一种低频信号改善电路的设计与验证 ①

赵子正，王 鹢1,2，苗育君，赵 伟

(1.空间环境材料行为及评价技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150000；2.兰州空间技术物理研究所，兰州 730000)

0 引言

近年来，各种新式的传感器被设计制作出来并应用到各个领域中，然而其中某些传感器由于物理特性的限制导致其低频段信号幅度相比较于其他频段的信号幅度低，并且容易被热噪声、1/f噪声、工频噪声、宇宙噪声等所干扰，使得信号埋没于噪声中，影响传感器的性能，进而使得传感器在使用领域中受到了限制。因此需要对这种情况下的低频信号进行改善，使其与全频段信号的幅度相当[1]。

例如MHD角速率传感器，该传感器是以磁流体动力学(Magnetohydrodynamics)为原理制成的角传感器，其角速率精度可达10 ，带宽达1kHz[2,3]，具有可靠性高、寿命长、低成本、小体积、结构简单、无机械饱和的优点。但是也具有明显的缺点，由于该传感器自身物理特性及所带变压器的影响，导致在10Hz以下的频段中，性能表现不佳，影响其在某些特定场合应用的表现，如图1 所示。

低频性能差会影响MHD角速率传感器在实际应用中的表现。当传感器在工作过程中，发生低频角振动时，由于低频性能有限，低频角振动信号幅度低，误差大，容易被噪声掩盖，造成无法准确测量，将会严重影响角速率传感器的应用范围[4,5]。

图1 MHD400-H原理样机幅频特性曲线

本文设计了一种低频信号改善电路，以510所MHD角速率传感器国产原理样机作为实验对象，验证该低频信号改善电路的改善效果。

1 低频信号改善电路的设计

针对低频信号衰减，本文设计了可以改善低频信号的电路，相较于MHD角速率传感器原理样机现有的信号调理电路(如图2所示)，该电路增加了处理10Hz以下频段低频信号的支路，如下图3所示。

图2 传统传感器信号调理电路

图3 本文所设计的低频信号改善电路

由于该传感器物理部分输出的电压信号很微弱，只有±2×10-7V至±2×10-2V，为了使信号经处理后幅值可以满足后续计算机处理的要求，需要输出信号在经过整个信号调理电路后达到 mV至 V。本文以510所原理样机MHD400-H-1为例,输入角速率信号10°/s，其在经过变压器的放大后，按照设计要求，信号仍需放大约600倍，而考虑到增益带宽积的限制，以及便于两支路信号幅值的调整，将信号放大器分为两级，并且第二级的放大电路分别位于两支路。

在低频信号的支路中，首先利用滤波器将所需要的频段筛选出来，并滤去高频噪声。在将信号筛选出来后，进行二级放大，使信号幅值达到要求。然而在筛选出来的信号中，也伴随有热噪声与1/f噪声，为了避免噪声给信号带来的影响，利用调制与解调电路对信号进行处理，尽可能地消除噪声。

在经过上述电路模块后，由于容性与感性器件的影响，低频信号的相位必然会产生变化，与原信号产生相位差。考虑到后续两支路信号合并，需要将低频信号的相位移相，使其对整体信号影响最小，至此低频信号的处理结束，并将其与经放大后的原信号相叠加后输出。

1.1 信号放大电路

对于前置级放大电路而言，需要达到的要求为高精度、低噪声、高共模抑制比、高输入阻抗、高线性度与低功率等要求。

为了达到以上的要求，可选用差动输入的三运放形式，然而为了获得较高的性能，三个运放之间要进行严格的匹配，其电路所搭配的电阻之间也要严格的匹配，这对于分立器件是难以实现的。对此，可选用三运放式的仪表放大器AD620作为主要器件。仪表放大器具有差分式输入，高输入阻抗，低输出阻抗的特点，可以很好地抑制共模信号，满足该电路的要求。而对于后置的放大电路而言，在其精度要求不高的情况下，为了节约成本，可不选择仪表放大器，而选择常规的低噪声运算放大器来组成放大电路。

1.2 低通滤波器电路

在该电路中，需要筛选性能较差的10Hz以下的低频段信号以便后续的针对性处理。

对于筛选低频段信号的低通滤波器而言，由于原理样机的低频段幅频特性曲线下降较为平缓，并且，考虑到后续要将处理后的低频信号叠加至完整频段信号，因此在选择滤波器时要选择在通带内尽量固定延迟，且阻带内下降平缓的滤波器类型。

综上考虑，选择贝塞尔滤波器作为筛选低频段信号的低通滤波器。贝塞尔滤波器可以使得信号获得线性相位工作特性，即获得最大的平坦延迟工作特性。贝塞尔滤波器的阶跃响应工作特性没有过冲与振铃，冲击响应没有振荡特性，但是其选择性较差[9]。然而，较差的选择性在MHD角速率传感器的低频电路中并不是缺点，其优秀的平坦时延特性也可以保证后续信号叠加的顺利进行。

考虑到图1中低频段的幅频特性曲线以及贝塞尔滤波器的最大平坦延迟衰减特性，设计该滤波器-3dB的截止频率为5Hz，-30dB的频率为20Hz，选取在4rad/s频率点不低于30dB抑制能力的4阶网络贝塞尔滤波器进行设计。

1.3 调制解调电路

对于10Hz以下的低频信号而言，如果不经过处理，直接经过两级放大电路放大，几千倍的增益会使得与有用信号无关的漂移电压、白噪声、 噪声[12]等也会随之放大，对低频信号产生较大的干扰，而上一级的低通滤波器对其相近频段的噪声并不会起作用。

然而简单的电容隔直的方法对于低频信号也具有衰减，在该电路中电路显然不适用，鉴于白噪声及 噪声与有用信号同频同相的概率极小，因此，可以使用调制解调电路来消除噪声对于低频信号的影响[10]。

调制放大与解调的过程如下图4所示，其中载波信号一般选用的是正弦波或者是方波信号，频率是被测信号频率的20倍以上[13]。在调制或解调的过程中，需要将载波信号与被测信号相乘，常采用模拟乘法器或者电子开关解调器(相当于载波信号为方波的模拟乘法器)来实现。在此过程中与被测信号不同频同相的白噪声与1/f噪声将会得到抑制。

图4 调制放大与解调过程

在本文的电路中，采用模拟乘法器AD633作为调制与解调的器件。AD633具有两路差分信号输入X与Y，一路单端输入Z(当Z端接地时，Z=0)，一路单端输出W，其功能为：

因此，为了消除两个AD633对信号幅值衰减的影响，需要利用放大器对信号放大至少100倍以上。

由于在该电路中被测信号的频率为10Hz以下，所以载波信号选取2000Hz的正弦波。解调后的信号，使用与前级电路中相同的四阶贝塞尔滤波电路来滤去高频分量。

1.4 移相电路

信号在经过滤波器等器件时。由于电路中电容等电抗器件的影响，其相位会发生改变。在部分频段中，由于相移的原因，两支路信号会出现正负相反的现象，使得幅值减小，因此在信号求和前，需要确定相移幅度，对低频信号进行移相，使得对整体信号的影响最小。

在得到需要移动的相位后，下一步则是设计移相电路。为了避免电容对低频信号的影响，尽可能采用滞后移相电路。但是一般的RC滞后移相电路只能移动90°[11]，若要实现0到180°的相位移动，需要利用运算放大器对其进行改进，如下图5所示。

图5 0到180°滞后移相电路

1.5 求和电路

在将低频信号单独处理好以后，需要将低频信号与全频段信号相叠加，进而提高低频段信号的增益。

对于信号叠加，可以利用集成运放实现求和运算，在本电路中，选择各支路增益便于调节的反相求和电路来将信号叠加。

2 硬件电路验证

在经过以上设计后，制作出上述的电路，如图6所示，将其进行验证，通过15mV的电压信号，并分别针对3、4Hz信号进行移相，使其相位偏差为零，改变频率，得到电路输出电压，数据如表1所示。

图6 低频信号改善电路实物图

如表1所示，分别对3、4Hz信号移相相比，对3Hz信号移相后(下文称方式1)的输出电压虽然在1-3Hz幅值较高，但是在4Hz以后几乎都要比对4Hz信号移相后(下文称方式2)的输出电压幅值要小，并且两者在某一频段内都会产生幅值下降后又抬升的情况。方式1出现这种情况的频段在5-9Hz，而方式2出现在6-10Hz，且方式1下降的幅度更大。

表1 对3、4Hz信号移相后的电路输出信号幅度

出现此情况的原因在于如前文中所提到的，由于低频信号支路中容性器件对信号相位的偏移影响导致在两支路信号叠加时，在某些频率上两电压信号方向相反，相位差越接近180°，其幅值越低，当相位差从0至180°呈周期性变化时，其电压信号幅值会随频率产生反复上升下降的幅值“波动”现象。对比方式1与方式2，并对其他频率相位移相进行仿真可知，在移相频率±2Hz内的频段的信号并没有太大的影响，而在此范围外的信号幅值则会产生幅值“波动”现象。由于低通滤波器对信号的衰减作用，频率接近10Hz处的信号由于低频信号幅值的降低，“波动”现象越不明显，反之频率越接近1Hz，该现象越明显。综合考虑，为了保证信号整体幅值差距小且幅值“波动”现象少发生，选择对4Hz信号进行移相。

随后将电路与传感器连接并进行测试，本文传感器选择MHD原理样机MHD400-H-1，输入角速率信号10°/s，输入至约600倍放大电路作为改善前的电压，输入至信号处理电路(10Hz以上放大倍率约640倍)作为改善后的电压，输出信号(3-20Hz)幅度结果如表2所示，对比结果可知，由于该信号处理电路增益比放大电路增益偏大，除对传感器信号幅度整体有0.8dB左右的提升以外，该电路对于3～10Hz信号有0～4dB的改善作用，且在整个频段上，信号幅度达到10dB以上，但是在6～9Hz有1dB以内的下降，然而通过改善后的结果可知，在噪声不影响的情况下，该下降可以通过电路整体增益的略微调高而消除影响。

表2 传感器信号改善前后对比

5 结论

本文通过对MHD角速率传感器的原理进行分析，得到了传感器在0-10Hz性能不佳的原因，并针对传感器0-10Hz信号单独处理以及噪声抑制，设计出了该MHD角速率信号低频信号处理电路，将其连接传感器进行测试，得到的结论如下：

(1)MHD角速率传感器原理样机的输出信号经过该信号调理电路针对性地改善后，在0-10Hz中的信号幅度有了0-4dB的提升，提升了传感器在10Hz以下的灵敏度，同时，也可以使得其输出信号幅度在全频段都在10dB以上，可以满足后续电路对信号幅度的要求。

(2)由于相移的影响，两支路信号相位差越接近180°，信号衰减越明显，随着相位差的周期性移动，信号幅度会产生波动。通过移相电路针对某一频率移相后，该频率周围的信号幅值波动现象有所改善，然而仍会在远离该频率的频段上有该现象。这是本方法的不足之处，在选择移相电路针对的频率时，需要权衡整个频段的结果，使幅值波动现象影响最小。在噪声等误差抑制得当的情况下，可以通过计算机进行轻微修正。