生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究--弱信號(hào)檢測(cè)調(diào)理單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.2.2.1射隨電路設(shè)計(jì)分析

射隨電路主要功能是保持輸入信號(hào)的幅頻特性，即保持信號(hào)幅度和頻率不變。但是在射隨前端須保證信號(hào)的完整性且信號(hào)具有較小的衰減，在射隨的輸出端與輸入端保持幅度和頻率的一致并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，因此射隨電路必須具有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗。射隨電路的設(shè)計(jì)，是基于以下考慮設(shè)計(jì)的：

1.完成射隨功能。使輸入信號(hào)通過(guò)電路保持信號(hào)完整性。
2.確保性能指標(biāo)完全實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本依據(jù)是系統(tǒng)所要達(dá)到的性能指標(biāo)，因此系統(tǒng)性能指標(biāo)需首先得到保證。如輸入阻抗大于1M等。
3.模塊設(shè)計(jì)的靈活性。電源激勵(lì)信號(hào)非常微弱，而且動(dòng)態(tài)范圍較大。場(chǎng)效應(yīng)放大電路模塊設(shè)計(jì)需具有適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)。
4.安全可靠性。有足夠的抗干擾能力，要保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)能穩(wěn)定，可靠地工作。保證系統(tǒng)精度能符合要求。
5.信號(hào)頻率考慮。射隨電路的頻帶必須大于250MHz. 6.經(jīng)濟(jì)性原則。在遵循以上設(shè)計(jì)原則的條件下，在器件選擇上盡量以完成相同的功能的基礎(chǔ)上選擇那些價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低一些的器件為標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以有效地降低生產(chǎn)成本，為產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)打下良好的基礎(chǔ)。

4.2.2.2 ADA4817芯片的應(yīng)用

ADA4817是一款穩(wěn)定的單位增益放大器，它提供超高速電壓反饋，場(chǎng)效應(yīng)輸入。該放大器能獲得超低噪聲和高輸入阻抗。ADA4817輸出0.1Vpp時(shí)，信號(hào)有效帶寬1050MHz，滿足頻帶要求。

ADA4817從模擬設(shè)備上引出一條新的低失真引出線，相比于傳統(tǒng)的引出線，該低失真引出線有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。一是能改善二次諧波失真性能，它能物理隔離放大器的輸入管腳和負(fù)電接入管腳電路。二是布局簡(jiǎn)單，它能提高倒相輸入，允許緊密的布局和輕易的布局，幫助減小寄生增益和穩(wěn)定性增長(zhǎng)。

寬泛的帶寬和較低的噪聲使之成為放大器的理想選擇，特別是在高速采集信號(hào)檢測(cè)預(yù)處理的應(yīng)用。

ADA4817各管腳描述如表4.1所示：

ADA4817各參數(shù)的最大絕對(duì)定額值如表4.2所示：

4.2.2.3射隨放大電路設(shè)計(jì)

場(chǎng)效應(yīng)放大器廣泛用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，射隨電路采用ADA4817芯片。本文設(shè)計(jì)該電路主要完成射隨電路功能。

射隨電路設(shè)計(jì)方案如圖4.4所示。

4.2.3可編程增益放大電路

模塊高速數(shù)據(jù)采集的前端信號(hào)，是頻率和電壓不確定的模擬信號(hào)。因?yàn)楣潭ㄔ鲆鎸⑹沟么笮盘?hào)進(jìn)入非線性工作區(qū)且可能導(dǎo)致放大信號(hào)超出數(shù)據(jù)采集的量程范圍而出現(xiàn)信號(hào)被削平的現(xiàn)象，或者使得小信號(hào)放大不足，不能使放大信號(hào)達(dá)到或接近數(shù)據(jù)采集的量程范圍而產(chǎn)生較大的量化誤差。同時(shí)在儀器儀表中所要測(cè)量的信號(hào)其動(dòng)態(tài)范圍往往很寬，如在測(cè)量峰形信號(hào)的系統(tǒng)中，可能既有峰值很小的峰信號(hào)，又有峰值很大的峰信號(hào)。若放大通道不能隨輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍變化，而做出相應(yīng)的增益調(diào)整，將會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的分辨率及性能。由上述可知，放大通道必須增益程控可調(diào)，不能夠采用固定增益的放大電路。

4.2.3.1 PGA870的應(yīng)用

PGA870是一款高速全差分可編程增益放大器。它的高帶寬、低失真、低噪音特性使它非常適合與14位ADC配合使用，其增益調(diào)節(jié)范圍為-11.5 dB到20dB，增益步幅為0.5dB，增益準(zhǔn)確度為0.03dB.頻帶范圍為650MHZ.其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4.5所示。

從圖中可以看出，輸入差分信號(hào)依次經(jīng)過(guò)衰減器、放大器、輸出控制器，衰減倍數(shù)和放大倍數(shù)由控制邏輯位B0-B5和gain strobe、latch mode管腳控制。在power-down狀態(tài)，靜態(tài)電流降至2mA，但是增益控制電路仍能保持可編程。

4.2.3.2可編程增益放大電路的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)信號(hào)增益可控，設(shè)計(jì)中選擇PGA870芯片，因?yàn)镻GA870有三種配置模式，分別是電平鎖存模式，沿寄存模式，組合邏輯方式，由配置管腳gain strobe和latch mode控制，其配置方式如表4.3所示。

組合邏輯方式的信號(hào)延遲最小，實(shí)時(shí)行相應(yīng)最好，且配置方式需要的線也最小，只需將B0-B5連接到FPGA管腳上，Gain strobe和Latch mode接到3.3V上就可以了，綜上，PGA870的配置方式采用組合邏輯方式，其在電路中的設(shè)計(jì)圖如圖4.6所示。

圖中，為了減小信號(hào)反射的幅度，在B0-B5上均串聯(lián)上一個(gè)電阻。為了減小前端直流偏置對(duì)本模塊的影響，同時(shí)考慮到芯片內(nèi)部已經(jīng)提供了一個(gè)內(nèi)部參考電壓，信號(hào)輸入端采用交流耦合方式，耦合電容選用較大值0.1uf，以讓低頻信號(hào)無(wú)衰減通過(guò)。因?yàn)榉糯笃鞯妮敵鲭娮柚挥?.5歐姆，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的50歐姆端接，輸出串聯(lián)50歐姆電阻。

4.2.3.3可編程增益實(shí)現(xiàn)方式

可編程增益放大的實(shí)現(xiàn)由FPGA來(lái)完成，如圖4.7所示，F(xiàn)PGA通過(guò)邏輯控制來(lái)確定配置模式，通過(guò)控制放大器的B0至B5管腳控制運(yùn)放的增益。