低頻微弱信號的模擬預(yù)處理

　引言
　　微弱信號檢測是隨著工程應(yīng)用而不斷發(fā)展的一門學(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(guī)律，研究被測信號的特點與相關(guān)性，采用一系列信號處理的方法，檢測被噪聲背景淹沒的微弱信號。強(qiáng)噪聲背景下微弱信號處理是現(xiàn)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、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(yù)濾波處理則成為了提高其準(zhǔn)確度的關(guān)鍵要素，本文就是基于這樣的思想，利用MAX260設(shè)計出具有良好效果的預(yù)濾波器。
　　模擬信號處理系統(tǒng)
　　假定接收到的信號已經(jīng)通過頻率轉(zhuǎn)換變?yōu)榛鶐盘?。為了防止未知的噪聲信號?a href="http://m.makelele.cn/tags/放大器/" target="_blank">放大器飽和，通常進(jìn)行多級放大。先將輸入的基帶信號通過濾波器提取出我們感興趣的頻段，并抑制一定的噪聲。通過兩級濾波放大，已經(jīng)將隱藏在噪聲中的微弱信號變?yōu)檫m當(dāng)幅度的平穩(wěn)信號，為后續(xù)的A/D變換、LCD顯示等信號處理打下良好的基礎(chǔ)。這個過程就構(gòu)成了信號濾波放大系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示。

　　

　　器件的選擇與應(yīng)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，要求該濾波器具有很低的中心頻率范圍以及陡峭的過渡帶，這就對器件提出了很高的要求。
　　可編程開關(guān)電容濾波器MAX260
　　MAX260是Maxim公司的CMOS雙二階通用開關(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(shù)，無需外圍元件即可構(gòu)成多種帶通、低通、高通、帶阻、全通濾波器，其內(nèi)部含有兩個二階濾波單元，每個單元中心頻率、Q值、濾波器工作模式均可由程序設(shè)置。MAX260具有如下特點：微處理器接口、64步中心頻率控制、128步品質(zhì)因數(shù)控制、獨立的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)編程、保證時鐘頻率f0對比值精度為1%、單+5V或?V電源電壓工作以及0.01Hz到7.5kHz的中心頻率范圍。并且與數(shù)字濾波器相比，處理速度快、整體結(jié)構(gòu)簡單。
　　圖2為一個用MAX260設(shè)計的帶通濾波器。該濾波器由低通濾波器和高通濾波器設(shè)計組成。其參數(shù)信號(CLKA、CLKB、A1~A0、D3~D0、)的輸入均可由CPU控制設(shè)置。將濾波器A設(shè)置為一個切比雪夫低通濾波器，濾波器B設(shè)置為一個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鐘輸入信號，可根據(jù)不同的濾波器參數(shù)設(shè)置不同的頻率，信號引腳控制地址位與數(shù)據(jù)位的更新。具體參數(shù)設(shè)計可以利用Maxim的濾波器設(shè)計軟件，可極大的簡化采用MAX260構(gòu)成多種有源濾波器的設(shè)計過程。
　　高精度斬波穩(wěn)零運算放大器TLC2652
　　斬波穩(wěn)零型運算放大器提供了一種解決微弱信號放大問題的廉價方案。TLC2652和TLC2652A是德州儀器公司的高精度斬波穩(wěn)零運算放大器。在TLC2652中，內(nèi)部時鐘使放大器以450Hz的頻率校零。在8引腳封裝的芯片中，這個頻率是不可調(diào)的。這時，電路中的負(fù)反饋電阻要選的大些，以使箝位發(fā)揮作用時電路的增益下降得更多。當(dāng)然，使用CLAMP引腳后，電路的輸出幅度會略有減小。斬波穩(wěn)零的工作方式使TLC2652具有優(yōu)異的直流特性，失調(diào)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)過兩個放大器放大，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。
　

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　　從理論上講，為了盡量展寬電路的頻帶，斬波頻率fc應(yīng)越高越好，但fc的提高又會造成嚴(yán)重的尖峰效應(yīng)，使斬波器漂移增大，所以通常fc≤0kHz。這就是導(dǎo)致斬波穩(wěn)零運算放大器頻帶窄的原因。TLC2652的過載恢復(fù)時間是比較短的(30ms左右)，如要進(jìn)一步減小恢復(fù)時間，可以使用電路的CLAMP引腳。TLC2652在作直流微信號放大時，為了進(jìn)一步減小交流干擾，可以在輸出端加接一個低通濾波器，以濾除輸出電壓中的交流分量，使輸出電平更加穩(wěn)定。圖3為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0.1F至1F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(wěn)零運算放大器中把記憶電容接至VDD-引腳會增加噪聲，而TLC2652則沒有這種問題。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，需要注意兩個方面：一是負(fù)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(jié)語
　　強(qiáng)雜波背景下低頻微弱信號處理是信號處理領(lǐng)域的難點同時也是熱點。在處理完模擬預(yù)濾波后還需要注意在進(jìn)行后續(xù)處理(如進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換)時，放大器采用直接耦合方式，加隔直電容會衰減有用的極低頻率成分。實驗結(jié)果表明可編程開關(guān)電容濾波器MAX260以及高精度斬波穩(wěn)零運算放大器TLC2652可以很好的實現(xiàn)低頻微弱信號的濾波放大處理。低頻微弱信號的模擬預(yù)處理在信號處理過程中起到了非常重要的作用，各種性能優(yōu)良的測量儀器不斷推出，大大提高了微弱信號檢測的精度