分別測試在380～420 kHz、200 kHz、800 kHz下的信號幅值，測試結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，通帶內(nèi)衰減≤1 dB，誤差≤0.5 dB，帶外衰減≥24 dB，符合設(shè)計(jì)要求。

3.4" 等效輸入噪聲

微弱信號對噪聲的敏感度較高，因此低噪聲是該電路設(shè)計(jì)的一個重要指標(biāo)。將可控增益設(shè)置為42 dB，在此情況下整體電路的總增益為68 dB。將各通道的輸入短接，使用機(jī)械毫伏表測試在該情況下的噪聲，并利用下式計(jì)算出等效輸入噪聲。

[Vi=Vo×1 000Gain]

式中：[Vi]為等效輸入噪聲；[Vo]為輸出噪聲；[Gain]為放大倍數(shù)。

測試結(jié)果如表5所示。表5測試結(jié)果符合低噪聲的設(shè)計(jì)要求。

3.5" TVG響應(yīng)功能

通過主控芯片設(shè)置TVG響應(yīng)時間，使得增益按順序在該時間范圍下依次完成切換。本次測試設(shè)置每1 ms完成一次增益切換。測試結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明多種增益在該時間設(shè)置下可實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，增益反應(yīng)時間較快。另外，在增益轉(zhuǎn)換過程中，信號相位連續(xù)。

4" 結(jié)" 語

本文針對微弱信號調(diào)理問題，以及器件全國產(chǎn)化的需求，設(shè)計(jì)了一種多通道可程控增益放大電路調(diào)理模塊。該模塊具有低噪聲、放大倍數(shù)可8檔實(shí)時調(diào)節(jié)的功能。該設(shè)計(jì)基于模擬開關(guān)MS1251與運(yùn)算放大器SC7510的組合構(gòu)成同相放大器，實(shí)現(xiàn)多種增益方案的轉(zhuǎn)換，并采用SGM8965運(yùn)算放大器選擇特定頻率范圍內(nèi)的信號。實(shí)物測試結(jié)果表明，該電路模塊在380～420 kHz工作帶寬內(nèi)可實(shí)現(xiàn)程控增益放大，信號無失真，且具有低噪聲、低功耗的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，可用于微弱信號的調(diào)理電路。

注：本文通訊作者為張丹。

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作者簡介：趙星靈（2000—），女，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事微弱信號檢測方向的研究。

張" 丹（1976—），男，湖北武漢人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。

收稿日期：2024?04?18" " " " " "修回日期：2024?05?20

基金項(xiàng)目：武漢市科學(xué)技術(shù)局知識創(chuàng)新專項(xiàng)（2023010201020423）

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.20.005

引用格式：趙星靈，張丹，汪桂，等.全國產(chǎn)化微弱信號調(diào)理電路[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（20）：27?32.