基于MAX260的低頻微弱信號的模擬預(yù)處理

摘要：強(qiáng)雜波背景下對微弱信號的檢測和提取是現(xiàn)代信號處理技術(shù)中的一項(xiàng)尖端技術(shù)。對低頻微弱信號的預(yù)處理是它的關(guān)鍵所在。本文簡單的介紹了可編程開關(guān)電容濾波器MAX260以及高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器TLC2652的原理和特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上基于低速目標(biāo)信號的檢測原理設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)低頻微弱信號模擬預(yù)處理的結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可取得很好的效果，并已在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：微弱信號檢測；低頻信號；模擬預(yù)處理；

引言

微弱信號檢測(Weak Signal Detection)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[1]。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(dòng)、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的特性來進(jìn)行設(shè)計(jì)出具有良好效果的預(yù)濾波器。我相信，隨著社會(huì)以及科技的發(fā)展，在這方面的應(yīng)用于開發(fā)必將在物理、化學(xué)、天文、生物、醫(yī)學(xué)以及多種工程應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在國內(nèi)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(jīng)通過頻率轉(zhuǎn)換變?yōu)榛鶐盘枴榱朔乐刮粗脑肼曅盘柺狗糯笃黠柡?，我們通常進(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)原理框圖

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 是美國Maxim公司推出的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比MAX261和MAX262有較好的偏移與直流特性。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±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(shù)字濾波器相比，處理速度快、整體結(jié)構(gòu)簡單。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示：

 
 
圖2 濾波器框圖（一個(gè)二階組）

其芯片主要由放大器、積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)(SCN) 和工作模式選擇器組成。積分器、電容切換網(wǎng)絡(luò)和工作模式選擇器分別由編程數(shù)據(jù)M0,M1、 F0～F5 和Q0～Q6 控制。每片MAX260包括兩個(gè)二階開關(guān)電容有源濾波器，每個(gè)二階組使用兩個(gè)串聯(lián)的積分器和一個(gè)求和運(yùn)算放大器。每個(gè)二階濾波器組件有四種工作方式及各自的時(shí)鐘輸入和獨(dú)立的f0和Q控制。每個(gè)二階組的中心頻率是由其輸入的時(shí)鐘頻率和六位編程代碼決定的，Q值由七位代碼控制。 MAX260系列濾波器中，內(nèi)部采樣速率為輸入速率的一半。MAX260使用了MAX261或MAX262中不具有的自動(dòng)調(diào)零電路，這可以提供更好的DC 特性，并通過犧牲高端頻率和信號帶寬提供改進(jìn)的低頻特性。故可很好的用于低頻信號的濾波處理。

圖3為一個(gè)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。

 
圖3 帶通濾波器

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是德州儀器公司使用先進(jìn)的LinCMOSTM工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器。

圖4 TLC2652的8引腳封裝圖 
 
         
圖5 TLC2652的簡化框圖

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后，電路的輸出幅度會(huì)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。

從理論上講，為了盡量展寬電路的頻帶，斬波頻率fc應(yīng)越高越好，但fc的提高又會(huì)造成嚴(yán)重的尖峰效應(yīng)，使斬波器漂移增大，所以通常fc≤10kHz。這就是導(dǎo)致斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器頻帶窄的原因。TLC2652的過載恢復(fù)時(shí)間是比較短的（30ms左右），如要進(jìn)一步減小恢復(fù)時(shí)間，可以使用電路的CLAMP引腳。TLC2652在作直流微信號放大時(shí)，為了進(jìn)一步減小交流干擾，可以在輸出端加接一個(gè)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。

 
 
圖6  TLC2652典型正相放大電路

在元件的選擇中需要特別注意的是，電路中的兩個(gè)記憶電容C3和C4必須使用絕緣電阻很高的優(yōu)質(zhì)電容器。例如，聚酯薄膜電容器、聚苯乙烯電容器、聚丙烯電容器等可以作為記憶電容器，容量可以從0.1μF至1μF中選擇，電容的一端接到C3或C4引腳，另一端接至VDD-或C RETURN引腳。在一些斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器中把記憶電容接至VDD-引腳會(huì)增加噪聲，而TLC2652則沒有這種問題。TLC2652是高精度放大器，往往在輸入電壓為微伏量級的情況下高增益工作。要保證放大器的精度，需要注意以下兩個(gè)方面：一是負(fù)反饋電阻必須有足夠的精度，并且電路的閉環(huán)增益不能太大；二是必須提高印制板的質(zhì)量，防止印制板表面的漏電流。
 
結(jié)束語 

強(qiáng)雜波背景下低頻微弱信號處理是信號處理領(lǐng)域的難點(diǎn)同時(shí)也是熱點(diǎn)。在處理完模擬預(yù)濾波后還需要注意在進(jìn)行后續(xù)處理（如進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換）時(shí)，放大器采用直接耦合方式，加隔直電容會(huì)衰減有用的極低頻率成分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可編程開關(guān)電容濾波器MAX260以及高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器TLC2652可以很好的實(shí)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(yù)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。

參考文獻(xiàn)
[1]    曾慶勇.微弱信號檢測.杭州：浙江大學(xué)出版社，1996，p1-83
[2]    Wiener，N.Extrapolation. Interpolation and Smoothing of Stationary Time Series.
Wiley， New York，1949
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[4]    Texas Instruments Incorporated，TLC2652/TLC2652A/TLC2652Y Data Sheet