微弱信号检测的前置放大电路设计

匿亘垂塑塑墅墅翌旦圈 电子设计 文章编号：1008-0570(2009)08-2-0223-02 微弱信号检测的前置放大电路设计 Thedesignofpreamplifiercircuitbasedonweaksig’naldetection (1．上海交通大学；2．国家农业信息化T程技术研究中心)张石锐l，2郑文刚2黄丹枫l赵春江2 ZHANGShi—miZHENGWen-gangHUANGDan-fengZHAOChun-jiang 摘要：针对精准农业中对微弱信号检测的技术需求．论文设计了以电流电压转换器，仪放大器和低通滤波器为主要结构的 微弱信号检测前置放大电路。结合微弱信号的特点讨论了电路中噪声的抑制和隔离．提出了电路元件的选择方法与电路设 计中降低噪声干扰的注意事项。本文利用集成程控增益仪表放大器PGA202设计了微弱信号检测前置放大电路，并利用微 弱低额信号进行了测试，得到了理想的效果。 关键词：精准农业；微弱信号检测；仪表放大器；前置放大电路 中图分类号：TN721．5 文献标识码：A Abstract：Combinedwiththedemandofthedetectionofweaksignalinprecisionagriculture．thearticleintroducedthecircuitprinci． pieofdeigningpreamplifiercircuitwhitl／VConversionlevel，instrumentationamplifierlevelandlow-passfilterlevel．Atthesame timethearticlediscussedthecircuit'snoisesuppressionandisolationaccordingtothecharacteristicsoftheweaksignal，andgave themethodofchoosingelementsandnoisereduction．Finally，gavethedesignoftheweaksignaldetectionpre-amplifierusingthe program-controlledintegratedinstrumentationamplifierPGA202． Keywords：precisionagriculture；weaksignaldetection；instrumentationamplifier；preamplifier 1引言- 精准农业主要是依据实时获取的农田环境和农作物信息， 对农作物进行精确的灌溉、施肥、喷药，最大限度地提高水、肥和 药的利用效率，减少环境污染，获得最佳的经济效益和生态效 益。农田环境和农作物信息的准确获取取决于可靠的生物传感 技术。如常规精准灌溉主要关注空气的温度、湿度和土壤的含 水量，利用这些参数的变化控制对农作物的灌溉．而作物自身产 生的一些信号能够更准确的反映其自身的生理状况。通过检测 这些信号控制灌溉可以使灌溉更精确。目前精准灌溉技术正朝 着以环境信息和农作物生理信息相结合为控制依据的方向发 展，为此各种生物传感器如植物电信号传感器、植物茎流传感器 等应运而生。但一般作物自身生理状况产生的信号极其微弱，往 往电流信号只能达到纳安级，电压信号也只能达到微伏级。为有 效的利用这些信号，应首先对其进行调理，本文根据植物生理信 号的特点设计了适合此类微弱信号检测的前置放大电路。 2电路基本结构 生物传感器所产生的信号一般为频率较低的微弱信号。检 测不同的植物生理参数，可能得到电压或电流信号。对于电流信 号，应首先把电流信号转换成为电压信号，通过放大电路的放大。 张石锐：硕士研究生 基金项目：北京市科技攻关项目；项目名称：农业节水 灌溉监测与控制设备研制与开发(D0706007040191)；国 家“十一五”科技支撑计划；项目名称：农产品流通过程 信息化关键技术与系统研发(2006BADl0A04)；国家 。十一五”科技支撑计划；项目名称：灌区地下水开发利 用关键技术(2006BABI1805) 最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。微弱信号 检测前置放大电路的整体结构如图1。 模 数 簇 图1微弱信号检测前置放大电路的整体结构 考虑到传感器产生的信号非常微弱．很容易受到噪声的污 染．所以放大电路选择仪表放大器结构。仪表放大器拥有差分式 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。另外为了使输 出电压在高频段以更快的速度下降．提高低通滤波器滤除噪声 的能力．这里选择了二阶低通滤波器。微弱信号检测前置放大电 路原理图如图2。生物传感器产生的生物信号通常具有很大的 动态范围，达到几个数量级，原理图中R2为可变电阻，通过改变 R2的阻值，可以改变仪表放大器的放大倍数，从而适应放大不 同大小的微弱信号。 I／v转换 仪表放大器 低通滤波器 图2微弱信号检测前置放大电路原理图 Bl§tem邮局订阅号：82—946360,,L／--‘F一223— 万方数据 电子设计 《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第25卷第8—2期 3噪声的抑制和屏蔽 在微弱信号检测的过程中，噪声的抑制和屏蔽至关重要．由 于信号微弱，很容易受到噪声污染，这些噪声主要由环境噪声、 电路元器件自身产生的噪声和电源的工频噪声组成。因此在噪 声的抑制和屏蔽上要综合考虑这几方面的因素。 3．1元器件的选择 在进行微弱信号检测过程中。为了减少集成运算放大器对 电路的干扰．应选择接近理想运算放大器的芯片。主要参数的要 求是具有较小的输入偏执电流、输入偏执电压和零漂．具有较大 的共模抑制比和输入电阻。特别是电流电压转换级对集成运放 的要求较高，一般需要运放的输入偏执电流在pA级。目前市面 上有很多满足条件的集成运算放大器。如AD8571、LMC6482、 LF351和OPA2703等。 电路中的仪表放大级通常设计为程控放大倍数的结构。通 过程控开关调整反馈电阻的大小。从而改变放大倍数。为了对数 字电路和模拟电路进行隔离，程控开关应选用光偶开关。为了提 高仪表放大器的性能．可以选用集成仪表放大器。很多公司提供 了不同类型的集成仪表放大器，如INAl27．它内部集成了仪表 放大器的主要结构，有很好的对称性，可通过改变外接电阻的大 小改变放大倍数。PGA202是一款可程控放大倍数的仪用放大 器，应用它可以简化电路结构，但PGA202需要搭建差分输入级． 这样就降低了共模抑制能力。2007年末ADI公司推出的 AD8253芯片集以上两种芯片的优点于一身．不但集成了完整的 仪表放大电路，还集成了程控放大倍数的逻辑电路．是微弱信号 检测前置放大电路的理想选择。 3．21=频噪声和环境噪声的隔离 工频噪声是影响电路的主要噪声．通常可通过电路的电源 传递到电路中。为了减少这种影响．在电路设计时应在连接电源 处增加旁路电容，隔离电源的交流噪声。除了这些措施外。为了 滤除50Hz的工频干扰，还可以在模数转换时采用具有50Hz陷 波的模数转换器。另外，数字电路部分与模拟电路部分分别接 地，尽量减少模拟电路的接地点同时采用画圈接地的方法都可 以有效的隔离噪声。 4电路的设计与实现 ^o^1故一麓琏瞒 图3PGA202的内部结构 综合考虑微弱信号检测的需要和市场上芯片的供应情况， 本文选用PGA202搭建仪表放大器，对微弱信号检测前置放大 电路进行了整体设计。 4．1PGA202简介 这里所选用的PGA202是由BURR—BROWN公司生产的． PGA202是一种程控仪表放大器，它内部集成．r程控的增益改 变逻辑电路。由于省去了增益控制部分，利用PGA202搭建仪表 放大器可以使电路结构得到很大的简化，并且它的放大倍数稳定 精确，为后续的数据处理提供了方便。PGA202的内部结构如图3。 在图3中可以看到，A0和A，为数字程控信号的输入端控 制PGA202中集成的前置逻辑电路，通过改变‰、A。的值可以 使仪表运算放大器的倍数在1、10、100和1000之间改变。 4．2滤波器的设计 为了加强滤波器滤除噪声的能力．笔者采用了二阶低通滤 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。滤 波器的截止频率可通过公式‰=2矾=去来进行计算，由于生 物传感器的信号多为低频信号，因此可以将低通滤波器的截止 频率设计的低一些。在笔者所设计的电路中，电阻值100kfl，电 容值33nF。截止频率为48Hz。 4．3电路设计 为了提高仪表放大器差分输入级的对称性同时满足零漂、 输入偏执电流、输入偏执电压等参数的需求．选用了性能参数较 好并且同一芯片中含有两个运算放大器的OPA2277作为仪表 放大器的差分输入级。在电压电流转换级采用了性能参数更为 理想的集成运放AD8571．AD8571的输入偏执电流为20-70pA， 输入偏执电压为luV。共模抑制比达到120-140dB，可以满足I，v 转换输入级对运放性能的要求。在实际的电路设计中还考虑了 噪声的隔离．为减少电源的工频噪声对电路的影响，芯片连接电 源处分别并联了0．1uF的旁路电容。另外为降低环境噪声对输 入信号的污染，将电路的输入点放在了画圈接地的圈中，利用接 地圈对环境噪声起到屏蔽作用。整体电路的设计如图4所示。 图4应用PGA202的微弱信号检测前置放大电路设计 4．4电路的测试 表1电路测试结果 ^^． 信号赞生嚣产 输入信 输出信 放大 ^^o信号发叶‘嚣产 输入信 输出信 放大 生信号振幅 弓振幅 号振幅 倍数 生信号振幅 号振幅 号振幅 倍数 (mV) (uV)(v) (10’ (Ⅲv) (uV) (V) (Io’ ll 5 998 216 2．164 10 50 998 2 15 2．154 75 1497 3 23 2．157 75 1497 3．25 2 17l 10 1996 屯34 2．174 100 1996 4 31 2 159 15 29 94 644 2150 50 2994 648 2 164 放大倍数均值：216l×104增益蜓筹。0鼹放大倍数均值：2 162)(103增益误并：05聃 本文按照图4制作了电路板。选择RO的大小为lkO，对电 路的性能进行了测试。测试过程采用'ITG2300数字合成信号发 生器产生20H正弦信号。通过串联500kn高精度电阻分压后 接人电路。设信号发生器产生信号的振幅为A’仪表放大器的输 入信号的振幅可以通过公式4-。菇荸鬲异。计算。采用TDSl002 数字示波器观察到电路输出了较平滑的正弦波形。表1中给出 了A1、氐分别为11、10时电路的测试数据。通过表1可以看出 放大器的放大倍数稳定增益误差较小。 吓转第188页) 一224—360元，年邮局订阅号：82—946 万方数据 机器人技术 <微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第25卷第8．2期 苎!鼍詈!!!!曼I曼鼍!!!曼!!皇!!!!!!!鼍!苎!!!!!!曼曼!!!!!!!!!!!!!!!!!!!詈詈!!竺!!!!!!!!!詈!!曼!!!!!竺!詈!!!!!!!詈曼!!!!苎 信息，通过对信息的分析，选择控制方式做出相应的动作。如图 jing，ResearchdirectionforartificialneuralnetworksandRobot (4)所示，可以方便地设定机器人的平移速度和旋转速度，实时地 appliedtechnology． 控制机器人前行、后退、左转和右转以及停止。(210009南京南京工业大学信息科学与学院)童贤慧孙双 (CollegeofInformationScienceandEngineering，NanjingU- niversityofTechnologyNanjingJiangsu210009，China) TONGXian-huiSUNShuang 通讯地址：(210009南京江苏省南京市新模范马路5号南京工 业大学丁家桥校区214信箱)童贤慧 f收稿日期：2009．07．05)f修稿日期：2009．08．05) 图4移动机器人远程控制界面 在实验中利用本文提出的多种传感器日标识别的融合结 构建立了两个多层BP处理网络，处理CCD摄像头和超声波测 距传感器的信号、红外传感器和超声波测距传感器的信号。通 过实验表明：基于DSP技术的野外探索机器人整个控制系统达 到了预期的效果。控制系统可以实时，准确的实现预期的各项要 求。从实验结果分析和比较可以证明基于神经网络集成的多传 感器融合信号识别具有很高的健壮性．识别能力强．这样给机器 人对陌生环境的辨识和决策提供了更有力的科学依据。 5结束语 整个设计过程中系统采用了嵌入式的研究方法来构建系 统的软硬件平台。程序经仿真调试后编泽烧入DSP中。运行测试 结果证明，本系统工作安全可靠、数据收发正确，完伞可以作为 移动机器人的载体。该智能控制系统不仅满足了移动机器人控 制系统的要求．同时也为机器人的转型应用提供了良好的技术 支持。在此基础上．可以加入各种先进的控制算法来实现移动式 机器人的进一步智能化。 本文作者创新点：对于多传感器的信息融合采用了基于神 经网络的融合算法，很好的解决了机器人在野外复杂环境下如 何准确及时地完成复杂任务的问同时融入无线通信技术，极 大提高了系统的实时性和可靠性。 参考文献≮ f11田泽．嵌入式系统开发与应用教程【M】．北京航空航天大学出 版社，2005，3． f21朱若寒，孙易冰．基于DSP信号采集系统设计与实现叨．微计 算机信息．2008．6—2：197—201 【31伍锦晖，谢存禧．基于DSP的机器人双目视觉平台设计【J】．机 器人技术．2005．2：249—250 【4】宋捧，郭：j申，邢国芬．基于神经网络集成、多传感器融合的机 器人对障碍物的识别『J1．机电产品歼发与创新。2006，19：32—34． 作者简介：重贤慧，男，汉族，1984年3月生，江苏连云港人，南京 工业大学信息科学与工程学院计算机应用专业硕士研究生，研 究方向为人]：神经网络，机器人应用技术；孙双，男，汉族，1983年 11月生，江苏盐城人，南京师范大学数学与计算机科学学院计算 机应用技术专业硕士研究生，研究方向嵌入式应用技术。 Biography：TONGXian-hui，Male，HanNationality，1984．03， JiangsuLiafllyungang，CollegeofInformationScienceandEngi- neeringgraduatestudent，NanjingUniversityofTechnologyNan— CE凄第224页) 5结论 本文中所讨论的微弱信号检测前置放大电路适用于精准 农业中的生物传感器。运用本文所阐述的降噪方法，有效的抑制 和屏蔽了可能埘电路造成影响的各种噪声。如环境噪声、工频噪 声等。通过利用微弱低频信号对以程控增益集成仪表放大器 PGA202为核心的微弱信号检测前置放大电路进行测试，得到 了较为理想的结果。说明该电路可以在微弱信号的检测过程中 得到应用。 本文创新点：本文针对精准农业中对微弱信号检测的需求， 结合屏蔽和抑制噪声的措施，利用PGA202设计了完整的微弱 信号检测前置放大电路。 参考文献 f11汪懋华“精细农业”发展与工程技术创新【J】农业工程学报 1999．31-8 ‘’ f21王风花，张淑娟精细农业田问信息采集关键技术的研究进展 『J1农业机械学报2008．5112—121 『31李远明，陈文涛微弱光信号前置放大电路设计阴设计参考 2007．85l-53 『41孙成正，尹文庆，赵建平，李亮植物电信号前置放大电路的 设计与仿真fJl电子测量技术2007．7168—17l 『51戴彬，陈迪平，刘文用一种新型超宽带CMOS低噪声放大器设 计fJ】微计算机信息200710—2236—238 『61王云景程控仪表放大器PGA202／203的原理与应用【J】国外 电子元器件1999．1029—30 f71秦金华，刘小方，高成强。宋海荣基于AD603的超声微弱信号 检测研究fJl自动测量与控制2007．1168—69 『81康华光电子技术基础模拟部分(第四版)fM】高等教育出版社 十 一 一 1999盔 作者简介：张石锐(1985—1男内蒙古赤峰市硕士研究生。 Biography：ZHANGShi—nIi(1985一)，male，InnerMongolia， ShanghaiJiaoTongUniversity，Masterstudent． (200240上海市上海交通大学农业与生物学院)张石锐黄丹枫 000097北京市国家农业信息化工程技术研究中心)张石锐 郑文刚赵春江 (schoolofAgricultureandBiology，ShanghaiJiaoTongUni· versity，Shanghai，200240，China)ZHANGShi-rui HUANGDan-feng (NationalEngineeringResearchCenterforInformationTech- nologyinAgriculture,Beijing,100097,China)ZHANGShi-rui ZHENGWen-gangZHAoChun-jiang 通讯地址：(100097北京国家农业信息化工程技术研究中心水 利自动化部1郑文刚 f收稿日期：2009．07．05)(修稿13期：2009．08．05) 一188—360元／年邮局订阅号：82-946 万方数据 微弱信号检测的前置放大电路设计 作者： 张石锐， 郑文刚， 黄丹枫， 赵春江， ZHANG Shi-rui， ZHENG wen-gang， HUANG Dan- feng， ZHAO Chun-jiang 作者单位： 张石锐,ZHANG Shi-rui(200240,上海市,上海交通大学农业与生物学院;100097,北京市,国家 农业信息化工程技术研究中心)， 郑文刚,赵春江,ZHENG wen-gang,ZHAO Chun-jiang(国家 农业信息化工程技术研究中心,北京市,100097)， 黄丹枫,HUANG Dan-feng(上海交通大学农 业与生物学院,上海市,200240) 刊名： 微计算机信息 英文刊名： CONTROL & AUTOMATION 年，卷(期)： 2009，25(23) 被引用次数： 0次 参考文献(8条) 1.汪懋华 "精细农业"发展与工程技术创新[期刊论文]-农业工程学报 1999 2.王凤花.张淑娟 精细农业田间信息采集关键技术的研究进展[期刊论文]-农业机械学报 2008(05) 3.李远明.陈文涛 微弱光信号前置放大电路设计[期刊论文]-设计参考 2007(08) 4.孙成正.尹文庆.赵建平.李亮 植物电信号前置放大电路的设计与仿真[期刊论文]-电子测量技术 2007(07) 5.戴彬.陈迪平.刘文 用一种新犁超宽带CMOS低噪声放大器设计[期刊论文]-微计算机信息 2007 6.王云景 程控仪表放大器PGA202/203的原理与应用 1999(10) 7.秦金华.刘小方.高成强.宋海荣 基于AD603的超声微弱信号检测研究[期刊论文]-自动测量与控制 2007 8.康华光 电子技术基础模拟部分 1999 相似文献(1条) 1.学位论文 陈俊刚 基于近红外技术的土壤成分含量检测系统的研究 2006 精准施肥作为现代精准农业的一个重要组成部分，要求能根据不同地区、不同土壤类型以及土壤中各种养分的盈亏情况和作物类别，将氮、磷、钾 和多种可促进作物生长的微量元素与有机肥加以科学配方，从而做到有目的地科学施肥。而精确施肥的前提是对土壤成分含量的准确测定。 土壤的常规分析在化学实验室进行，分析周期长、成本高，并且很多分析仪器由于体积大而不便移动。近红外光谱技术具有多组分同时分析、分析 速度快和无需化学处理等突出特点，可以实现土壤成分含量的快速测量。本文设计了一种基于近红外技术的土壤成分快速检测系统，以实现土壤中全氮 和有机质含量的田间快速准确的测量。 研究内容主要包括： (1)研究采用近红外光谱技术实现土壤成分含量田间快速测量的可行性。 (2)在实验的基础上，建立近红外光谱预测土壤中有机质和全氮含量的校正模型，用此模型实现近红外光谱技术测量土壤中有机质和全氮的含量。 (3)对土壤成分含量检测系统进行硬件设计。硬件设计包括光路与电路两部分。系统的光路采用光栅分光的单光路结构，系统的电路通过微弱信号检 测技术实现光谱数据的采集。 (4)对检测系统进行整体的软件设计。其中包括对系统零点校正、步进电机的驱动、数据采集、数据的平滑和导数处理等。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wjsjxx200923091.aspx 授权使用：华南理工大学(hnlgdx)，授权号：1a5afb5a-fd05-43fb-8ecc-9daf016975f7 下载时间：2010年7月10日