基于MAX260的低頻微弱信號的模擬預處理

引言

微弱信號檢測(weak signal detection)是隨著工程應用而不斷發(fā)展的一門學科，是利用電子學、信息論和物理的方法，分析噪聲產生的原因和規(guī)律，研究被測信號的特點與相關性，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]。強噪聲背景下微弱信號處理是現(xiàn)代信號處理技術中的一項綜合技術和尖端領域，運用這種技術使得微弱量(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。

對信號的預濾波處理則成為了提高其準確度的關鍵要素，本文就是基于這樣的思想，利用max260的特性來進行設計出具有良好效果的預濾波器。我相信，隨著社會以及科技的發(fā)展，在這方面的應用于開發(fā)必將在物理、化學、天文、生物、醫(yī)學以及多種工程應用領域得到廣泛的應用，在國內外越來越得到重視。

模擬信號處理系統(tǒng)原理

我們假定接收到的信號已經通過頻率轉換變?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，已經將隱藏在噪聲中的微弱信號變?yōu)檫m當幅度的平穩(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。這個過程就構成了信號濾波放大系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示：

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。

可編程開關電容濾波器max260

max260 是美國maxim公司推出的cmos雙二階通用開關電容有源濾波器，可以采用微處理器控制其精確濾波器函數，無需外圍元件即可構成多種帶通、低通、高通、帶阻、全通濾波器，其內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步品質因數控制、獨立的中心頻率和品質因數編程、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。并且與數字濾波器相比，處理速度快、整體結構簡單。芯片的內部結構如圖2所示：

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計組成。其參數信號（clka、clkb、a1~a0、d3~d0、 ）的輸入均可由cpu控制設置。將濾波器a設置為一個切比雪夫低通濾波器，濾波器b設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，可根據不同的濾波器參數設置不同的頻率，信號引腳 控制地址位與數據位的更新。具體參數設計可以利用maxim的濾波器設計軟件，可極大的簡化采用max260構成多種有源濾波器的設計過程。

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的lincmostm工藝生產的高精度斬波穩(wěn)零運算放大器。

從理論上講，為了盡量展寬電路的頻帶，斬波頻率fc應越高越好，但fc的提高又會造成嚴重的尖峰效應，使斬波器漂移增大，所以通常fc≤10khz。這就是導致斬波穩(wěn)零運算放大器頻帶窄的原因。tlc2652的過載恢復時間是比較短的（30ms左右），如要進一步減小恢復時間，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。

強雜波背景下低頻微弱信號處理是信號處理領域的難點同時也是熱點。在處理完模擬預濾波后還需要注意在進行后續(xù)處理（如進行a/d轉換）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。實驗結果表明可編程開關電容濾波器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。