基于ARM的微伏信號在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1　　 引言

　　在線監(jiān)測系統(tǒng)中，待測信號幅值在50μV左右，而背景噪聲幅值在50mV以上，用一般的采集和測量系統(tǒng)無法準(zhǔn)確檢測該信號。針對被背景噪聲覆蓋的微小信號，采用濾波降噪和差分放大手段，提高信噪比，保證待測信號能被準(zhǔn)確采集;采用基于ARM核的32位微處理芯片S3C44B0X和基于μClinux操作系統(tǒng)的嵌入式圖形用戶界面MicroWindows，完成實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果和實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)具有體積小、功耗低、操作靈活的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)微伏信號在線監(jiān)測功能提供了一種良好的解決方案。

　　2　　 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)微伏信號在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要分為兩個(gè)部分，即前置放大電路和基于ARM的數(shù)據(jù)采集與顯示電路，如圖1所示。

　　圖1　系統(tǒng)方案示意圖

　　2.1　 前置放大電路

　　待測信號幅值為50μV，而背景噪聲幅值在50mV以上，SNR(信噪比值)在1/1000以下，所以必須根據(jù)信號特點(diǎn)進(jìn)行降低噪聲功率，提高信噪比。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)信號與噪聲頻譜不重疊，噪聲頻率主要集中在高頻段。利用濾波器的頻率選擇特性，可設(shè)置低通濾波器，其通帶范圍能夠覆蓋信號的頻譜，使信號通過濾波器衰減很少，同時(shí)噪聲頻率處于通帶之外，通過濾波器后功率大幅度衰減，因此信噪比得以提高。

　　本設(shè)計(jì)采用二階有源低通濾波器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)對比，取二階有源低通濾波器的截止頻率fH為200Hz，品質(zhì)因數(shù)Q為0.707，可使SNR達(dá)10以上，SNIR(信噪改善比)達(dá)10000以上。

　　在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，待測信號和監(jiān)測系統(tǒng)之間的參考零電勢點(diǎn)之間存在電勢差，由于兩者由同一電源供電，因而形成“地環(huán)流”。電流從電源地線流入被測信號的接地點(diǎn)，然后通過信號地線流入監(jiān)測系統(tǒng)，又通過監(jiān)測系統(tǒng)的接地點(diǎn)回到電源地線，導(dǎo)致在線監(jiān)測的過程中地線上出現(xiàn)很高的共模干擾噪聲。在這樣的工作環(huán)境下，使用普通的低溫漂高精度運(yùn)算放大電路，不能準(zhǔn)確放大和測量待測信號。因此本設(shè)計(jì)采用高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比的三運(yùn)放差分放大電路，消除共模干擾，如圖2所示。

　　圖2 三運(yùn)放差分放大電路

　　集成運(yùn)放A1和A2都接成同相輸入、比例運(yùn)算電路形式，這樣電路輸入阻抗很高。電路結(jié)構(gòu)采用嚴(yán)格地對稱形式，以使漂移、噪聲、失調(diào)電壓及失調(diào)電流等互相抵消。同時(shí)采用高精密電阻，以提高測量精度。將濾波后的信號線接入Vi+端口，而把信號地線接入Vi-端口，經(jīng)過三運(yùn)放差分放大電路輸出電壓為：

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)對比，本設(shè)計(jì)在強(qiáng)干擾環(huán)境下，對微伏信號有較好的放大效果。經(jīng)過前置放大后的信號，有效地消除了干擾和噪聲，具有良好的線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過差動(dòng)放大后的信號，再經(jīng)過普通運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓平移和放大，即可成為符合A/D采集要求的0~2.5V電壓單極性信號。

　　圖3 前置放大電路的線性關(guān)系