基于AD7705的高精度極微弱信號A/D轉(zhuǎn)換的電路的設(shè)計

曾 軒，董延華

(吉林師范大學(xué) 計算機學(xué)院，吉林 四平 136000)

1 電路的基本結(jié)構(gòu)

傳感器所產(chǎn)生的電信號多為頻率較低的電壓或電流信號，對于普通電信號，通過配置相應(yīng)的寄存器，AD7705能夠直接對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，但當(dāng)信號極微弱時，為了能夠?qū)τ杏眯盘栠M(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，應(yīng)該首先對信號進(jìn)行相應(yīng)的處理．本實驗設(shè)計的微弱信號模數(shù)轉(zhuǎn)換前置電路的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 極微弱信號模數(shù)轉(zhuǎn)換前置電路的整體結(jié)構(gòu)

考慮到噪聲對極微弱信號有較大的影響，所以選擇適合放大微弱信號的放大器INA118，INA118為高精度、高穩(wěn)定度、差分式結(jié)構(gòu)的集成儀表放大器．濾波階段為了增強低通濾波器濾除噪聲的能力，利用二階低通濾波器為有用信號濾波，之后再次由運算放大器放大，經(jīng)過前面幾級電路的處理，有用信號便可送入AD7705芯片，進(jìn)行高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換．

2 極微弱信號模數(shù)轉(zhuǎn)換前置電路的具體實現(xiàn)

2.1 A118放大電路

本級放大電路如圖2所示，主要由儀表放大器INA118構(gòu)成，并對輸入信號用旁路電容接地，以濾除部分交流噪聲，減少其對測量結(jié)果的影響．通過調(diào)節(jié)INA118的外接電阻Rg可以實現(xiàn)電路從1到1000之間的不同增益，增益的大小可由下式?jīng)Q定：

圖2INA118放大電路圖

(1)

由于我們放大的是極其微弱的電信號，信號幅度小于噪聲幅度，為了不使后續(xù)放大電路飽和，INA118的增益設(shè)置不宜太大，本實驗在INA118上接阻值為5 kΩ的電阻，放大倍數(shù)為11倍．

2.2 低通濾波電路

在上一級電路中信號被放大的同時與噪聲也被放大，且噪聲的幅度大于信號幅度，需接濾波電路將噪聲濾除，由于噪聲為相對于有用信號的高頻成分，所以此級采用低通濾波電路，這樣可有效地提高信噪比．為增強濾波功能，有效地達(dá)到我們的要求，本實驗采用二階低通濾波電路，電路如圖3所示．

圖3 二階低通濾波電路

該級二階低通濾波器由同相比例放大電路和兩節(jié)RC濾波電路組成，在運放輸出到運放同相輸入之間引入一個負(fù)反饋，使得電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，通過負(fù)反饋起到削弱輸入信號的作用，減小電壓放大倍數(shù)，使得高頻信號使通過此低通濾波器后迅速衰減，低頻信號可順利通過，傳遞函數(shù)為：

(2)

式中零頻增益為：

(3)

自然角頻率為：

(4)

阻尼系數(shù)為：

(5)

其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低．

2.3 運算放大電路

經(jīng)過二階低通濾波電路，高頻噪聲分量被有效的去除，有用信號的輪廓基本可見．但信號的幅度不夠大，不利于芯片的處理，可繼續(xù)放大，如圖4所示，本級采用反向比例運算放大電路對濾波后的電信號繼續(xù)放大之后再交由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片處理．

圖4 運算放大電路

設(shè)計中，選擇接近理想運算放大器的芯片可有效減少集成運算放大器自身對電路的干擾，本設(shè)計采用LM324芯片，圖4中，信號加在反向輸入端，有U+=U-=0，并由基爾霍夫定律得：

(6)

(7)

上式可知，輸出電壓Uo與輸入電壓Ui成反向比例關(guān)系，根據(jù)需要改變兩個電阻Rf與Ri的阻值就可以改變輸出電壓的值，得到要求的放大倍數(shù)．

2.4 AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

傳感器產(chǎn)生的極微弱信號經(jīng)由上述放大濾波電路處理后，已經(jīng)達(dá)到AD7705芯片對輸入模擬電壓的要求，可送入AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，通過AD7705芯片對信號的進(jìn)一步處理后便可進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換．在本級設(shè)計中還采用芯片AD780提供AD7705工作時所需的精準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓，晶振提供芯片的主時鐘，本級電路圖如圖5所示．

圖5 基于AD7705的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

AD7705是帶有自校正功能的16位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，共有16個引腳， 8個寄存器，AD7705的三線制串行接口，使其可以方便的與單片機等微處理器進(jìn)行連接，芯片所有功能的設(shè)置均通過微處理器對寄存器的控制來實現(xiàn)．由于AD7705具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能，低電壓、低功耗等優(yōu)點，以及具有2個全差分輸入通道、可編程增益(8種放大倍數(shù))、可編程輸出數(shù)據(jù)更新率、16 位無丟失代碼、0.003%非線性以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)等基本功能，使得它在工業(yè)控制和儀器儀表測量等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛．

3 結(jié)論

本文中所討論的高精度極微弱信號前置放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路適用于許多對精準(zhǔn)要求比較高的傳感器及其他電路．運用本文所闡述的放大和降噪方法，可以有效地放大有用信號，抑制和屏蔽可能對電路造成影響的噪聲，對有用信號進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過測試傳感器產(chǎn)生的極微弱信號，得到了較為理想的結(jié)果，說明該電路可以應(yīng)用到極微弱信號的放大轉(zhuǎn)換過程中．

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