微弱信号检测的前置放大电路设计研究

王兴东

快意电梯股份有限公司广东东莞523000

摘要：当前在现代农业生产发展中，检测微弱信号越来越受到高度重视，尤其是在精准农业产业发展过程中。本文以电压电流转换设施为载体，对微弱信号检测前置放大电路设计的相关技术要求进行了阐述，并且通过具有远程集成控制的电路器件的选用和抗噪影响的技术改进，对在电路设计中应当注意的一些技术要点进行了分析，而且经过微弱信号检测，结果比较安全科学。

关键词：微弱信号；检测前置；放大电路；设计分析

一.前言

近年来，随着现代农业的不断发展，通过在安全、高效的时限内采集收取农田生态条件和农作物生产资料，并且实现肥料、水分、农药等精准作业，有效地防范和杜绝生态破坏、环境污染问题，实现农业生产经营经济、社会、生态效益最大化的精准农业，得到了前所未有的健康发展。生物传感设施在上述信息资料的采集取得中具有很大的作用，比如，在精准农业种植物施水灌溉过程中需要充分考虑空气指数和土壤中水分的含量，利用传感设施对这些信号的变化情况进行检测，及能够实现精准农业灌溉的良好效果。所以近年来很多生物传感设施在精准农业中的生态条件、农作物生长环节等信息采集检测上得到了很好的应用。不过由于一些农作物自身具有的生理属性，存在着一定程度的微弱信号，很多电流和电压信息都无法满足级次需求，因此，便设计了前置放大电路，通过这种选系统结构来检测微弱信号的相关信息。笔者试就微弱信号检测的前置放大电路设计中应当把握的技术要点，谈些粗浅的认识。

二.微弱信号检测前置放大电路设计中应当把握的技术要点

2．1前置放大电路系统结构

一般来说，微弱信号是生物传感设施形成的信号，通常频率不是很高，在对具有一定差异性的农作物自身属性进行检测的时候，能够获取一定的电流和电压数值。而要获取这样的电流信号资料，需要先将其转换生成电压信号，并且利用电路系统的放大功效，在滤波设施的作用下，降低频率较高的噪音影响（如图1）。

（图1微弱信号检测前置放大电路系统结构示意图）

由于传感设施形成的信号是微弱的，很可能遭受噪音的干扰，因而在放大仪器的选用上通常倾向于仪表设施。这种放大仪器具有差分类型的内部构造，能够有效地防范噪音的干扰，并且在输入阻抗上很高，在输出阻抗上又很低，在微弱信号放大设计中特别适宜。同时，考虑到电压在频率比较高的波段能够尽快降低，增强低通滤波设施减少噪音的性能，滤波设施往往使用的是二阶类型的（如图2）。而且，生物传感设施形成的信号一般在动态的范畴区间，实现数量级次的变化，在图2中R2是能够变化的电阻，由于电阻系数的变化，能够稳定地增加放大系数，所以在很多微弱信号检测中都能够应用。

（图2微弱信号检测前置放大电路工作原理示意图）

2．2防范噪音的技术处理

检测微弱信号的时候，对噪音进行防范很关键。这是因为这种微弱信号极易被噪音影响，这些噪音一般涵盖了自然生态、电路部件、电源频率等很多环节，所以在防范噪音的时候一般年要把握好以下几种情况。

一是科学选用电路部件。检测微弱信号，通常要考虑尽量降低放大设施扰动电路系统的情况，所以在芯片的选用上要尽量与理论上需求的运算设施相符。在技术参数上需要的电流、电压和零漂都不能太大，但是在输入电阻的数值以及控制共模的比例上又不能太低。尤其是在进行电路集成设计的时候，通常需要严格的电压和电流转换级次。当前在运算放大设施的选用上，比较常见的是LF351、LMC6482以及AD8571等型号。在设计仪表放大级次的时候，一般是按照程控的几何递增系统进行，使用开关设施对电阻的数值进行调节，以实现放大的倍数变化。同时，考虑到阻隔数字结构和模拟结构的电路系统，在开关设施的使用上最好是光偶类型的。同时，基于仪表放大设施能力的充分展示，该仪器一般使用带有集成功能的。目前INA127等型号的比较常见，因为其具有非常适宜的对称特点，内部结构上又兼具了集成功效，只要对外部通联的电阻系数适当变化，就能够实现放大的效果。另外，以前也比较广泛的使用PGA202类型，该仪器对放大作用非常明显，而且由于具有程控功能，在电路系统设计上无须过于复杂。只不过这种型号的仪器应该配置差分输入级次，在防范共模的性能上有所下降。所以，后来就研发了一种新的芯片设施，将上述两个类型的芯片优势兼而有之，目前在微弱信号检测的前置放大电路进行设计的时候，应用的非常普遍。

二是有效阻隔噪音影响。在电路系统运行的时候，频率噪音通常干扰比较大，并且经常经由电源向电路中传输。所以，目前在设计电路系统的时候，一般将旁路的电容设施配置到电源连接的地方，以阻隔噪音的干扰。另外，对于50赫兹以上的频率影响，一般使用模数转换设施的比较常见。同时，在进行数字结构和模拟类型的电路设计的时候，一般要与地面分别连接，并且模拟类型的电路与地面连接的部位通常不设计太多，以减少噪音的干扰。

2．3微弱信号检测的前置放大电路设计技术

根据微弱信号检测的实际情况，并且按照当前市面中芯片的生产现状，笔者在设计微弱信号检测的前置放大电路系统的时候，主要以PGA202型号的放大设施来分析。

2．3．1PGA202放大设施概述

本文使用的PGA202，具有集成的程控功能，对电路可以实现增益作用。因为不用考虑增益的问题，所以采用这种型号的放大设施，在设计电路系统的时候不是很复杂，但是放大的功效却非常高效精准，给后期信息资料的采集利用增加了便利（如图3）。

（图3PGA202放大设施系统结构示意图）

基于上图，A0与A1是检测信号接入端子，对逻辑上的电路系统进行程控，二者数值的变化就能够使得放大设施实现几何倍数的增长。

2．3．2设计滤波设施的技术要点

考虑到滤波设施对于噪音的防范和抑制，本文以二阶低通型号的设施进行设计，设计的时候在电容和电阻的使用上也是相同类型，并且在计算频率截至系数的时候，使用了下面的公式：

因为生物传感设施一般采集的是频率比较低的信号，所以在设计滤波设施频率的时候也不是很高，电阻是100千欧的数值，电容是33纳法，频率是48赫兹。

2．3．3设计前置放大电路的技术要点

考虑到差分级次的均衡问题，以及零漂、电流、电压的适合数值，在芯片的选择上注意了使用能力的情况，并且增设了OPA2277放大设施。转换电流、电压级次的时候，使用的是具有良好的建成运算能力的AD8571设施，其在电流上是20到70帕安，电压是1微伏，共模的控制比值是120到140分贝，在级次转换生成以及运算放大上非常符合。同时，在进行电路设计的时候，也想到了噪音的阻隔问题，在连接芯片的电源部位将0.1微法的旁路电容进行了并联，以降低噪音干扰电路系统的情况。并且，在接地设计的时候，采用了画圈的方式，电路接入的端口正好接到了圈内，以次来减少噪音影响信号输入的问题，增加防范噪音的良好效果（如图4）。

（图4PGA202设施进行微弱信号检测前置放大电路系统示意图）

三.结束语

笔者在对微弱信号检测的前置放大电路设计进行分析研究过程中，主要是基于精准农业生产发展环节的生物传感设施。通过对噪音防范和控制的系统阐述，以及程控增益放大设施的设计应用，从多次试验检测的数据结果来看，效果非常明显，可以在微弱信号检测前置放大电路设计的时候使用。

参考文献：

[1]张石锐、郑文刚、黄丹枫、赵春江.微弱信号检测的前置放大电路设计[J].微计算机信息.2009（23）.

[2]李远明、陈文涛.微弱光信号前置放大电路设计[J].电子元器件应用.2007（8）.

[3]肖雪芳、雷国伟.微变光信号检测前置放大电路设计[J].厦门理工学院学报.2009（3）.