高阻抗微弱信號(hào)測(cè)量的保護(hù)電路的研究與設(shè)計(jì)

1、高阻抗微弱信號(hào)測(cè)量的保護(hù)電路的研究與設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量檢測(cè)、光電信號(hào)探測(cè)、壓電以及生物體信號(hào)等高阻抗信號(hào)測(cè)量，易受到來自測(cè)量系統(tǒng)輸入、輸入偏置的影響，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中主要有與信號(hào)路徑相并聯(lián)的元器件如電阻、的分流，電纜泄漏電流和印刷板寄生漏電流的影響。因此，高阻抗微弱信號(hào)測(cè)量電路，必需經(jīng)過細(xì)心設(shè)計(jì)以滿足系統(tǒng)對(duì)低偏置電流、低噪聲和高增益的要求。1 高阻抗信號(hào)測(cè)量原理與影響因數(shù)分析高阻抗信號(hào)測(cè)量，易受到測(cè)量系統(tǒng)輸入阻抗的分壓與系統(tǒng)輸入偏置電流的影響。l所示，將被測(cè)高阻抗信號(hào)源與測(cè)量系統(tǒng)相連，信號(hào)源的戴維寧等效電路由vs與rs串聯(lián)而成。假定測(cè)量系統(tǒng)的等效輸入電阻為rin，輸入端為vin，因?yàn)閞s與rin的分壓

2、，使得輸入端電壓減小，測(cè)量系統(tǒng)的輸人端電壓為：假定rs=1 m，rin=100 m。當(dāng)vs=1 v時(shí)，vin=o99 v，可以看出，系統(tǒng)輸入電阻的負(fù)載效應(yīng)產(chǎn)生1的誤差。實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，需要增強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗。1所示，測(cè)量系統(tǒng)的偏置電流為ibias，假定電流正方向?yàn)榱魅霚y(cè)量系統(tǒng)，這一電流將在源電阻rs上產(chǎn)生誤差電壓，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)到的輸入電壓為：099 v。此時(shí)，輸入偏置電流將引起1的誤差。實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，需要降低測(cè)量系統(tǒng)的輸入偏置電流。從以上分析可以得出，提高測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗和減小輸入偏置電流對(duì)高阻抗信號(hào)測(cè)量有著重要的意義。測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗應(yīng)該遠(yuǎn)大于被測(cè)信號(hào)源的內(nèi)阻才干滿足對(duì)測(cè)量精確

3、度的要求。實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)的等效輸入阻抗主要包括有信號(hào)電纜絕緣電阻、信號(hào)調(diào)理電路的分流電阻、輸入阻抗，以及印刷電路板的寄生電阻。系統(tǒng)的輸入偏置電流主要包括有信號(hào)調(diào)理電路分流電流、信號(hào)輸入電纜和印刷、電路板上的泄露電流。目前，高輸入阻抗、低噪聲的fet放大器，其輸入阻抗高達(dá)10101012，輸入偏置電流為皮安(pa)量級(jí)，電壓、電流噪聲性能都能滿足普遍應(yīng)用場(chǎng)合。因?yàn)楸ж?fù)的高阻值電阻、低漏電流電容往往是難以得到的，從傳感器輸出的微弱信號(hào)，在經(jīng)過放大之前需要經(jīng)過各種調(diào)理，信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)顯得十分重要，它打算了測(cè)量系統(tǒng)的性能。如何提高測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗，減小輸入偏置電流與降低系統(tǒng)噪聲成為了高阻抗微弱信號(hào)

4、探測(cè)的主要考慮因數(shù)。這里主要就提高系統(tǒng)輸入阻抗和減小輸入偏置電流舉行討論和分析。2 電路設(shè)計(jì)與分析這里所指的庇護(hù)，是指將電路中的低阻抗節(jié)點(diǎn)電勢(shì)與高阻抗輸入端電勢(shì)近似等電勢(shì)的一種技術(shù)，即通過低阻抗的庇護(hù)電路，把電路中低阻抗節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)強(qiáng)制拉升到與高阻抗輸入端電勢(shì)近似相等。這里針對(duì)被測(cè)信號(hào)是源電阻rs=10 m、溝通信號(hào)幅值為o1 mv、直流信號(hào)電平為01 v的高阻抗微弱溝通電壓信號(hào)。信號(hào)源的戴維寧等效電路2中左邊虛線框所示，為vs與rs串聯(lián)構(gòu)成，信號(hào)調(diào)理電路包括高通濾波電路、前級(jí)放大電路和庇護(hù)電路。因?yàn)閷?shí)際探測(cè)信號(hào)，頻率成分往往較為復(fù)雜，有時(shí)想要測(cè)量的信號(hào)，深深地埋葬在其他頻率信號(hào)噪聲中，因此，信

5、號(hào)在進(jìn)入放大器之前，需要經(jīng)過濾波。本電路需要測(cè)量的信號(hào)為溝通信號(hào)，被直流電平所掩蓋，因此需要先對(duì)其高通濾波，濾波截止頻率由被測(cè)量信號(hào)的帶寬打算，通過轉(zhuǎn)變c1，r1的值來轉(zhuǎn)變高通濾波截止頻率，這里需要注重的是，理論上電阻r1的阻值越大越好，這樣可以提供測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗，事實(shí)上大阻值的電阻往往是不簡(jiǎn)單得到的，這里選用阻值為100 m的電阻，高通截止頻率為fh=16 hz。2所示，前級(jí)信號(hào)放大電路采納同相比例運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)，此電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋增大輸入電阻，減小輸出電阻，其放大倍數(shù)a等于：a=1+r4r5 (3)2中所示，電路電阻取值分離為：r4=100k，r5=1 k，因此放大倍數(shù)a=101倍

6、。這里需要注重同相比例運(yùn)算電路具有高輸入電阻、低輸出電阻的優(yōu)點(diǎn)，但因集成運(yùn)放有共模輸入，為了提高運(yùn)算精度，應(yīng)選用高共模抑制比的集成。常規(guī)辦法測(cè)量時(shí)，電阻r1的下端挺直與地相連，系統(tǒng)的輸入阻抗主要取決于電阻r1的值，系統(tǒng)的等效輸入阻抗約等于100 m。由以上分析可以得出，其測(cè)量誤差會(huì)達(dá)到10。這么大的誤差，在實(shí)際應(yīng)用中是不允許的。通過設(shè)計(jì)庇護(hù)電路，可以很好地解決這一問題。圖2中下側(cè)虛線框內(nèi)的電路為庇護(hù)電路，從放大器a1的反相輸入端引入信號(hào)到庇護(hù)放大器aguard的正相輸入端，庇護(hù)放大器實(shí)則為電壓尾隨器。電阻r1的低電位端加上庇護(hù)電位vguard，當(dāng)r2r3時(shí)。在一定頻率范圍內(nèi)，庇護(hù)電位近似等于高

7、阻抗輸入端電位vin，可以通過調(diào)整r2，r3的阻值來轉(zhuǎn)變庇護(hù)電位的大小。庇護(hù)電位由庇護(hù)緩沖放大器提供，而不是由信號(hào)源提供電阻r1的低阻抗端加上庇護(hù)電位后，其電壓降將大大減小，流經(jīng)它的電流也將大大減小。庇護(hù)電路需要滿足信號(hào)路徑阻抗遠(yuǎn)大于庇護(hù)電路阻抗，即：式中：zs表示信號(hào)路徑的阻抗，zg表示庇護(hù)電路阻抗，本設(shè)計(jì)中，r2=100 k，c2=1f，zszg=1 000。高阻抗微弱信號(hào)測(cè)量中，運(yùn)算放大器的挑選是至關(guān)重要的，需要考慮高的輸入阻抗、低的輸入偏置電流、低噪聲等參數(shù)。該電路選用ad公司的極低噪聲bifet運(yùn)算放大器ad743，其輸入偏置電流最大值為250 pa，輸入阻抗高達(dá)1010，cmrr達(dá)

8、90 db。實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)于輸入信號(hào)電纜引起的誤差，可以挑選用法絕緣電阻盡可能高的電纜，另外，在電纜屏蔽層加上庇護(hù)電勢(shì)vguard，可以大大降低電纜泄露電流引起的誤差。印刷電路板因?yàn)槲廴镜染売蓪?dǎo)致絕緣電阻下降而引起漏電流，當(dāng)運(yùn)放同相輸入端與電源輸入端相鄰時(shí)，會(huì)帶來干擾，因此，將庇護(hù)電勢(shì)加載于運(yùn)放輸入端與信號(hào)線周圍，將大大減小信號(hào)路徑上的泄露電流，而來自電源的漏電流將會(huì)被庇護(hù)電路汲取。3 結(jié)果分析對(duì)圖2所示的電路，用pspice仿真軟件對(duì)電路舉行模擬分析，溝通掃描的結(jié)果如下，各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓如表1所示，電阻r1的低阻抗端加上了90121v的庇護(hù)電壓，流經(jīng)電阻r1的分流電流為90031 fa。3所示，圖中上半部分為系統(tǒng)輸出信號(hào)波形，下半部分為系統(tǒng)輸入阻抗波形，從圖中可以看出，在頻率為100 hz處，測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓值vout為10011 mv，溝通輸入阻抗rin為1132 8 g。經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)的放大倍數(shù)a為100998倍。從上述分析可以得出，采納庇護(hù)電路大大提高了系統(tǒng)的輸入阻抗，減小了系統(tǒng)的輸入偏置電流。仿真結(jié)果與理論分析相符，庇護(hù)電路對(duì)高阻抗微弱電壓信號(hào)高精度測(cè)量提供保障。4 結(jié) 語(yǔ)本文從高阻抗信號(hào)測(cè)量原理動(dòng)身，