一种增益可控式信号调理电路设计

一、增益可控式信号调理电路基本结构

整个信号调理电路结构如图1所示, 包括低噪声前置放大器、带通滤波电路、增益控制电路、差分输出电路。

(一) 低噪声前置放大器设计

低噪声前置放大器对输入微弱电压信号进行初级放大, 隔离信号源与后级电路之间的耦合作用, 要求前置放大器具有输入阻抗高、噪声小等特点。

本设计采用低噪声运放AD8221来完成对前级信号的放大运算, 如图2所示。该运放具有两个差分输入端和一个输出端, 可以有效抑制电路中的共模干扰;因输入阻抗较高, 可以最大程度地将前端水听器信号耦合到放大电路中;输入电压噪声密度8n V Hz可以将电路的输入级噪声降到最低水平, 非常适合交流微弱信号的一级放大。该放大器的增益可以通过电阻Rg调节, 其传递函数为G1=+49.4kΩRg, 可将输入的差分信号转换为单端信号, 便于后续的信号处理。

(二) 带通滤波电路设计

滤波电路采用运算放大器与电阻、电容组成的有源滤波电路, 根据输入信号的特点, 选择合适的滤波电路形式及电路参数。运放本身开环电压增益和输入阻抗均较高、输出阻抗低, 构成有源滤波电路还具有一定的电压放大和缓冲作用。本设计中采用二阶压控电压源型高通滤波器与低通滤波器级联的形式实现所需频带信号的选择, 如图3所示。

在电路实现过程中, 元器件选用贴片形式的封装可以有效减小体积, 在滤波电路中选择误差范围为±1%的高精度COG贴片电容和电阻, 保证了滤波电路的滤波特性, 可以减小元器件的离散性对电路性能的影响, 保证多个通道之间的一致性。

(三) 增益控制电路设计

增益控制电路如图4所示, 它是由八选一多路选择开关和电阻衰减网络组成。电路实现增益控制的原理为:在两位增益控制码 (A1、A0) 的控制下选择不同的电阻衰减网络通道, 实现不同比例的信号衰减。不同阻值的电阻网络组合可以实现不同倍数的衰减。本设计中设置两位增益控制码实现0 (25) 24 d B的衰减, 每步进8d B, 增益控制命令由上位机提供。增益控制码对应的增益如表1所示。后级的差分输出电路将单端信号转换为差分信号供采集电路处理, 可以有效降低系统内部共模干扰。

二、系统性能测试

在实验室对所设计的电路进行测试, 测试信号由信号源产生, 并对测试结果进行比较分析。放大电路的增益为33.8d B, 满足设计要求34d B±1d B的要求。电路在1.5k Hz (25) 4.5k Hz频带范围内起伏满足≤1.5d B的要求。对电路发送增益控制命令, 测量对应增益控制码下信号的衰减幅度, 结果与电路设计要求一致。

三、结论

本文设计了一种增益可随外部命令进行调节的信号调理电路, 可应用于采集电路对输入信号幅度范围要求较高的电路中, 电路结构简单、性能稳定、易于实现。实验结果表明该电路具有良好的放大和滤波特性, 输出信号平稳、光滑, 信噪比得到明显改善。该设计对普通微弱电压信号的检测电路也具有一定参考意义。

摘要：一般信号调理电路只能对前级输入信号进行固定增益的放大及滤波处理, 当采集电路对输入信号幅度范围要求较高时就会出现无法采集的情况, 本设计结合多路选择开关及电阻网络提出了一种增益可随电路需求进行调节的信号调理电路, 经过对其测试, 验证了该调理电路的可行性。

关键词：增益控制,放大,滤波,信号调理

参考文献

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