MCF51QE128的微弱信號檢測技術研究

王振宇，王萍

（天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津300387）

引 言

通常，數據采集系統的采樣對象都為大信號，即有用信號幅值大于噪聲信號。但在一些特殊的場合，采集的信號很微弱，并且淹沒在大量的隨機噪聲中。此種情況下，一般的采集系統和測量方法無法檢測該信號。本采集系統硬件電路針對微弱小信號，優化設計前端調理電路，利用測量放大器有效抑制共模信號（包括直流信號和交流信號），保證采集數據的精度要求。

微弱信號檢測技術就是研究噪聲與信號的不同特性，根據噪聲與信號的這些特性，擬定檢測方法，達到從噪聲中檢測信號的目的。微弱信號檢測的關鍵在于抑制噪聲，恢復、增強和提取有用信號，即提高其信噪改善比（SNIR）。信噪改善比（SNIR）定義為：

即輸出端的信噪比（SNR）o與輸入端的信噪比（SNR）i之比。SNIR 越大，表示處理噪聲的能力越強，檢測的水平越高。

1 系統硬件設計

整個數據采集系統硬件電路包括前端調理電路和數據采集電路兩大部分。前端調理電路主要功能是消除共模干擾，對微弱小信號進行放大、濾除、差分輸出，經雙絞線傳輸至數據采集電路。數據采集電路完成數據采集以及積累平均算法。

1.1 前端調理電路設計

前端調理電路由測量放大器、貝塞尓低通濾波器、差分輸出放大器構成，如圖1所示。

圖1 調理電路設計框架圖

數據采集系統中，若待測信號為很微弱的小信號，需要用放大器加以放大。通用運算放大器不能直接放大微弱信號，必須用測量放大器。測量放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強抗共模干擾能力、低溫漂、低失調電壓和高穩定增益等特點，在檢測微弱信號的系統中經常作為前置放大器。

為提高共模抑制比，測量放大器采用對稱結構如圖2所示。對于直流共模信號流過電阻的電流為零。當R3＝R4＝R5＝R6時，共模電壓輸出為零。而對交流共模信號，由于傳輸線存在線阻RI1、RI2和分布電容C1、C2，RI1C1和RI2C2分別對地構成回路，但當RI1C1≠RI2C2時，交流共模信號在運放的輸入端產生分壓，其電壓分別為Vi1和Vi2，且Vi1≠Vi2，電阻RG有交流共模電流流過，從而產生交流共模干擾。交流共模電壓混合于待測信號，影響數據采集的精度。為抑制交流共模信號干擾，在輸入端加入保護電路（圖中虛線框部分），將信號線屏蔽，當R1＝R2時，由于屏蔽層和信號線對交流共模信號等電位，則C1和C2的分壓作用不存在，從而降低交流共模信號的影響。

圖2 測量放大器電路

1.2 數據采集系統設計

基于單片機內部SAR 型ADC 的采集設計采用了Freescale公司的32 位單片機MCF51QE128。該芯片為高性價比、低功耗的32位微處理器，采用ColdFire V1內核，它與同系列8位微處理器MC9S08QE128兼容，能夠實現8位到32位的快速升級。

該單片機具有高速總線頻率、ADC模塊，以及PWM、SPI、SCI等模塊，具有超低功耗的特性，這完全符合數據采集所需的條件。基于單片機內部SAR 型ADC 的微弱信號檢測總體框架如圖3所示。

圖3 基于單片機內部ADC的信號檢測總體框架

2 系統軟件設計

ADC普遍應用于現代信號檢測，ADC 的轉換精度決定了數字處理精度。由于器件本身的特性，轉換過程中會引入噪聲，而噪聲的大小，自然影響轉換結果，從而影響系統測量精度。因此，ADC 的性能是決定數字設備測量精度的重要因素。在A／D 轉換前，輸入到A／D 轉換器的輸入信號必須轉換成電壓信號。

現有的ADC主要包括以下幾種類型：積分型、并行比較型、逐次逼近比較型、流水線型以及Σ-Δ 型。ADC 性能主要由以下參數反映：分辨率、轉換速度和信噪比等。

當A／D采集完全部的數據后，利用單片機的SCI模塊，設計串口通信電路，與上位機進行串口通信。并通過串口轉USB模塊傳輸到上位機進行MATLAB采樣數據處理。數據采集系統的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 基于Σ-Δ型AD7760的采樣的總體流程圖

3 MATLAB采樣數據分析

基于AD7760的A／D 數據采集，下位機和上位機的數據傳輸，對以下采集的數據進行分析。

如圖5所示，當輸入端短接時，采到的是系統噪聲，它采集的幅值是雜亂的，峰-峰值為2μV，產生噪聲的原因大致可以歸納為如下幾點：

①整個電源模塊的布局都有可能產生電壓源和電流源噪聲。

②對于高輸入阻抗的差分放大電路，盡管通過對不同類型的運算放大器的失真度、信噪比以及穩定增益等性能有了對比，但由運算放大器帶來的噪聲是沒法避免的，噪聲的產生有可能是其反饋環路中使用的元件。噪聲也可能從附近（或較遠的地方）的噪聲源耦合或感應至輸入、輸出、地回路或測量電路中。

③由于外部環境、人為接觸等產生的噪聲。

本次采集輸入的是1mV、10Hz的正弦波，橫坐標表示采集點數，縱坐標表示電壓峰值。但是從圖中可以看出，采集的波形不是標準正弦波，原因是：

①輸入微弱信號不穩定，經過差分放大以后，都會將電路內部本身噪聲也放大，出現很多的噪聲點。

圖5 輸入端短路

②微弱信號與噪聲疊加以后，使得采集的電壓幅值增大。通過以下公式對電壓峰-峰值進行轉換：V1＝X×3.275／24。

如圖6所示，當采集點數為640時，峰峰值為61 000，通過上述公式轉換可知實際檢測電壓值為0.011 3V，即為1.13mV；當采集點數為641時，對應值為62 000，經過轉換實際檢測電壓值為0.012V，即為1.2mV；當采集點數為645時，對應值為55 000，經過轉換可知時間電壓值為0.010 7V，即為1.07mV。

圖6 輸入為1mV、10Hz的正弦波

通過以上數據分析，對于微弱信號的檢測，實際測量值與理想測量值基本對應，達到了本設計所需要的檢測效果。

結 語

本文介紹基于MCF51QE128芯片，利用取樣累加平均的方法檢測噪聲覆蓋的微弱信號的數據采集系統。系統通過噪聲在微弱信號中的影響，選取了性能優異的運算放大器。針對微弱信號的檢測，通過對放大器以及元器件的布局和噪聲影響設計了前端調理電路和放大電路，在硬件上實現了對微弱信號的放大檢測方法，并通過系統軟件的設計以及MATLAB仿真實驗，驗證微弱信號檢測設計的可行性。但本文測量的微弱信號也只為模擬弱信號，而不是實際應用中的，所以對實際應用中不同的微弱信號檢測平臺的設計還需要進一步探討研究。

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