MCF51QE128的微弱信号检测技术研究

王振宇，王萍

（天津工业大学电气工程与自动化学院，天津300387）

引 言

通常，数据采集系统的采样对象都为大信号，即有用信号幅值大于噪声信号。但在一些特殊的场合，采集的信号很微弱，并且淹没在大量的随机噪声中。此种情况下，一般的采集系统和测量方法无法检测该信号。本采集系统硬件电路针对微弱小信号，优化设计前端调理电路，利用测量放大器有效抑制共模信号（包括直流信号和交流信号），保证采集数据的精度要求。

微弱信号检测技术就是研究噪声与信号的不同特性，根据噪声与信号的这些特性，拟定检测方法，达到从噪声中检测信号的目的。微弱信号检测的关键在于抑制噪声，恢复、增强和提取有用信号，即提高其信噪改善比（SNIR）。信噪改善比（SNIR）定义为：

即输出端的信噪比（SNR）o与输入端的信噪比（SNR）i之比。SNIR 越大，表示处理噪声的能力越强，检测的水平越高。

1 系统硬件设计

整个数据采集系统硬件电路包括前端调理电路和数据采集电路两大部分。前端调理电路主要功能是消除共模干扰，对微弱小信号进行放大、滤除、差分输出，经双绞线传输至数据采集电路。数据采集电路完成数据采集以及积累平均算法。

1.1 前端调理电路设计

前端调理电路由测量放大器、贝塞尓低通滤波器、差分输出放大器构成，如图1所示。

图1 调理电路设计框架图

数据采集系统中，若待测信号为很微弱的小信号，需要用放大器加以放大。通用运算放大器不能直接放大微弱信号，必须用测量放大器。测量放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，在检测微弱信号的系统中经常作为前置放大器。

为提高共模抑制比，测量放大器采用对称结构如图2所示。对于直流共模信号流过电阻的电流为零。当R3＝R4＝R5＝R6时，共模电压输出为零。而对交流共模信号，由于传输线存在线阻RI1、RI2和分布电容C1、C2，RI1C1和RI2C2分别对地构成回路，但当RI1C1≠RI2C2时，交流共模信号在运放的输入端产生分压，其电压分别为Vi1和Vi2，且Vi1≠Vi2，电阻RG有交流共模电流流过，从而产生交流共模干扰。交流共模电压混合于待测信号，影响数据采集的精度。为抑制交流共模信号干扰，在输入端加入保护电路（图中虚线框部分），将信号线屏蔽，当R1＝R2时，由于屏蔽层和信号线对交流共模信号等电位，则C1和C2的分压作用不存在，从而降低交流共模信号的影响。

图2 测量放大器电路

1.2 数据采集系统设计

基于单片机内部SAR 型ADC 的采集设计采用了Freescale公司的32 位单片机MCF51QE128。该芯片为高性价比、低功耗的32位微处理器，采用ColdFire V1内核，它与同系列8位微处理器MC9S08QE128兼容，能够实现8位到32位的快速升级。

该单片机具有高速总线频率、ADC模块，以及PWM、SPI、SCI等模块，具有超低功耗的特性，这完全符合数据采集所需的条件。基于单片机内部SAR 型ADC 的微弱信号检测总体框架如图3所示。

图3 基于单片机内部ADC的信号检测总体框架

2 系统软件设计

ADC普遍应用于现代信号检测，ADC 的转换精度决定了数字处理精度。由于器件本身的特性，转换过程中会引入噪声，而噪声的大小，自然影响转换结果，从而影响系统测量精度。因此，ADC 的性能是决定数字设备测量精度的重要因素。在A／D 转换前，输入到A／D 转换器的输入信号必须转换成电压信号。

现有的ADC主要包括以下几种类型：积分型、并行比较型、逐次逼近比较型、流水线型以及Σ-Δ 型。ADC 性能主要由以下参数反映：分辨率、转换速度和信噪比等。

当A／D采集完全部的数据后，利用单片机的SCI模块，设计串口通信电路，与上位机进行串口通信。并通过串口转USB模块传输到上位机进行MATLAB采样数据处理。数据采集系统的软件流程图如图4所示。

图4 基于Σ-Δ型AD7760的采样的总体流程图

3 MATLAB采样数据分析

基于AD7760的A／D 数据采集，下位机和上位机的数据传输，对以下采集的数据进行分析。

如图5所示，当输入端短接时，采到的是系统噪声，它采集的幅值是杂乱的，峰-峰值为2μV，产生噪声的原因大致可以归纳为如下几点：

①整个电源模块的布局都有可能产生电压源和电流源噪声。

②对于高输入阻抗的差分放大电路，尽管通过对不同类型的运算放大器的失真度、信噪比以及稳定增益等性能有了对比，但由运算放大器带来的噪声是没法避免的，噪声的产生有可能是其反馈环路中使用的元件。噪声也可能从附近（或较远的地方）的噪声源耦合或感应至输入、输出、地回路或测量电路中。

③由于外部环境、人为接触等产生的噪声。

本次采集输入的是1mV、10Hz的正弦波，横坐标表示采集点数，纵坐标表示电压峰值。但是从图中可以看出，采集的波形不是标准正弦波，原因是：

①输入微弱信号不稳定，经过差分放大以后，都会将电路内部本身噪声也放大，出现很多的噪声点。

图5 输入端短路

②微弱信号与噪声叠加以后，使得采集的电压幅值增大。通过以下公式对电压峰-峰值进行转换：V1＝X×3.275／24。

如图6所示，当采集点数为640时，峰峰值为61 000，通过上述公式转换可知实际检测电压值为0.011 3V，即为1.13mV；当采集点数为641时，对应值为62 000，经过转换实际检测电压值为0.012V，即为1.2mV；当采集点数为645时，对应值为55 000，经过转换可知时间电压值为0.010 7V，即为1.07mV。

图6 输入为1mV、10Hz的正弦波

通过以上数据分析，对于微弱信号的检测，实际测量值与理想测量值基本对应，达到了本设计所需要的检测效果。

结 语

本文介绍基于MCF51QE128芯片，利用取样累加平均的方法检测噪声覆盖的微弱信号的数据采集系统。系统通过噪声在微弱信号中的影响，选取了性能优异的运算放大器。针对微弱信号的检测，通过对放大器以及元器件的布局和噪声影响设计了前端调理电路和放大电路，在硬件上实现了对微弱信号的放大检测方法，并通过系统软件的设计以及MATLAB仿真实验，验证微弱信号检测设计的可行性。但本文测量的微弱信号也只为模拟弱信号，而不是实际应用中的，所以对实际应用中不同的微弱信号检测平台的设计还需要进一步探讨研究。

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