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摘要：

在地質(zhì)振動勘探中存在微弱信號難以檢測的問題。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放大檢測裝置。先詳細(xì)闡述了該檢測裝置的電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)而根據(jù)微弱信號特征，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)微弱信號檢測前置放大電路，采用OPA1632設(shè)計(jì)抑制電路噪聲，并對微弱低頻信號進(jìn)行了測試，得到了理想的效果。

關(guān)鍵詞：

微弱信號，儀表放大器，幅頻特性，相頻特性，噪聲分析

地質(zhì)振動勘探主要是指通過獲取地震波的振動信號［1］，來對信號進(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。對于整個過程而言，能否精確獲取地震波的振動信號是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。目前地質(zhì)振動勘探中探測地震波信號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，信號幅度小，特別是探測深度較大時反射信號非常弱，一般情況下這類電壓信號只能達(dá)到微伏的量級，為了有效的利用這些信號，必須先對其進(jìn)行調(diào)理和放大處理?！拔⑷跣盘枴辈粌H僅是指振幅很小的信號，更重要的是指在大量噪聲背景中的有用微弱信號。為了提取出有用信號，首先應(yīng)考慮抑制噪聲，然后再對信號進(jìn)行幅度放大。因此，本文針對這一信號特性采用信號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)振動加速度傳感器信號，是一種頻率較低的微弱信號。因此需要先通過精密儀表放大器將信號放大，提高信號強(qiáng)度，再利用低通濾波器，濾除在信號中混雜的高頻噪聲，最后將信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)字化采樣處理。微弱信號放大檢測電路整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2儀表放大電路由于傳感器產(chǎn)生的信號十分微弱，容易被噪聲信號覆蓋，所以優(yōu)先選擇精密儀表放大器作為放大電路前級。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，但是對共模輸入信號只起跟隨作用。該特性可以減小前級輸入的微弱信號在電路中的衰減；通過前級差分輸入方式，這樣能夠有效提高電路中的差模信號的幅值比值（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，可大大降低對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比，其優(yōu)勢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（以便輸入級信號調(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檢測的過程中，抑制噪聲非常重要。這是因?yàn)槲⑷跣盘柡苋菀资艿絹碜酝饨绛h(huán)境和元器件在工作時產(chǎn)生的噪聲影響。因此在抑制噪聲時，要綜合考慮這幾方面的因素。在進(jìn)行微弱信號的檢測時，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］，同時也可作為驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）芯片使用。它提供了信號放大后的輸出質(zhì)量，且具有非常低的噪聲和輸出驅(qū)動等特點(diǎn)。該芯片的性能優(yōu)異，其信號的失真度為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芯片可以同時完成抑制噪聲和增強(qiáng)輸出驅(qū)動的要求。圖4為OPA1632濾波及驅(qū)動電路原理圖。

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差分模擬信號輸入端，OPA1632作為運(yùn)放驅(qū)動芯片，在AINP和AINN之間并聯(lián)1nF的電容，并在每一個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，同時板載數(shù)字抽取濾波器抑制調(diào)制信號的帶外噪聲。

2電路測試

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的幅度和相位會跟隨信號頻率的變化而發(fā)生改變的現(xiàn)象。通常放大電路的低頻段對比中頻段以及高頻段對比中頻段，信號幅值都會有所下降，同時還會發(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20mV，頻率為449Hz的微弱信號，對其進(jìn)行微弱信號放大，信號幅度達(dá)到1．2V，頻率為449Hz，采用KeySightDSO－X2012A數(shù)字示波器測量獲得實(shí)時信號如圖7所示，從圖中可以看到波形沒有失真且無噪聲疊加，采用失真度測量儀測量其失真度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頻率范圍，同時對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信號相位影響較大，根據(jù)放大器工作原理，要對它的相頻特性進(jìn)行分析。產(chǎn)生失真的原因是放大電路對不同頻率成分信號的不同相移。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)，對加速度傳感器信號的相移特性影響較小，滿足信號需求。從以上測量結(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信號放大電路。所設(shè)計(jì)的電路能夠?qū)鞲衅鬏敵龅膍V級信號放大200倍，后經(jīng)過濾波降噪后再將信號輸出到A／D轉(zhuǎn)換芯片上，同時需要注意信號幅值范圍不能超出A／D芯片所能接收的信號范圍。通過示波器觀察波形可知，放大器輸出的響應(yīng)信號中沒有涵蓋其它頻率成分的信號，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，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

本文針對地質(zhì)勘探中振動加速度傳感器產(chǎn)生的信號微弱、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