基于MAX260的低頻微弱信號的模擬預處理
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引言
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/21358.htm微弱信號檢測(weak signal detection)是隨著(zhù)工程應用而不斷發(fā)展的一門(mén)學(xué)科，是利用電子學(xué)、信息論和物理的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規律，研究被測信號的特點(diǎn)與相關(guān)性，采用一系列信號處理的方法，檢測被噪聲背景淹沒(méi)的微弱信號[1]。強噪聲背景下微弱信號處理是現代信號處理技術(shù)中的一項綜合技術(shù)和尖端領(lǐng)域，運用這種技術(shù)使得微弱量(如弱光、小位移、微振動(dòng)、弱聲及微電流等)的檢測成為可能，大大提高了微弱信號檢測的精度。
對信號的預濾波處理則成為了提高其準確度的關(guān)鍵要素，本文就是基于這樣的思想，利用max260的特性來(lái)進(jìn)行設計出具有良好效果的預濾波器。我相信，隨著(zhù)社會(huì )以及科技的發(fā)展，在這方面的應用于開(kāi)發(fā)必將在物理、化學(xué)、天文、生物、醫學(xué)以及多種工程應用領(lǐng)域得到廣泛的應用，在國內外越來(lái)越得到重視。
模擬信號處理系統原理
我們假定接收到的信號已經(jīng)通過(guò)頻率轉換變?yōu)榛鶐盘?。為了防止未知的噪聲信號使放大器飽和，我們通常進(jìn)行多級放大。先將輸入的基帶信號通過(guò)濾波器提取出我們感興趣的頻段，并抑制一定的噪聲。通過(guò)兩級濾波放大，已經(jīng)將隱藏在噪聲中的微弱信號變?yōu)檫m當幅度的平穩信號，為后續的a/d變換、lcd顯示等信號處理打下良好的基礎。這個(gè)過(guò)程就構成了信號濾波放大系統，原理框圖如圖1所示：
圖1 模擬信號處理系統原理框圖 件的選擇與應用很多情況下我們要處理頻率接近于零頻的微弱信號,比如人體呼吸及心跳所產(chǎn)生的頻率（0.03hz～3.3hz），因此在選擇濾波器件時(shí)，要求該濾波器具有很低的中心頻率范圍以及陡峭的過(guò)渡帶，這就對器件提出了很高的要求。
可編程開(kāi)關(guān)電容濾波器max260
max260 是美國maxim公司推出的cmos雙二階通用開(kāi)關(guān)電容有源濾波器，可以采用微處理器控制其精確濾波器函數，無(wú)需外圍元件即可構成多種帶通、低通、高通、帶阻、全通濾波器，其內部含有兩個(gè)二階濾波單元，每個(gè)單元中心頻率、q值、濾波器工作模式均可由程序設置。max260比max261和max262有較好的偏移與直流特性。具有如下特點(diǎn)：微處理器接口、64步中心頻率控制、128步品質(zhì)因數控制、獨立的中心頻率和品質(zhì)因數編程、保證時(shí)鐘頻率f0對比值精度為1%、單+5v或±5v電源電壓工作以及0.01hz到7.5khz的中心頻率范圍。并且與數字濾波器相比，處理速度快、整體結構簡(jiǎn)單。芯片的內部結構如圖2所示：
圖2 濾波器框圖（一個(gè)二階組） 其芯片主要由放大器、積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò )(scn) 和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò )和工作模式選擇器分別由編程數據m0,m1、 f0～f5 和q0～q6 控制。每片max260包括兩個(gè)二階開(kāi)關(guān)電容有源濾波器，每個(gè)二階組使用兩個(gè)串聯(lián)的積分器和一個(gè)求和運算放大器。每個(gè)二階濾波器組件有四種工作方式及各自的時(shí)鐘輸入和獨立的f0和q控制。每個(gè)二階組的中心頻率是由其輸入的時(shí)鐘頻率和六位編程代碼決定的，q值由七位代碼控制。 max260系列濾波器中，內部采樣速率為輸入速率的一半。max260使用了max261或max262中不具有的自動(dòng)調零電路，這可以提供更好的dc 特性，并通過(guò)犧牲高端頻率和信號帶寬提供改進(jìn)的低頻特性。故可很好的用于低頻信號的濾波處理。
圖3為一個(gè)帶通濾波器。該濾波器由低通濾波器和高通濾波器設計組成。其參數信號（clka、clkb、a1~a0、d3~d0、 ）的輸入均可由cpu控制設置。將濾波器a設置為一個(gè)切比雪夫低通濾波器，濾波器b設置為一個(gè)切比雪夫高通濾波器，clka與clkb分別為低通濾波器與高通濾波器的時(shí)鐘輸入信號，可根據不同的濾波器參數設置不同的頻率，信號引腳 控制地址位與數據位的更新。具體參數設計可以利用maxim的濾波器設計軟件，可極大的簡(jiǎn)化采用max260構成多種有源濾波器的設計過(guò)程。
圖3 帶通濾波器 高精度斬波穩零運算放大器tlc2652
斬波穩零型運算放大器提供了一種解決微弱信號放大問(wèn)題的廉價(jià)方案。tlc2652和tlc2652a是德州儀器公司使用先進(jìn)的lincmostm工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩零運算放大器。
圖4 tlc2652的8引腳封裝圖
圖5 tlc2652的簡(jiǎn)化框圖 在tlc2652 中，內部時(shí)鐘使放大器以450hz的頻率校零。在8引腳封裝的芯片中，這個(gè)頻率是不可調的。這時(shí)，電路中的負反饋電阻要選的大些，以使箝位發(fā)揮作用時(shí)電路的增益下降得更多。當然，使用clamp后，電路的輸出幅度會(huì )略有減小。斬波穩零的工作方式使tlc2652具有優(yōu)異的直流特性，失調電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對運算放大器的影響被降低到了最小。低頻信號經(jīng)過(guò)兩個(gè)放大器放大，電路可以獲得極高的增益，這在需要精密高增益放大的電路中是十分有用的。由于使用了lincmostm工藝和低噪聲的mosfet，輸入噪聲被大大減小。tlc2652非常適合用于微弱信號的放大。
從理論上講，為了盡量展寬電路的頻帶，斬波頻率fc應越高越好，但fc的提高又會(huì )造成嚴重的尖峰效應，使斬波器漂移增大，所以通常fc≤10khz。這就是導致斬波穩零運算放大器頻帶窄的原因。tlc2652的過(guò)載恢復時(shí)間是比較短的（30ms左右），如要進(jìn)一步減小恢復時(shí)間，可以使用電路的clamp引腳。tlc2652在作直流微信號放大時(shí)，為了進(jìn)一步減小交流干擾，可以在輸出端加接一個(gè)低通濾波器，以濾除輸出電壓中的交流分量，使輸出電平更加穩定。圖6為tlc2652典型正相放大電路。
圖6 tlc2652典型正相放大電路 在元件的選擇中需要特別注意的是，電路中的兩個(gè)記憶電容c3和c4必須使用絕緣電阻很高的優(yōu)質(zhì)電容器。例如，聚酯薄膜電容器、聚苯乙烯電容器、聚丙烯電容器等可以作為記憶電容器，容量可以從0.1μf至1μf中選擇，電容的一端接到c3或c4引腳，另一端接至vdd-或c return引腳。在一些斬波穩零運算放大器中把記憶電容接至vdd-引腳會(huì )增加噪聲，而tlc2652則沒(méi)有這種問(wèn)題。tlc2652是高精度放大器，往往在輸入電壓為微伏量級的情況下高增益工作。要保證放大器的精度，需要注意以下兩個(gè)方面：一是負反饋電阻必須有足夠的精度，并且電路的閉環(huán)增益不能太大；二是必須提高印制板的質(zhì)量，防止印制板表面的漏電流。
結束語(yǔ)
強雜波背景下低頻微弱信號處理是信號處理領(lǐng)域的難點(diǎn)同時(shí)也是熱點(diǎn)。在處理完模擬預濾波后還需要注意在進(jìn)行后續處理（如進(jìn)行a/d轉換）時(shí)，放大器采用直接耦合方式，加隔直電容會(huì )衰減有用的極低頻率成分。實(shí)驗結果表明可編程開(kāi)關(guān)電容濾波器max260以及高精度斬波穩零運算放大器tlc2652可以很好的實(shí)現低頻微弱信號的濾波放大處理。低頻微弱信號的模擬預處理在信號處理過(guò)程中起到了非常重要的作用，各種性能優(yōu)良的測量?jì)x器不斷推出，大大提高了微弱信號檢測的精度。
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