低頻微弱信號的模擬預(yù)處理

　　引言

　　微弱信號檢測是隨著工程應(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(diǎn)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。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(xiàng)綜合技術(shù)和尖端領(lǐng)域，運(yùn)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設(shè)計(jì)出具有良好效果的預(yù)濾波器。

　　模擬信號處理系統(tǒng)

　　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?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/放大器">放大器飽和，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(gè)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)框圖

　　器件的選擇與應(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(shí)，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Maxim公司的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(gè)二階濾波單元，每個(gè)單元中心頻率、Q值、濾波器工作模式均可由程序設(shè)置。MAX260具有如下特點(diǎn)：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(dú)立的中心頻率和品質(zhì)因數(shù)編程、保證時(shí)鐘頻率f0對比值精度為1%、單+5V或?V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。

　　圖2為一個(gè)用MAX260設(shè)計(jì)的帶通濾波器。該濾波器由低通濾波器和高通濾波器設(shè)計(jì)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(gè)切比雪夫低通濾波器，濾波器B設(shè)置為一個(gè)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(shí)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(jì)可以利用Maxim的濾波器設(shè)計(jì)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(jì)過程。

　　高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器TLC2652

　　斬波穩(wěn)零型運(yùn)算放大器提供了一種解決微弱信號放大問題的廉價(jià)方案。TLC2652和TLC2652A是德州儀器公司的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器。在TLC2652中，內(nèi)部時(shí)鐘使放大器以450Hz的頻率校零。在8引腳封裝的芯片中，這個(gè)頻率是不可調(diào)的。這時(shí)，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(shí)電路的增益下降得更多。當(dāng)然，使用CLAMP引腳后，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(yùn)算放大器的影響被降低到了最小。低頻信號經(jīng)過兩個(gè)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。