基于MAX260的低頻微弱信號的模擬預(yù)處理
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引言
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/21358.htm微弱信號檢測(weak signal detection)是隨著工程應(yīng)用而不斷發(fā)展的一門學(xué)科，是利用電子學(xué)、信息論和物理的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號的特點與相關(guān)性，采用一系列信號處理的方法，檢測被噪聲背景淹沒的微弱信號[1]。強(qiáng)噪聲背景下微弱信號處理是現(xiàn)代信號處理技術(shù)中的一項綜合技術(shù)和尖端領(lǐng)域，運用這種技術(shù)使得微弱量(如弱光、小位移、微振動、弱聲及微電流等)的檢測成為可能，大大提高了微弱信號檢測的精度。
對信號的預(yù)濾波處理則成為了提高其準(zhǔn)確度的關(guān)鍵要素，本文就是基于這樣的思想，利用max260的特性來進(jìn)行設(shè)計出具有良好效果的預(yù)濾波器。我相信，隨著社會以及科技的發(fā)展，在這方面的應(yīng)用于開發(fā)必將在物理、化學(xué)、天文、生物、醫(yī)學(xué)以及多種工程應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在國內(nèi)外越來越得到重視。
模擬信號處理系統(tǒng)原理
我們假定接收到的信號已經(jīng)通過頻率轉(zhuǎn)換變?yōu)榛鶐盘?。為了防止未知的噪聲信號使放大器飽和，我們通常進(jìn)行多級放大。先將輸入的基帶信號通過濾波器提取出我們感興趣的頻段，并抑制一定的噪聲。通過兩級濾波放大，已經(jīng)將隱藏在噪聲中的微弱信號變?yōu)檫m當(dāng)幅度的平穩(wěn)信號，為后續(xù)的a/d變換、lcd顯示等信號處理打下良好的基礎(chǔ)。這個過程就構(gòu)成了信號濾波放大系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示：
圖1 模擬信號處理系統(tǒng)原理框圖 件的選擇與應(yīng)用很多情況下我們要處理頻率接近于零頻的微弱信號,比如人體呼吸及心跳所產(chǎn)生的頻率（0.03hz～3.3hz），因此在選擇濾波器件時，要求該濾波器具有很低的中心頻率范圍以及陡峭的過渡帶，這就對器件提出了很高的要求。
可編程開關(guān)電容濾波器max260
max260 是美國maxim公司推出的cmos雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，可以采用微處理器控制其精確濾波器函數(shù)，無需外圍元件即可構(gòu)成多種帶通、低通、高通、帶阻、全通濾波器，其內(nèi)部含有兩個二階濾波單元，每個單元中心頻率、q值、濾波器工作模式均可由程序設(shè)置。max260比max261和max262有較好的偏移與直流特性。具有如下特點：微處理器接口、64步中心頻率控制、128步品質(zhì)因數(shù)控制、獨立的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)編程、保證時鐘頻率f0對比值精度為1%、單+5v或±5v電源電壓工作以及0.01hz到7.5khz的中心頻率范圍。并且與數(shù)字濾波器相比，處理速度快、整體結(jié)構(gòu)簡單。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示：
圖2 濾波器框圖（一個二階組） 其芯片主要由放大器、積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)(scn) 和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)和工作模式選擇器分別由編程數(shù)據(jù)m0,m1、 f0～f5 和q0～q6 控制。每片max260包括兩個二階開關(guān)電容有源濾波器，每個二階組使用兩個串聯(lián)的積分器和一個求和運算放大器。每個二階濾波器組件有四種工作方式及各自的時鐘輸入和獨立的f0和q控制。每個二階組的中心頻率是由其輸入的時鐘頻率和六位編程代碼決定的，q值由七位代碼控制。 max260系列濾波器中，內(nèi)部采樣速率為輸入速率的一半。max260使用了max261或max262中不具有的自動調(diào)零電路，這可以提供更好的dc 特性，并通過犧牲高端頻率和信號帶寬提供改進(jìn)的低頻特性。故可很好的用于低頻信號的濾波處理。
圖3為一個帶通濾波器。該濾波器由低通濾波器和高通濾波器設(shè)計組成。其參數(shù)信號（clka、clkb、a1~a0、d3~d0、 ）的輸入均可由cpu控制設(shè)置。將濾波器a設(shè)置為一個切比雪夫低通濾波器，濾波器b設(shè)置為一個切比雪夫高通濾波器，clka與clkb分別為低通濾波器與高通濾波器的時鐘輸入信號，可根據(jù)不同的濾波器參數(shù)設(shè)置不同的頻率，信號引腳 控制地址位與數(shù)據(jù)位的更新。具體參數(shù)設(shè)計可以利用maxim的濾波器設(shè)計軟件，可極大的簡化采用max260構(gòu)成多種有源濾波器的設(shè)計過程。
圖3 帶通濾波器 高精度斬波穩(wěn)零運算放大器tlc2652
斬波穩(wěn)零型運算放大器提供了一種解決微弱信號放大問題的廉價方案。tlc2652和tlc2652a是德州儀器公司使用先進(jìn)的lincmostm工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零運算放大器。
圖4 tlc2652的8引腳封裝圖
圖5 tlc2652的簡化框圖 在tlc2652 中，內(nèi)部時鐘使放大器以450hz的頻率校零。在8引腳封裝的芯片中，這個頻率是不可調(diào)的。這時，電路中的負(fù)反饋電阻要選的大些，以使箝位發(fā)揮作用時電路的增益下降得更多。當(dāng)然，使用clamp后，電路的輸出幅度會略有減小。斬波穩(wěn)零的工作方式使tlc2652具有優(yōu)異的直流特性，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對運算放大器的影響被降低到了最小。低頻信號經(jīng)過兩個放大器放大，電路可以獲得極高的增益，這在需要精密高增益放大的電路中是十分有用的。由于使用了lincmostm工藝和低噪聲的mosfet，輸入噪聲被大大減小。tlc2652非常適合用于微弱信號的放大。
從理論上講，為了盡量展寬電路的頻帶，斬波頻率fc應(yīng)越高越好，但fc的提高又會造成嚴(yán)重的尖峰效應(yīng)，使斬波器漂移增大，所以通常fc≤10khz。這就是導(dǎo)致斬波穩(wěn)零運算放大器頻帶窄的原因。tlc2652的過載恢復(fù)時間是比較短的（30ms左右），如要進(jìn)一步減小恢復(fù)時間，可以使用電路的clamp引腳。tlc2652在作直流微信號放大時，為了進(jìn)一步減小交流干擾，可以在輸出端加接一個低通濾波器，以濾除輸出電壓中的交流分量，使輸出電平更加穩(wěn)定。圖6為tlc2652典型正相放大電路。
圖6 tlc2652典型正相放大電路 在元件的選擇中需要特別注意的是，電路中的兩個記憶電容c3和c4必須使用絕緣電阻很高的優(yōu)質(zhì)電容器。例如，聚酯薄膜電容器、聚苯乙烯電容器、聚丙烯電容器等可以作為記憶電容器，容量可以從0.1μf至1μf中選擇，電容的一端接到c3或c4引腳，另一端接至vdd-或c return引腳。在一些斬波穩(wěn)零運算放大器中把記憶電容接至vdd-引腳會增加噪聲，而tlc2652則沒有這種問題。tlc2652是高精度放大器，往往在輸入電壓為微伏量級的情況下高增益工作。要保證放大器的精度，需要注意以下兩個方面：一是負(fù)反饋電阻必須有足夠的精度，并且電路的閉環(huán)增益不能太大；二是必須提高印制板的質(zhì)量，防止印制板表面的漏電流。
結(jié)束語
強(qiáng)雜波背景下低頻微弱信號處理是信號處理領(lǐng)域的難點同時也是熱點。在處理完模擬預(yù)濾波后還需要注意在進(jìn)行后續(xù)處理（如進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換）時，放大器采用直接耦合方式，加隔直電容會衰減有用的極低頻率成分。實驗結(jié)果表明可編程開關(guān)電容濾波器max260以及高精度斬波穩(wěn)零運算放大器tlc2652可以很好的實現(xiàn)低頻微弱信號的濾波放大處理。低頻微弱信號的模擬預(yù)處理在信號處理過程中起到了非常重要的作用，各種性能優(yōu)良的測量儀器不斷推出，大大提高了微弱信號檢測的精度。
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