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摘要：

在地質(zhì)振動(dòng)勘探中存在微弱信號(hào)難以檢測(cè)的問題。為了解決這一技術(shù)難題，提出了以儀表放大器和低通濾波器為核心器件的微弱信號(hào)放大檢測(cè)裝置。先詳細(xì)闡述了該檢測(cè)裝置的電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)而根據(jù)微弱信號(hào)特征，提出選擇電子器件的有效方法以及在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要注意的事項(xiàng)。最后采用集成程控增益儀表放大器INA110來設(shè)計(jì)微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路，采用OPA1632設(shè)計(jì)抑制電路噪聲，并對(duì)微弱低頻信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，得到了理想的效果。

關(guān)鍵詞：

微弱信號(hào)，儀表放大器，幅頻特性，相頻特性，噪聲分析

地質(zhì)振動(dòng)勘探主要是指通過獲取地震波的振動(dòng)信號(hào)［1］，來對(duì)信號(hào)進(jìn)行算法分析處理進(jìn)而得到地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖像的工作。對(duì)于整個(gè)過程而言，能否精確獲取地震波的振動(dòng)信號(hào)是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前地質(zhì)振動(dòng)勘探中探測(cè)地震波信號(hào)的傳感器主要采用加速度傳感器，這類傳感器模量變化小，頻率低，信號(hào)幅度小，特別是探測(cè)深度較大時(shí)反射信號(hào)非常弱，一般情況下這類電壓信號(hào)只能達(dá)到微伏的量級(jí)，為了有效的利用這些信號(hào)，必須先對(duì)其進(jìn)行調(diào)理和放大處理。“微弱信號(hào)”不僅僅是指振幅很小的信號(hào)，更重要的是指在大量噪聲背景中的有用微弱信號(hào)。為了提取出有用信號(hào)，首先應(yīng)考慮抑制噪聲，然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度放大。因此，本文針對(duì)這一信號(hào)特性采用信號(hào)放大后直接高精度數(shù)字化方法來解決這一問題。

1電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1．1電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度傳感器信號(hào)，是一種頻率較低的微弱信號(hào)。因此需要先通過精密儀表放大器將信號(hào)放大，提高信號(hào)強(qiáng)度，再利用低通濾波器，濾除在信號(hào)中混雜的高頻噪聲，最后將信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)字化采樣處理。微弱信號(hào)放大檢測(cè)電路整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2儀表放大電路由于傳感器產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，容易被噪聲信號(hào)覆蓋，所以優(yōu)先選擇精密儀表放大器作為放大電路前級(jí)。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器［2］，是運(yùn)算放大器的發(fā)展，且精度優(yōu)于常用的運(yùn)算放大器。儀表放大器具有高共模抑制比、較大的輸入阻抗、較低的噪聲、較低的失調(diào)漂移、較低的線性誤差、增益設(shè)置靈活以及使用較為方便等特點(diǎn)［3］。由于儀器放大器的諸多優(yōu)良特性，所以較多應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集，放大弱小信號(hào)等方面。本文的設(shè)計(jì)中采用的是TI公司的INA110精密儀表放大器，電路原理如圖2所示。它主要由兩級(jí)差分放大器電路構(gòu)成。如圖2可知，芯片內(nèi)部的運(yùn)放A1、A2采用同相差分輸入方式。所采用的同相輸入的電路結(jié)構(gòu)可以大幅度放大電路信號(hào)，但是對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用。該特性可以減小前級(jí)輸入的微弱信號(hào)在電路中的衰減；通過前級(jí)差分輸入方式，這樣能夠有效提高電路中的差模信號(hào)的幅值比值（共模抑制比CMRR）。在共模抑制比不變的情況下，運(yùn)放以A3為核心部件組成的差分放大電路時(shí)，可大大降低對(duì)電阻的匹配要求精度。儀表放大器電路與常用的差分放大電路對(duì)比，其優(yōu)勢(shì)在于共模抑制性能更好，并且放大倍數(shù)的控制更加方便。圖3為精密儀表放大器電路原理圖，加速度傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)從J201端口輸入，INA110設(shè)置為200倍放大模式，其中R202電阻設(shè)計(jì)為0Ω（以便輸入級(jí)信號(hào)調(diào)整使用），電源采用雙電壓供電±6V，輸出端接入100Ω電阻。

1．3噪聲抑制電路在微弱信號(hào)檢測(cè)的過程中，抑制噪聲非常重要。這是因?yàn)槲⑷跣盘?hào)很容易受到來自外界環(huán)境和元器件在工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲影響。因此在抑制噪聲時(shí)，要綜合考慮這幾方面的因素。在進(jìn)行微弱信號(hào)的檢測(cè)時(shí)，為了減少集成運(yùn)算放大器中的噪聲干擾，應(yīng)該選擇接近理想運(yùn)算放大器的芯片。噪聲抑制電路選用TI公司的OPA1632芯片［4］，同時(shí)也可作為驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）芯片使用。它提供了信號(hào)放大后的輸出質(zhì)量，且具有非常低的噪聲和輸出驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。該芯片的性能優(yōu)異，其信號(hào)的失真度為0．000022％，電壓噪聲僅為1．3nV•Hz－1／2，增益帶寬達(dá)到180MHz，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用全差分結(jié)構(gòu)，從而確保了最大信噪比、平衡輸入和輸出轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍。由于加速度傳感器產(chǎn)生的頻率范圍通常在DC～2kHz，頻率低，低頻成分豐富，因此采用OPA1632芯片可以同時(shí)完成抑制噪聲和增強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)的要求。圖4為OPA1632濾波及驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

1．4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)檢波器設(shè)計(jì)中，采用TI公司的ADS1271精密ADC芯片進(jìn)行信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換，圖5是ADS1271采樣電路原理圖。圖中在ADS1271差分模擬信號(hào)輸入端，OPA1632作為運(yùn)放驅(qū)動(dòng)芯片，在AINP和AINN之間并聯(lián)1nF的電容，并在每一個(gè)模擬輸入端與地之間連接100pF電容，保證了AC的性能［5］。在參考電壓電路輸出端，設(shè)計(jì)了OPA350組成的參考電壓濾波器電路，保證了電壓噪聲輸入帶寬噪聲≤3mVRMF，進(jìn)一步提升了ADS1271的采樣精度。ADS1271是一個(gè)24位，Δ－∑模轉(zhuǎn)換器（ADC）其數(shù)據(jù)速率可達(dá)105ksps，提供了一個(gè)良好的直流精度和出色的AC性能［6］。高階穩(wěn)定斬波調(diào)制器能夠?qū)崿F(xiàn)非常低的漂移低通帶噪聲，同時(shí)板載數(shù)字抽取濾波器抑制調(diào)制信號(hào)的帶外噪聲。

2電路測(cè)試

本文按照上文設(shè)計(jì)的電路原理圖制作了電路板，如圖6所示。選用的測(cè)試儀器為KeySightDSO－X2012A數(shù)字示波器，為了便于開展數(shù)據(jù)后分析，將示波器顯示波形以數(shù)據(jù)形式傳輸給計(jì)算機(jī)，然后再進(jìn)行幅頻、相頻等特性分析處理［7］。在放大電路中提到過通頻帶的概念，也即放大電路輸出信號(hào)的幅度和相位會(huì)跟隨信號(hào)頻率的變化而發(fā)生改變的現(xiàn)象。通常放大電路的低頻段對(duì)比中頻段以及高頻段對(duì)比中頻段，信號(hào)幅值都會(huì)有所下降，同時(shí)還會(huì)發(fā)生一定的相移。在電路雪中將該現(xiàn)象稱為放大電路的頻率特性。放大電路的頻率特性它分為幅頻特性和相頻特性兩方面。因?yàn)榉糯箅娐返膸ㄌ匦圆灰恢拢瑢?dǎo)致不同頻率的信號(hào)增益各不相同，從而導(dǎo)致放大后的輸出波形失真。設(shè)定輸入信號(hào)20mV，頻率為449Hz的微弱信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行微弱信號(hào)放大，信號(hào)幅度達(dá)到1．2V，頻率為449Hz，采用KeySightDSO－X2012A數(shù)字示波器測(cè)量獲得實(shí)時(shí)信號(hào)如圖7所示，從圖中可以看到波形沒有失真且無噪聲疊加，采用失真度測(cè)量?jī)x測(cè)量其失真度THD≤2％，性噪比SNR達(dá)到81dB。圖8為噪聲抑制和屏蔽電路（即OPA1632電路）幅頻特性曲線，從圖中可以看到抑制頻率點(diǎn)在1kHz，滿足加速度傳感器信號(hào)頻率范圍，同時(shí)對(duì)高頻噪聲具有較好的抑制作用，帶內(nèi)平坦度較好，起伏小于0．5dB。

由于噪聲抑制電路對(duì)信號(hào)相位影響較大，根據(jù)放大器工作原理，要對(duì)它的相頻特性進(jìn)行分析。產(chǎn)生失真的原因是放大電路對(duì)不同頻率成分信號(hào)的不同相移。圖9為噪聲抑制和屏蔽電相頻特性曲線，從圖中可以看到在0～10kHz范圍內(nèi)，相移變化控制在2deg范圍內(nèi)，對(duì)加速度傳感器信號(hào)的相移特性影響較小，滿足信號(hào)需求。從以上測(cè)量結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的放大電路可以作為傳感器后級(jí)信號(hào)放大電路。所設(shè)計(jì)的電路能夠?qū)鞲衅鬏敵龅膍V級(jí)信號(hào)放大200倍，后經(jīng)過濾波降噪后再將信號(hào)輸出到A／D轉(zhuǎn)換芯片上，同時(shí)需要注意信號(hào)幅值范圍不能超出A／D芯片所能接收的信號(hào)范圍。通過示波器觀察波形可知，放大器輸出的響應(yīng)信號(hào)中沒有涵蓋其它頻率成分的信號(hào)，由此說明該放大電路的頻率響應(yīng)特性具有較好的性質(zhì)。同時(shí)，該電路工作穩(wěn)定可靠，噪聲小，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3結(jié)論

本文針對(duì)地質(zhì)勘探中振動(dòng)加速度傳感器產(chǎn)生的信號(hào)微弱、頻率低等特點(diǎn)，從實(shí)際電路角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了由儀表放大電路、噪聲濾波電路和屏蔽電路組成的小信號(hào)放大電路，通過仿真分析軟件開展了電路的仿真分析實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)，研究表明該電路系統(tǒng)能夠在輸入信號(hào)非常微弱的情祝下獲得較高的增益和信噪比，經(jīng)過放大后的信號(hào)能夠被A／D芯片所接收，達(dá)到常規(guī)A／D芯片的輸入要求。

作者：張慧敏 單位：重慶電子工程職業(yè)學(xué)院