微弱电流信号的检测和放大电路解读

微弱电流信号的检测和放大电路解读 专业模块课程说明书 (测控技术与仪器专业) 微弱电流信号的检测和放大电路 学生学号: 学生姓名: 专业班级: 指导教师: 职 称: 起止日期: 2015.6.23,2015.7.3 机电学院 专业模块课程设计任务书 一、设计题目:微弱电流信号的检测和放大电路 二、设计任务及要求 任务:设计电路实现对微弱电流信号的检测与放大，将微弱电流信号转换成有用的电压信号。 要求:电路要包括电流/电压转换电路，信号放大电路，调制和解调电路，并采用multisim仿真。 三、设计时间及进度安排 设计时间共两周(2015.6.23,2015.7.3),具体安排如下表: 周安排 设 计 内 容 设计时间 布置设计任务和具体要求及设计安排;提出设计思路 和初步设计方案、根据设计方案，进行具体的设计，根据15.06.23-15.06.26 第一周 指导意见，修改具体设计;仿真实现设计要求，指导、检 查完成情况。 设计、仿真，撰写、完成专业模块设计报告, 验收、15.06.29-15.07.03 第二周 考核 四、指导教师评语及成绩评定 指导教师评语: 年 月 日 成绩 指导教师(签字): - 1 - 微弱电流信号的检测与放大 目 录 专业模块课程设计任务书?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 一、设计题目:微弱电流信号的检测和放大电路??????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 二、设计任务及要求????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 三、设计时间及进度安排 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 四、指导教师评语及成绩评定 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 第一章 课程设计的目的 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 第二章 课程设计说明书正文 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 一、任务的提出 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 二、方案论证 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 三、电路基本结构 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 四、电路的设计与实现 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 1. I\V转换电路 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 2. 电压放大电路 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 3. 相敏检波电路 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 4. 电压比较器????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 10 5. 低通滤波器????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11 五、 试验调试及结果的????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 14 结论 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 参考文献??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 -2- 专业模块课程设计说明书 第一章 课程设计的目的 课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计(论文)奠定基础。 1(进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课(或专业基础课)理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能; 2(培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力; 3(培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。 - 1 - 微弱电流信号的检测与放大 第二章 课程设计说明书正文 一、任务的提出 很多情况下，我们在应用中采集的往往是微弱电流信号，而微弱电流信号很难直接使用，所以对微弱电流信号的检测与放大，在科学研究和军事等领域有广泛的应用。微弱电流信号检测放大的一般办法是通过I\v转换器件将微弱的电流信号转换成为电压信号，然后再通过电路放大，最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。 二、方案论证 具体工作方式:I\V转换电路将微弱电流转换成电压，通过三运放放大电路放大后，其输出电压与正弦高频电压相乘得到高频载波信号，同时正弦高频电压通过电压比较器转换为方波，两者输入开关式相敏检波电路，经过二阶低通滤波器后得到输出电压。 由于本电路检测的是微弱电流信号，顾采用了频率为100HZ，电流为0.00005A的输入电流。I/V转换器采用1kΩ的电阻，电流经I/V转换器后，电流信号变为电压信号，理想状态下为0.1V(峰值电压)。万用表测出的是有效电压，为70.731mv。为方便处理，本文后期将全部采用有效值。同时经过三运放高共模抑制比电路(其中一个前置运放输入为0，故省略，实际中只有两个运放)，共放大100倍，理想状态下经过运放后电压为7V。该电压信号以频率为1kHZ的高频交流电压信号为载波信号，与频率为1kHZ的高频交流电压信号经过电压比较器后转换的方波输入相敏检波电路，输出检波信号，检波信号经过二级低通滤波器后得到的电压信号即为最终信号。 LM358AD里面包括有一个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。 图1 LM358AD引脚图 -2- 专业模块课程设计说明书 三、电路基本结构 调制 微弱 I/V 放大 微弱 调制/解调电压 低通 转换模块 电路 放大电路 滤波器 电流 电压 电压 信号 图2 微弱电流信号检测与放大装置整体结构 图3 微弱电流检测与放大电路整体结构 四、电路的设计与实现 1. I\V转换电路 I/V转换电路结构如图4: - 3 - 微弱电流信号的检测与放大 图4 I/V转换电路 同向反向端接地，同向端接入正弦交流微弱电流信号(0.00005A，100HZ)，采用1KΩ电阻，经 过I/V转换电路后，根据公式1，理想状态下输出有效电压为70.71mv。如图5所示 公式1 图5 I/V转换电路输出电压 I/V转换电路运行正常，输出波形如图6所示。 -4- 专业模块课程设计说明书 图6 I/V转换电路输出电压波形 2. 电压放大电路 本设计采用三运放差分式放大电路，但有一支路输入为0，故可以省去，采用两个差分式同向放大电路相乘实现放大作用。差分式结构，对共模噪声有很强的抑制作用，同时拥有较高。的输 入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微弱信号的放大。每个差分式放大电路结构如图7所示。 图7 同向比例运算放大电路 - 5 - 微弱电流信号的检测与放大 同向输入端和反向输入端输入电阻都为1kΩ，反馈电阻为9kΩ，每个差分式同向放大电路可放大电压10倍，共实现100倍的放大作用。理想状态下，经过第一个差分式放大电路后输出电压为700mv，经过第二个差分式放大电路后输出电压为7V。实际情况下，经第一个差分式放大电路后输出电压为706.949mv，经第二个差分式放大电路后输出电压为7.068V，处于合理方位内。结果如图8所示(从左至右依次为输入电压、一级运放后放大电压、二级运放后放大电压) 图8 运算放大电路输入输出电压对比 电压放大器结构合理，准确得实现了电压放大功能。 经I/V转换器后电压(通道B)，经一级差分式放大电路后输出电压(通道C),经二级差分式放大电路后输出电压(通道D)波形对比如图9所示: 图9 运算放大电路输入输出电压波形对比 -6- 专业模块课程设计说明书 3. 相敏检波电路 本设计采用开关式相敏检波电路。相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。其结构如图10所示。 图10 开关式相敏检波电路 同向端输入经电压比较器处理过的方波电压信号，反向端输入的电流由乘法电路处理(由放大后的电压信号与正弦高频电压信号相程)。其中同向端和反向端的高频电压信号由同一信号源产生，两者同频。经过相乘后输出波形如图11所示。 - 7 - 微弱电流信号的检测与放大 图11 相乘电路输出波形 运放电路输出电压(通道C)，高频正弦电压信号(10倍频率运放输出电压，通道B)，合成信号(通道A)如图12所示。 图12 相乘电路输出前后对比图 -8- 专业模块课程设计说明书 为何不采用包络检波电路, 答:包络检波有两个问题:一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。 经过相敏检波输出电压为4.327V，输入输出电压如图13所示。 图13 相敏检波电路输入输出电压 经过相敏检波电路的波形如图14所示: 图14 相敏检波电路输出波形 - 9 - 微弱电流信号的检测与放大 4. 电压比较器 为了给相敏检波电路提供同频方波信号，实现检波功能。其结构如图15所示。 图15 电压比较器 其同向端接地，反向端接入高频正弦电压信号(1KHZ)，输出端为方波信号。当反向端正弦电压小于0时，输出高电平;当反向端输入的正弦电压大于0时，输出低电平。所以输入正弦波输出为反向的正弦波。输入信号和输出信号对比如图16所示。 图16 电压比较器输入信号和输出信号对比 -10- 专业模块课程设计说明书 5. 低通滤波器 为了加强滤波器滤除噪声的能力，采用了二阶低通滤波器，并在滤波器的设计过程 中选择了同样的电容电阻组合。本设计中二阶低通滤波器结构如图17所示。 图17 二阶低通滤波器 由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，当信号频率f,,f0时(f0 为截止频率)，电路的每级RC 电路的相移趋于-90º，两级RC 电路的移相到-180º，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。 现计算低通滤波器各元器件参数。 取截止频率为f=110Hz，C1为0.1uF。根据公式4.5.1得 4.5.1 R=14.5kΩ 表1 二阶滤波器部分参数 a 1.3617 1.4142 1.065 b 0.618 1 1.9305 - 11 - 微弱电流信号的检测与放大 4.5.2 根据表1和公式4.5.2得， 取 C2=0.2uF。 为使两输入端对应阻抗平衡，要求R13*C2=R14*C1， 求得R13=7.25kΩ。 低通滤波器输入输出电压如图18所示: 图18 二阶低通滤波器输入输出电压 I/V转换器输出电压、电压放大器输出电压、低通滤波器输出电压比较如图19: 图19 四电压比较 电压放大器输出电压波形、低通滤波器输出电压波形比较如图20: -12- 专业模块课程设计说明书 图20 电压放大器输出、低通滤波器输出电压波形 输入电流波形(通道D)、I/V转换器输出电压波形、电压放大器输出电压波形、低通滤波器输出电压波形比较如图21: 图21 输出电压与输入电流波形图 - 13 - 微弱电流信号的检测与放大 五、 试验调试及结果的分析 经过调试，整个设计电路合理正常，出现的电路错误得到了合理得解决，运行正常。当输入微弱电流0.00005mA时，I/V转换器输出70.703mV(有效值，下同)，正确得实现了I/V转换。经过一级运算放大器输出电压为706.98mV，二级运算放大电路输出电压为7.069V，合理得实现了信号放大作用。经过电压比较器、相乘电路、相敏检波电路信号波形正常合理，后经过二阶低通滤波器，滤掉高频波，信号正常，输出电压为2.29V。通过与输入电流信号，I/V转换器输出电压、运算放大器输出电压波形比较可以看出，信号的调制解调电路设计得合理正确，可以完成滤波作用。当改变输入电流的值时，输出电压如表1所示。 通过变化曲线我们可以看出，当输入电流小于0.00005mA时，输出的电压与输入电流为线性关系，比例系数约为35000。担当输入电流大于0.00005mA时，输出电压接近不变。故此电路适用于0.00005mA以下的输入电流。 0.0000005 0.0706 0.035 0.000001 0.141 0.069 0.000002 0.353 0.168 0.000005 0.565 0.264 0.000008 0.768 0.326 0.00001 1.414 0.616 0.00002 2.122 0.882 0.00003 2.829 1.111 0.00004 3.536 1.322 0.00005 5.658 1.917 0.00008 7.076 2.294 0.00010 10.408 3.136 0.00015 11.729 3.385 0.00020 12.691 3.532 0.0003 13.108 3.582 0.0004 13.356 3.591 表2 输入电流与运放输出电压及滤波输出电压对比 -14- 专业模块课程设计说明书 结论 本电路设计主要由I/V转换电路，运算放大电路，相敏检波电路及二阶低通滤波器组成。各分电路均能合理得完成任务，各元器件选择合理。当输入0.00005mA以下的微弱电流是，该微弱电流检测及放大电路能合理得实现检测与放大功能，且输出电压与输入电流成线性变化的关系，比例系数约为35000。在电路设计中发现，不同元器件的选择会有不同的上限电流，比如运算放大电路中电阻的选择会影响放大倍数，从而会影响输入电流的大小。通过本次电路设计，更深刻得理解了测控电路的设计，包括各个电路的作用及工作原理。 参考文献 1. 作者:桂静宜，二阶有源低通滤波电路的设计与分析[D]，黄石理工学院硕士论文，2010. 2. 作者:王卫勋，测试计量技术及仪器[D]，西安理工大学硕士论文，2007 3. 作者:赵元元，微弱电流检测系统的设计与实现[M]，北京报刊发行局，2014 4. 作者:王立婷(光电检测电路的设计及实验研究[D](吉林大学博士论文，2007( 5. 作者:张国雄，测控电路[M]，机械工业出版社，2011. 6. 作者:张小虹，数字信号处理，机械工业出版社，2013 - 15 - 书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔 人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金 人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫 书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫 书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯 书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果