微弱信號檢測是隨著工程應用而不斷發展的一門學科,是利用電子學、信息論和物理的方法,分析噪聲產生的原因和規律,研究被測信號的特點與相關性,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。強噪聲背景下微弱信號處理是現代信號處理技術中的一項綜合技術和尖端領域,運用這種技術使得微弱量(如弱光、小位移、微振動、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。
對信號的預濾波處理則成為了提高其準確度的關鍵要素,本文就是基于這樣的思想,利用MAX260設計出具有良好效果的預濾波器。

模擬信號處理系統
假定接收到的信號已經通過頻率轉換變為基帶信號。為了防止未知的噪聲信號使放大器飽和,通常進行多級放大。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,已經將隱藏在噪聲中的微弱信號變為適當幅度的平穩信號,為后續的A/D變換、LCD顯示等信號處理打下良好的基礎。這個過程就構成了信號濾波放大系統,原理框圖如圖1所示。

圖1  模擬信號處理系統框圖

器件的選擇與應用
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生的頻率(0.03Hz~3.3Hz),因此在選擇濾波器件時,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。
可編程開關電容濾波器MAX260
MAX260是Maxim公司的CMOS雙二階通用開關電容有源濾波器,可以采用微處理器控制其精確濾波器函數,無需外圍元件即可構成多種帶通、低通、高通、帶阻、全通濾波器,其內部含有兩個二階濾波單元,每個單元中心頻率、Q值、濾波器工作模式均可由程序設置。MAX260具有如下特點:微處理器接口、64步中心頻率控制、128步品質因數控制、獨立的中心頻率和品質因數編程、保證時鐘頻率f0對比值精度為1%、單+5V或?V電源電壓工作以及0.01Hz到7.5kHz的中心頻率范圍。并且與數字濾波器相比,處理速度快、整體結構簡單。
圖2為一個用MAX260設計的帶通濾波器。該濾波器由低通濾波器和高通濾波器設計組成。其參數信號(CLKA、CLKB、A1~A0、D3~D0、)的輸入均可由CPU控制設置。將濾波器A設置為一個切比雪夫低通濾波器,濾波器B設置為一個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鐘輸入信號,可根據不同的濾波器參數設置不同的頻率,信號引腳控制地址位與數據位的更新。具體參數設計可以利用Maxim的濾波器設計軟件,可極大的簡化采用MAX260構成多種有源濾波器的設計過程。
高精度斬波穩零運算放大器TLC2652
斬波穩零型運算放大器提供了一種解決微弱信號放大問題的廉價方案。TLC2652和TLC2652A是德州儀器公司的高精度斬波穩零運算放大器。在TLC2652中,內部時鐘使放大器以450Hz的頻率校零。在8引腳封裝的芯片中,這個頻率是不可調的。這時,電路中的負反饋電阻要選的大些,以使箝位發揮作用時電路的增益下降得更多。當然,使用CLAMP引腳后,電路的輸出幅度會略有減小。斬波穩零的工作方式使TLC2652具有優異的直流特性,失調電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對運算放大器的影響被降低到了最小。低頻信號經過兩個放大器放大,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。

圖2  帶通濾波器

圖3  TLC2652典型正相放大電路

從理論上講,為了盡量展寬電路的頻帶,斬波頻率fc應越高越好,但fc的提高又會造成嚴重的尖峰效應,使斬波器漂移增大,所以通常fc?0kHz。這就是導致斬波穩零運算放大器頻帶窄的原因。TLC2652的過載恢復時間是比較短的(30ms左右),如要進一步減小恢復時間,可以使用電路的CLAMP引腳。TLC2652在作直流微信號放大時,為了進一步減小交流干擾,可以在輸出端加接一個低通濾波器,以濾除輸出電壓中的交流分量,使輸出電平更加穩定。圖3為TLC2652典型正相放大電路。
在元件的選擇中需要特別注意的是,電路中的兩個記憶電容C3和C4必須使用絕緣電阻很高的優質電容器。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0.1F至1F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。在一些斬波穩零運算放大器中把記憶電容接至VDD-引腳會增加噪聲,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,需要注意兩個方面:一是負反饋電阻必須有足夠的精度,并且電路的閉環增益不能太大;二是必須提高印制板的質量,防止印制板表面的漏電流。

結語
強雜波背景下低頻微弱信號處理是信號處理領域的難點同時也是熱點。在處理完模擬預濾波后還需要注意在進行后續處理(如進行A/D轉換)時,放大器采用直接耦合方式,加隔直電容會衰減有用的極低頻率成分。實驗結果表明可編程開關電容濾波器MAX260以及高精度斬波穩零運算放大器TLC2652可以很好的實現低頻微弱信號的濾波放大處理。低頻微弱信號的模擬預處理在信號處理過程中起到了非常重要的作用,各種性能優良的測量儀器不斷推出,大大提高了微弱信號檢測的精度。