生物電阻抗測量系統(tǒng)中弱信號檢測技術研究--弱信號檢測調理單元設計與實現(xiàn)

4.2.2.1射隨電路設計分析

射隨電路主要功能是保持輸入信號的幅頻特性，即保持信號幅度和頻率不變。但是在射隨前端須保證信號的完整性且信號具有較小的衰減，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的驅動能力，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。射隨電路的設計，是基于以下考慮設計的：

1.完成射隨功能。使輸入信號通過電路保持信號完整性。
2.確保性能指標完全實現(xiàn)。系統(tǒng)設計的根本依據是系統(tǒng)所要達到的性能指標，因此系統(tǒng)性能指標需首先得到保證。如輸入阻抗大于1M等。
3.模塊設計的靈活性。電源激勵信號非常微弱，而且動態(tài)范圍較大。場效應放大電路模塊設計需具有適應動態(tài)范圍大的特點。
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.信號頻率考慮。射隨電路的頻帶必須大于250MHz. 6.經濟性原則。在遵循以上設計原則的條件下，在器件選擇上盡量以完成相同的功能的基礎上選擇那些價格相對來說比較低一些的器件為標準，這樣可以有效地降低生產成本，為產品進入市場打下良好的基礎。

4.2.2.2 ADA4817芯片的應用

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，場效應輸入。該放大器能獲得超低噪聲和高輸入阻抗。ADA4817輸出0.1Vpp時，信號有效帶寬1050MHz，滿足頻帶要求。

ADA4817從模擬設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優(yōu)勢。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電接入管腳電路。二是布局簡單，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。

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檢測預處理的應用。

ADA4817各管腳描述如表4.1所示：

ADA4817各參數(shù)的最大絕對定額值如表4.2所示：

4.2.2.3射隨放大電路設計

場效應放大器廣泛用于數(shù)據采集系統(tǒng)，射隨電路采用ADA4817芯片。本文設計該電路主要完成射隨電路功能。

射隨電路設計方案如圖4.4所示。

4.2.3可編程增益放大電路

模塊高速數(shù)據采集的前端信號，是頻率和電壓不確定的模擬信號。因為固定增益將使得大信號進入非線性工作區(qū)且可能導致放大信號超出數(shù)據采集的量程范圍而出現(xiàn)信號被削平的現(xiàn)象，或者使得小信號放大不足，不能使放大信號達到或接近數(shù)據采集的量程范圍而產生較大的量化誤差。同時在儀器儀表中所要測量的信號其動態(tài)范圍往往很寬，如在測量峰形信號的系統(tǒng)中，可能既有峰值很小的峰信號，又有峰值很大的峰信號。若放大通道不能隨輸入信號動態(tài)范圍變化，而做出相應的增益調整，將會降低整個系統(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，不能夠采用固定增益的放大電路。

4.2.3.1 PGA870的應用

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，其增益調節(jié)范圍為-11.5 dB到20dB，增益步幅為0.5dB，增益準確度為0.03dB.頻帶范圍為650MHZ.其內部結構圖如圖4.5所示。

從圖中可以看出，輸入差分信號依次經過衰減器、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計

為實現(xiàn)信號增益可控，設計中選擇PGA870芯片，因為PGA870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延遲最小，實時行相應最好，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，其在電路中的設計圖如圖4.6所示。

圖中，為了減小信號反射的幅度，在B0-B5上均串聯(lián)上一個電阻。為了減小前端直流偏置對本模塊的影響，同時考慮到芯片內部已經提供了一個內部參考電壓，信號輸入端采用交流耦合方式，耦合電容選用較大值0.1uf，以讓低頻信號無衰減通過。因為放大器的輸出電阻只有3.5歐姆，為實現(xiàn)信號的50歐姆端接，輸出串聯(lián)50歐姆電阻。

4.2.3.3可編程增益實現(xiàn)方式

可編程增益放大的實現(xiàn)由FPGA來完成，如圖4.7所示，F(xiàn)PGA通過邏輯控制來確定配置模式，通過控制放大器的B0至B5管腳控制運放的增益。