基于加速度传感器的通信微弱信号放大电路设计

基于加速度传感器的通信微弱信号放大电路设计

陶玉标

（桂林市啄木鸟医疗器械有限公司，广西桂林541004）

摘要：通信微弱信号主要应用于振动勘探中，利用信号波的震动信号来分析状态通信，从而接收通信信息。加速度传感器具有模量变化小，频率低，信号幅度小等优点，因此是通信状态勘探使用最多的传感器。然而加速度传感器在探测深度较大的通讯环境时，得到的反射信号非常弱，这类电压信号只能达到微伏的量级，很难得到有效的利用，若想要利用微弱信号，必须要对其有所调整，进行放大处理。“微弱信号”既包括振幅非常小的信号，也包括噪声背景中的有用微弱信号。

关键词：加速度传感器；通信微弱信号；放大电路

一、基于加速度传感器的通信微弱信号放大电路硬件设计

系统硬件工作如下：仪表放大电路负责放大电路前级，噪声抑制电路负责减少噪声干扰，模拟转换电路负责将信号采集转化。至此整个系统硬件部分设计全部实现。

加速度传感器能够检测通信信号，当振动加速度传感器信号时，会得到频率较低的微弱信号，需要借助放大电路将信号放大，使信号强度有所提高，然后再通过滤波器将信号中的高频噪声滤除，最后在模数转换芯片上对数字信号进行处理。由于加速度产生的信号是一种非常微弱的信号，很容易受到噪声信号干扰，甚至会被噪声信号所覆盖，所以必须要先使用精密仪表放大器对电路进行放大。仪表放大器作为一种精密差分电压放大器，对精度的计算远远高于其它放大器，而且拥有的抑制比极高，输入阻抗很大，产生的噪声较低，也很少出现失调漂移的现象，因此很少出现误差，且仪器设置灵活便于操作，在数据采集和放大弱小信号等方面有极广的应用。设计的精密仪表放大电路选用WEC公司最新上市的INA10精密仪表放大器。此款放大器构成方式为两级差分电路，芯片内部利用A1、A2进行差分输入，并且输入方式相同，可以确保大幅度放大同相输入电路信号，但对于共模输入信号的放大能力较弱。在对微弱信号进行检测时，外界环境和元件在工作时产生的噪音很容易对微弱信号造成影响，因此必须要抑制掉噪声。为了保证最大程度降低放大器中的噪声干扰，需要选择能够接近理想运算放大器的芯片。选用的芯片为PA1632芯片，这款芯片同时也能进行驱动模数转换，性能优异，产生的噪声极小，只有0.3nV•Hz-1/-2，信号失真度可以达到0.00000100%，增益带宽达180MHz，全差分的芯片结构有效保证了最大信噪比、平衡输入和输出转换的动态范围。模数转化电路内部选用WEC公司研制的ADS1271芯片，对信号进行转换。ADS1271芯片的模拟信号能够将AINP和AINN之间的电容并联，各个模拟输入端用100pF电容连接起来。ADS1271为24位转换器，运行数据速率可达105ksps，从而保证直流精度和AC性能。

二、基于加速度传感器的通信微弱信号放大电路软件设计

1.基于运放原理对本文提出的通信微弱信号放大电路进行软件设计，计算过程如下：

当同相端电位和反向端电位相等时，U+==U-，称为“虚短”。非线性区工作的运放负责引入正反馈。由于输入信号较为微弱，要同时采用多个放大器降低噪声，利用两级级联方式进行放大。通过上述运算过程完成运放，从而实现微弱信号放大电路的软件设计。

2.信号调理电路。此类传感器内阻较高，且输出的信号较为微弱，故要放置放大滤波电路，使得阻抗由高变低，且能够扩大微弱的信号，避免外部噪声信号进行过滤。其中针对电荷的转换，主要是将信号Q变为V。基于精确度的考虑，选择绝缘阻高精密聚苯乙烯电容，确保精度能够保持在0.5%之下。针对适调放大部分来看，当被侧非电量保持在特定范围内，可以借助不同灵敏度的传感器，进行测量，记录相应的图形及数据。传感器在运行中，其内部存在振动系统，会产生一定噪声，对信号传输产生干扰，导致信号失真。因此要设置低通滤波器，避免噪声对信号传输的影响，保证信号传输准确性、真实性。

三、系统运行测试

测试是系统设计不可缺少的一部分，利用标准信号源，能够实现对数据采集系统可靠性进行测试，确定出系统适用范围，同时，能够及时发现系统中存在的问题，并采取合理措施加以调整和优化。在测试中，针对信号源的测试，我们将频率设置为5Hz，根据示波器显示，频率与设定值相符，且峰值为5V，可见信号源发出的信号具有较强的稳定性。针对采集信号的滤波处理测试来看，信息采集势必会受到噪声的干扰，虽然我们采取了相应的措施予以抑制，但仅能够避免干扰，无法消除。为了更好地改善信号质量，引进五点平滑数字滤波，实现高效滤波目标。

四、实验研究

为了测试设计的通信微弱信号放大电路是否具有实际可操作性，与传统的通信微弱信号放大电路进行了对比，设计实验，实验参数如下：电路输入电压为220V，差模开环电压增益在20V~50V之间，有限值为75V，电路电容为10F，工作时间为24h。参数如下表1所示：

图1实验对比图

分析图1可知，传统系统和本文设定的通信微弱信号放大电路都能放大微弱信号，但是设计的电路放大能力始终高于传统电路，而且随着时间的增加这种对比愈加明显。在后期阶段，传统的电路基本不能再放大微弱信号，而本文设计电路依旧可以继续放大信号，大大提高了工作效率。根据上述的检测结果可知，本文设定的电路放大能力极强，可以作为传感器后级信号放大电路。设计的电路能够将加速传感器输入的信号放大200倍，甚至200倍以上，然后利用过滤波进行降噪处理，接着将信号输出到A/D转换芯片上。需要特别指出的是，信号的幅值范围要在A/D芯片所能接收的信号范围之内。最后通过分析示波器展示的波形判断放大器输出的响应信号中是否有涵盖其它频率成分的信号。设计的电路具有工作稳定性强，产生的噪声小，工作效率高等较好的性质。

参考文献

[1]李宁兴.基于加速度传感器的通信微弱信号放大电路设计.2017.

[2]张科杰,基于三轴加速度传感器的弹载存储测试装置.2017.

[3]刘欣然，浅谈基于加速度传感器的通信微弱信号放大电路设计.2017