三维电场传感器微弱信号放大电路的设计与实验研究

赵 玮，张海涛，李治中，袁 媛

(中国人民解放军陆军工程大学国防工程学院，江苏南京 210007)

0 引言

三维电场检测技术在航空、航天、电网等领域具有重要的应用需求[1-2]。目前，三维电场传感器多采用三维场磨式[3]。由于场磨式三维电场传感器工作原理是由电机带动屏蔽转子旋转而产生交变的电流信号，由于电流非常微弱，大小通常为pA量级，并伴有不同程度的噪声干扰，导致电流信号的信噪比不足；电流信号与电场强度无法呈现比例关系，导致传感器测量系统的线性度不足；同时存在零点漂移现象，导致无法进行A/D转换，因此需要研究一种信号处理电路将电场传感器感应的信号进行放大处理，提高信噪比，以达到A/D转换的要求。

文献[4]为了解决微弱信号放大电路中零点漂移、放大失真等缺陷，设计了一种基于AD620的高精度微弱信号放大器，可用于放大各型号传感器输出的微弱信号以及作为传感器的变送器使用。文献[5]针对高温核磁共振测井仪应用条件下井下极微弱信号检测中的噪声与温度可靠性问题，设计了一款前置放大电路，确定了电路参数，并通过高温试验验证了电路温度可靠性。文献[6]提出了一种新的小信号温度补偿设计方案，采用高精度的差分输入信号电桥电路，选用AD8429超低噪声、低温漂、高共模抑制比仪表放大器，提高了液体质量测量精度。在上述文献研究的基础上，本文针对场磨式三维电场传感器输出信号微弱的问题，设计一种I-V积分变换电路，对微弱电流信号进行放大；为了实现信号A/D转换要求，设计一种二级差分放大电路和偏置电路，通过Multisim 12.0仿真和实验验证设计电路的有效性。

1 三维电场传感器信号处理方法

三维电场传感器感应电极产生6路μA量级以下的微弱电流信号，为了避免微弱电流信号的相互干扰，需要分别处理不同方向上的感应电流信号，其信号处理方法如图1所示，之后经过A/D转换输入到微处理器，计算获得实时的电场强度，再将电场强度通过无线模块至上位机。

图1 信号处理方法

X、Y、Z三维方向感应电流信号的处理方法基本一致，感应电极产生的微弱电流信号处理电路如图2所示，首先对两路感应电流信号进行I-V变换，将微弱的电流信号转换为电压信号；再进行差分放大，然后经过偏置电路，向上平移以达到A/D转换的有效范围。因为电场传感器的输出信号在进行放大的过程中容易混入电机旋转带来的基波干扰、交流用电器带来的工频干扰、电磁噪声干扰、偏置电路带来的直流分量、谐波干扰等无用信号，因而需要进行FFT滤波分解，分解出有效的电场信号。

图2 微弱信号处理电路

2 前置积分I-V放大电路

2.1 前置积分I-V放大电路设计

设计的前置积分I-V变换电路如图3所示，它是一种负反馈电流放大电路，可以得到与输入电流成比例的电压信号[7]。Cf是前置放大器的反馈电容，在反馈电容Cf两端并联一个反馈电阻Rf，能够为反馈电容Cf提供卸放路径，同时稳定放大器的直流工作点、减小零点漂移，在输入端串联电阻R1来限制高频响应。运算放大器(OPA)采用JFET输入的TL072型OP放大器，输入阻抗1012Ω、最大功耗仅为680 mW、正常情况下输入偏置电流为65 pA、输入失调电流为5 pA、开环电压增益为106 dB，在f=1 kHz时，输入换算噪声电压Vn只有18 nV/(Hz)1/2，输入换算噪声电流仅为0.01 nA/(Hz)1/2，内部噪声低。

图3 前置积分放大电路

2.2 前置I-V变换电路仿真分析

采用Multisim 12.0[8]对前置I-V变换电路频率响应特性进行仿真分析，为后期电路的制作提供可靠的理论依据和优化的电路设计参数。电路的频率响应特性主要包括幅频特性和相频特性，幅频特性是指电路的电压放大倍数与频率的关系，相频特性是指输出信号与输入信号的相位差与频率之间的关系。本仿真设计的目的：验证电路的通频带宽是否满足要求；通过修改电路中电阻电容的参数，使通频带的中心频率与电场传感器轴向感应电极和径向感应电极的输出频率相匹配，提高系统灵敏度和抗干扰能力。频率响应仿真电路原理图如图4所示。

图4 频率响应仿真电路图

频率响应仿真电路的输出幅频响应为带通，通频带如式(1)所示。

BW=fH-fL

(1)

式中：BW为通频带；fH为上限频率；fL为下限频率。

为了最大限度提高系统灵敏度，将幅频响应的中心频率调到与电场传感器轴向感应电极和径向感应电极的输出频率相一致的位置，因此将放大电路幅频响应通频带的下限频率fL设置大于120 Hz，上限频率fH设置小于240 Hz，中心频率应该在120～240 Hz的中间位置，即为180 Hz左右。

带通滤波器的截止频率受积分电容和反馈电阻的影响，如式(2)所示：

(2)

式中：fc为带通滤波器的截止频率；C1为积分电容；R2为反馈电阻。

减小R2或C1，截止频率增大，电路的中心频率向高频特性延伸、带宽增大；相反，增大R2或C1，截止频率减小，电路的中心频率降低，带宽变窄。一般选取kΩ级别以上的电阻，可以减小电路噪声，输入电阻R1不影响电路的频率响应，阻值为1 kΩ。

为了研究R2、C1对电路频率响应的影响，分别对选取的多组的R2、C1进行仿真。

根据式(2)，分别采用2种模型进行仿真，模型1反馈电阻R2为定值1 MΩ，模型2积分电容C1为定值0.5 nF，分别记录通频带的中心频率和带宽如表1和表2所示。

表1 模型1条件下通频带的中心频率和带宽

表2 模型2条件下通频带的中心频率和带宽

从表1中可以看出，在反馈电阻不变的情况下，积分电容C1的值越大，I-V电路的中心频率越低，通频带宽越窄。当R1=1 kΩ，R2=1 MΩ，C1=0.5 nF，电路的中心频率为186 Hz，满足中心频率与电场传感器轴向感应电极和径向感应电极的输出频率相匹配的要求，此时测量系统输出灵敏度最高，因此以R2=1 MΩ，C1=0.5 nF作为模型2的定量参数值。

从表2中可以看出，在C1不变的情况下，R2的值越大，I-V电路的中心频率越低、带宽越窄。仿真结果与理论分析相符，减小反馈电阻、减小积分电容的值会使频率特性向高频延伸，可以提高测量系统的灵敏度，但同时电路的噪声会增加，因此要合理选取积分电容和反馈电阻的值。在本文设计的前置电路中，选取R2=1 MΩ，C1=0.5 nF，可以使测量系统的灵敏度最高。

3 二级差分放大电路

将前置I-V变换电路输出的2路电压信号输入到二级差分放大电路，输出信号与传感器电位变化无关，噪声相互抵消，提高了电路的抗干扰能力。二级差分放大电路采用 AD620，增设1个外部电阻R4，在1～10 000倍的范围内设置增益，如式(3)所示：

(3)

式中：G为增益，无量纲量；R4为外部电阻，kΩ；R0为49.4 kΩ。

由于AD620的输入阻抗高，导致输入电压对于偏置电流的敏感度高，在2个差分输入端分别增加卸荷电阻R9和R10。二级差分放大电路原理如图5所示。

图5 二级差分放大电路原理图

综合考虑系统灵敏度和量程，且由于本系统的A/D转换器为ARM内置的12位AD，量程Umax为3.6 V，最小分辨率如式(4)所示：

(4)

由于电场传感器获得的微弱电流信号为pA级，放大至mV级后可满足A/D转换采样。

4 偏置电路

A/D转换有效电压为0～3.3 V，放大信号幅值需要在其满量程范围内。信号放大电路输出信号为正弦信号，偏置电路作用是将信号放大电路输出的耦合电压沿Y轴向上平移。因此偏置电路通过调节R13将AD620的参考电压端REF设置为1.6 V，然后再进行有效的A/D转换，其原理如图6所示。

图6 偏置电路原理图

信号放大电路的整体原理如图7所示。第一级是反比例积分电荷放大电路，采用的集成运算放大器(OPA)是低噪声的高性能电荷放大器TL072，将传感器一对感应电极输出的电流信号分别转换为放大的电压信号，在同相输入端接平衡电阻R3和R8，用来防止失调电压的发生，减小输入端的偏置电流，电阻值为R3，如式(5)所示：

图7 信号放大电路原理图

(5)

实验测试时发现第一级放大电路输出的电压会有1～2 V的直流偏移，为了滤除直流偏移，在第一级放大电路的输出端加上10 μF的陶瓷电容C2和C4。

5 信号放大电路的性能测试

对三维电场传感器Z轴感应电极的输出波形进行测试。测试过程中，信号源由场磨式三维电场传感器提供，感应电极表面有微弱的电流通过直流电机带动屏蔽转子的旋转交替产生，微弱电流信号通过测试放大电路后通过示波器观察，波形如图8所示。

图8 传感器Z轴感应电极产生的波形

由图8可知，Z轴感应电极输出信号的波形接近于正弦波，峰值大约为13 mV，频率为240 Hz左右，放大效果较为理想，可有效的进行A/D转换。

6 结束语

由于场磨式三维电场传感器产生的信号存在信噪比不足、零点漂移等现象，导致信号放大电路灵敏度不足，放大后产生的信号信噪比不足且存在零点漂移现象，无法进行有效的A/D转换。为了解决以上问题，研究了一种包含I-V积分变换电路、差分放大电路以及偏置电路的微弱信号放大电路。通过Multisim 12.0仿真对I-V积分变换电路中的反馈电阻与积分电容的参数进行优化，优化了电路的通频带的中心频率和带宽，提高了I-V积分变换电路的灵敏度，有效降低了噪声对测量系统的干扰，提高了放大后信号的信噪比；设计了一种二级差分放大电路及偏置电路，满足了信号的A/D转换要求。将场磨式三维电场传感器的输出信号经过设计的放大电路进行实际测试，实验证明了本电路有效提高了信号放大电路的灵敏度和信噪比，同时提高了电路的抗干扰能力，验证了设计电路的有效性。