一種微伏信號濾波放大電路的設計

張文輝 王文博 陳丁

摘要：為了解決噪聲對微伏級信號的干擾，便于提取有用信號和提供后級處理，提出一種微伏信號濾波放大電路方案。系統主要由放大、濾波及隔離輸出三部分組成。經驗證：電路放大增益高,對10μV以上信號放大效果良好,避免了信號失真,以及高頻噪聲和50Hz市電的干擾，可滿足后級采集電路的信號輸入要求。

關鍵詞：微伏信號；放大；濾波；光電隔離1引言

通常，生物電及其它精密傳感器輸出信號極為微弱（1μV～100μV），且含有大量高頻噪聲以及交流供電網的50Hz工頻將造成了信噪比極低不利情況。為了便于后端儀器設備或者電路對這些微伏級信號進行處理，必須對雜波進行濾波且微伏也必須進行放大且不失真。介紹了一種微伏信號放大電路，可將微伏信號放大為伏特級信號，且保證信號放大不失真。

2電路設計

由于輸入信號為微伏級信號，顯然不在后端ADC電路工作范圍內（0～10V），因此放大電路的增益應該很大。但實現高增益必須要進行多級放大才可實現，隨著放大級數增多，勢必也帶來很多雜波。因此輸入信號采用屏蔽電纜送進輸入級放大后，首先進行低通濾波后，再輸入到中間級放大電路，而后進行高頻噪聲和市電50Hz降噪處理。經過輸出級放大進行第三級放大再次了提高增益，最后通過光電隔離裝置將前后級隔離，避免相互干擾且具有保護作用。此方案的電路提供86dB的增益及0. 15~100Hz 的通頻帶寬范圍[1]。該系統組成為如圖1所示：

2.1 放大電路

此放大濾波電路采用三級放大形式的方案，第一級放大級電路輸入端接入是有傳感器所采樣到的微伏級信號，在100μV以下，且含有大量雜波.輸入級放大電路決定了到整個方案性能，因此才會有高精度、高穩定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲和強抗干擾能力等性能。第二級中間放大電路，是放在低通濾波器之后；最后輸出放大級電路，放在市電陷波電路之后光電隔離裝置之前。原因：輸入的為微伏級信號和噪聲是疊加在一起的，通常比噪聲小得多，若輸入級放大增益過高，增大有用信號的同時，也會增大噪聲信號，造成了后續很難去除噪聲；信號經過低通濾波器后高頻噪聲得到有效抑制，再進行到中間放大。而中間級放大電路主要作用才是得到搞增益，是整個電路系統核心部門。輸出級只是補償信號在傳輸中的損耗，起到一個補充的作用。整個放大濾波電路的增益為各級增益的乘積,各級增益分別設置為：輸入級為34dB，中間級為40dB，末級為12dB，電路的總增益為86dB[2,3]。

2.2 低通濾波器及市電陷波電路

低通濾波器可以降低傳感器所采集到微伏信號以外的高頻噪聲信號，消除大量高頻噪聲的同時，無法消除交流市電中50Hz工頻的干擾。因此，采用陷波電路主要為了濾除50Hz工頻干擾。這里陷波電路使用比較常見雙T陷波電路，對于Ｒ和Ｃ的精度有很高要求，為了使濾波電路的中心頻率正好在50Hz處，因此必須采用高精度R和C。

2.3 光電隔離電路

為了第一、二級電路的干擾進入輸出端，故采用光電隔離裝置。這可以避免干擾信號通過地竄入后級以及前后電路地電位不相等帶來的影響，也可保證輸出端誤接其他高壓裝置燒毀整個電路的可能。在設計這部分電路中,特別要要注意兩個光電耦合器必須使前后級電源獨立，否則使用同一電源,因為交流分析中直流電源等同于接地狀態，噪聲會早兩個光電耦合器之間流動，造成了對輸出端最終信號的干擾。因此必須使前兩個獨立電源，這樣才能保證通過光電耦合器的信號是干凈的，而使前與后級才起到真正隔離作用[3]。

3電路調試與注意事項

將微伏信號灌入到電路輸入前端與通輸出端的信號之比，可以計算整個放大電路的增益。此時，采用的是僅有40μVpp的微伏信號，而該電路處理后的信號幅度值可達4.72Vpp，驗證了放大濾波電路可達50dB以上,符合性能指標的要求。通過雙通道示波器觀察看出響應信號與輸入信號是同頻變化，放大器輸出的響應信號中基本無雜波和市電干擾，說明該設計方案電路的具有良好的頻率響應特性。

4結論

經實驗可知，該放大濾波電路對10μV以上微伏信號具有良好的放大濾波作用，可以實現對輸入10到100μV之間的微伏信號輸出達到0.2到2V范圍之間，完全可以滿足一般ADC電路的要求,且電路系統組成簡單，成本較低，安全可靠，有較好市場應用前景。

[參考文獻]

[1]許大慶.檢測儀表微伏信號的直流放大[J].儀表技術,2004(6):70-71．

[2]李樹靖.線性光耦合器LOC110的原理與應用[J].世界電子元器件，2002,12:44-46．

[3]陳丁,王森,王穩奇.關于“電路分析”課程教學的幾點看法[J].吉林教育,2010(4):102.