微弱信号调理电路的设计

吕志昂

（山东胜利职业学院 交通工程分院，山东 东营 257000）

信号调理电路广泛应用在工业控制、仪器仪表等对传感器信号进行检测及处理的应用中。它是传感器和A/D转换器等后续装置的接口。它将传感器输出的非常微弱的且受到多种噪声源干扰的低电平信号进行放大、处理、抑制噪声并统一格式，使之成为适合A/D转换器等后续装置要求的信号。对于不同的被测对象，所采用的传感器的种类很多，对信号调理电路提出了不同的要求。结合A/D转换器等后续装置的技术指标设计一个性能良好的信号调理电路已经成为系统设计的关键内容。本文以A1323线性霍尔传感器检测弱磁信号为例，探讨相应的信号调理电路的设计方法。

1 信号调理电路中放大器芯片的选用

运算放大器作为信号调理电路中的重要元件，一直为电路设计工程师所重视。根据传感器的类型、信号调理电路及其不同功能来选择合适的运算放大器，是设计工程师经常面临的问题。在本文中，弱磁信号经高灵敏度且对温度稳定的A1323线性霍尔传感器变换为电信号后，还是非常微弱，只是毫伏级的电压信号。因此，对后续的调理电路提出了具体要求：要具有很好的直流特性，即有较低的温度漂移，较低的输入失调电压和较小的输入偏置电流；要有较高的共模抑制比和较大的增益（几百倍）；要有低功耗和低噪声等。

根据这一要求，在设计中选用AD620型集成运放芯片。AD620具有以下特点[1]：

（1）很好的直流特性。最大输入失调电压为50 μV，最大输入偏置电流仅为2.0 nA，最大温度漂移仅为 1 μV/℃。 供电电源范围为±2.3 V～±18 V，最大供电电流仅为1.3 mA（低功耗）。

（2）很低的噪声。在 1 kHz时，输入电压噪声为9 nV；在0.1 Hz～10 Hz时，输入电压噪声的最大值为0.14 μV，输入电流噪声为 0.1 pA。

（3）较大的增益。AD620的放大倍数可设置为1～1000。

（4）较高的共模抑制比。AD620的共模抑制比可达100 dB。

（5）功耗低、精度高且体积小。以SOIC或DIP封装，价格适中。

AD620的管脚功能如图1所示。其中，1、8脚外接调整电阻；2、3脚外接输入信号的两极（2接信号的负极，3接信号的正极）；4、7脚接外部电源的两极 （4接电源的负极，7接电源的正极）；5脚为参考端，一般情况下与地连接；6脚为放大后信号的输出端。内部电路如图2所示。电路的放大倍数可以由内部增益调节电阻Rg精确调节，当内部增益电阻R1和R2被精确确定为24.7 kΩ时，其放大倍数K的调节公式为[2]：

图1 AD620的管脚示意图

图2 AD620内部方框图

2 信号调理电路中参数的确定

利用AD620所设计的信号调理电路如图3所示。该电路也可称为仪用放大器，其主要功能为：是高精度放大霍尔传感器输出的微弱的信号；具有较高的共模抑制比，抑制共模干扰，提高信噪比；采用滤波方法提高信号质量；采用差动输入以减少零漂[3]。

信号调理电路中的A2是由AD705构成的电压跟随器，作缓冲级，起阻抗变换作用，为后级滤波器高品质的工作提供保证。此外，还起隔离作用，隔离放大器放大过程、电压提升过程中的噪声。A3是由AD705构成的滤波电路，用来保证输出高质量的信号，以满足后续信号采集的要求。该检测过程要求放大电路的放大倍数调节到100倍，由于放大倍数并不是很高，因此，滤波电路A3采用RC滤波。由于采样频率很低，因此，滤波器为低通滤波，低通滤波器的截止频率为10 Hz，低于10 Hz的信号通过。电路选用低温度系数的精密电阻，以获得尽可能低的漂移；R1、R2和 R4、R5的选择应尽可能匹配。采取在电源的引入端采用电源退耦电容，以消除电源所带来的波纹干扰。在信号输入端增加RC滤波器等措施，以增强电路的抗干扰能力。该电路的主要性能指标为：高输入阻抗 （1 012～1 014 kΩ）；高共模抑制比（≈106）；低输入偏置电流（纳安级）；低噪声、低功耗、差分输入、单端输出且工作稳定。

图3 信号调理电路图

在电路中，各元器件的参数确定如下：

（1）取放大器增益为100，则增益调节电阻为：

（2）要求滤波器截止频率为 f=10 Hz，取 C1=C2=C3=0.1 μF，则：

AD620中的5脚在此电路中用于上拉电压，接一块LM336，电路如图3所示。LM336集成电路是精密的2.5 V并联稳压二极管。这种单片基准如低温度系数2.5 V齐纳二极管那样工作。取R3=2.5 kΩ，则此时的5脚被稳定在2.5 V。

3 信号调理电路的特性测试

信号调理电路设计好后，有必要对信号调理电路的特性进行测试，使其静态性能和动态性能都能满足检测需要。下面是对所设计的信号调理电路的增益特性进行测试。测试电路示意图如图4所示。

图4 信号调理电路特性测试示意图

测试所用的UJ33a是直流电位差计，其准确度非常高，可达到0.05%，可以测量微弱的直流电压，经过控件转换，可以测量电阻、电流、电功率和温度等参数。由于UJ33a内部配置不饱和型标准电池和9 V干电池，因此，也可以输出电压信号，作为校验仪表用。UJ33a的性能稳定，温度系数很小，符合本文对信号调理电路特性的要求。

经过理论计算，将信号调理电路的电压放大倍数精确调节为300，由UJ33a直流电位差计给信号调理电路提供-15 mV～+15 mV的标准电压，从标准数字电压表中读出相应的读数。测试结果如表1所示。

表1 信号调理电路特性测试数据表

电压放大倍数的理想值为300，本文用标准差来衡量这组测量数据的精确度。零输入的测量不计在内，6个数的平均值为：

则标准差为：

则电压放大倍数可表示为：

这说明本文所设计的信号调理电路的增益特性精确度能满足检测要求。

[1]乔巍，杜爱玲，陈春，等.高速数据采集系统信号调理电路的设计[J].电子技术，2003（4）.

[2]崔建鹏.现代测试技术测控平台——信号调理综合模块[D].南京：南京航空航天大学，2003.

[3]万升云.磁记忆检测原理及其应用技术的研究[D].武汉：华中科技大学，2006.