CN107144719A - 一种高精度微弱信号测试仪及测试方法 - Google Patents

一种高精度微弱信号测试仪及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种高精度微弱信号测试仪及测试方法，涉及适用于信号分析处理中的高精度微弱信号测试仪及测试方法，属于信号检测与处理领域，所述的微弱信号，频率为30Hz以下、幅值Ipp为10pA以下的电流信号。本发明公开的一种高精度微弱信号测试仪包括前置电流‑电压转换电路模块、第一级放大电路模块、电压跟随电路模块、第二级放大和低通滤波电路模块、信号反相放大电路模块和保护电路模块。还公开基于所述测试仪的一种高精度微弱信号测试方法。本发明提供一种高精度、低噪声、操作简单、价格低廉的微弱信号测试仪及测试方法，能够高精度检测超低频微弱信号，以实现该种信号的记录与数据处理，从而提高信号检测与处理精度。

Description

一种高精度微弱信号测试仪及测试方法
技术领域
本发明涉及信号检测与处理领域，特别涉及一种适用于信号分析处理中的高精度微弱信号测试仪及测试方法。
背景技术
在强噪声背景环境下的微弱信号的检测方法研究是信号分析与处理技术中的综合技术领域。微弱信号不仅相对于噪声而言，其幅值电压小，信噪比低，而且其频率低。在常规信号测量与处理中，检测信号电压大，信号的频率高，一般为100Hz以上，信噪比高。在实际信号检测中，需要对淹没在噪声中频率为30Hz以下、幅值电流为pA级的超低频微弱信号进行检测、分析与识别。在强噪声背景环境下，精确地提取超低频微弱信号极其困难。现有的微弱信号检测方法精度低、信噪比低，对微弱信号精确地检测与分析带来一定的困难。因此需要研发一种高精度微弱信号测试仪，实现对强噪声背景环境下超低频微弱信号的检测具有重要意义。
发明内容
针对解决目前微弱信号检测方法检测精度低、检测方法繁琐、仪器价格昂贵等问题，本发明公开的一种高精度微弱信号测试仪及测试方法要解决的技术问题为：提供一种高精度、低噪声、操作简单、价格低廉的微弱信号测试仪及测试方法，能够高精度检测超低频微弱信号，以实现该种信号的记录与数据处理，从而提高信号检测与处理精度。所述的超低频微弱信号，频率为30Hz以下、幅值Ipp为10pA以下的电流信号。
本发明的目的是通过下述技术方案实现。
本发明公开的一种高精度微弱信号测试仪，包括前置电流-电压转换电路模块、第一级放大电路模块、电压跟随电路模块、第二级放大和低通滤波电路模块、信号反相放大电路模块和保护电路模块。
所述的前置电流-电压转换电路模块用于从传感器输入的超低频微弱电流信号Iin转换为超低频微弱电压信号V1。
所述的第一级放大电路模块用于将超低频微弱电压信号V1经过第一级放大得到超低频电压信号V2，第一级放大电路的放大倍数由具体信号处理的精度需求和电路结构而定。
所述的电压跟随电路模块用于隔离第一级与第二级放大电路，降低它们之间的相互影响。
所述的第二级放大和低通滤波电路模块用于将超低频电压信号V2经过低通滤波、第二级放大器放大得到超低频电压信号V3。
所述的信号反相放大电路模块用于将放大后的信号V3进行反相放大，使得最终的输出信号V4与输入信号Iin同相，最终输出信号V4为输出满足记录测试要求的电压信号。
所述的保护电路模块用于电路输入、输出的过流、过压保护。
本发明还公开基于一种高精度微弱信号测试仪的一种高精度微弱信号测试方法：从传感器输入的超低频微弱电流信号Iin经过前置电流-电压转换电路模块，转换为超低频微弱电压信号V1；将超低频微弱电压信号V1经过第一级放大电路模块放大得到超低频电压信号V2；超低频电压信号V2经过电压跟随电路模块、第二级放大和低通滤波电路模块放大得到超低频电压信号V3；由于前面的前置电流-电压转换电路模块、第一级放大电路模块、第二级放大和低通滤波电路模块均是采用反相输入，所以放大后的信号V3需要反相电路模块进行再反相放大，使得最终的输出信号V4与输入信号Iin同相，最终输出信号V4为输出满足记录测试要求的电压信号。
所述的前置电流-电压转换模块包括高阻抗放大器Ug1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第一电容C1。第一电阻R1接在高阻抗放大器Ug1的反相输入端；第二电阻R2为高阻抗放大器Ug1的负反馈电阻；第三电阻R3一端接在高阻抗放大器Ug1的正相输入端，另一端接地；第一电容C1为负反馈电容，与第二电阻R2并联。
所述的第一级放大电路模块由第一放大器U1、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电位器RW1、第二电容C2组成。第四电阻R4接在第一放大器U1反相输入端；第五电阻R5一端接在第一放大器U1正相输入端，另一端接地；第一电位器RW1接在第一放大器U1的两个引脚上来调节前置放大的倍数，第二电容C2与第五电阻R5并联去噪。
所述的电压跟随电路模块由第二放大器U2的第一信号通道组成，第二放大器U2反相输入端与输出端连接。第一级放大电路模块输出的信号正相输入电压跟随模块电路。
所述的第二级放大和低通滤波电路模块由第二放大器U2的第二信号通道，第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二电位器RW2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5组成。第六电阻R6、第七电阻R7接在第二放大器U2第二信号通道的反相输入端；第八电阻R8一端接第二放大器U2第二信号通道的正相输入端，另一端接地；第二电位器RW2接第二放大器U2第二信号通道的负反馈，调节放大倍数；第三电容C3与第二电位器RW2并联；第四电容C4接在第二放大器U2第二信号通道的输出端与第六电阻R6、第七电阻R7之间，与第二电位器RW2、第三电容C3组成低通滤波电路；第五电容C5与第八电阻R8并联。
所述的信号反相电路模块由第二放大器U2的第三信号通道，第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11，第六电容C6组成。由于前面的前置电流-电压转换电路模块、第一级放大电路模块、第二级放大和低通滤波电路模块均是采用反相输入，因此最后需要接入信号反相模块电路来使得整个电路的输入和输出同相。
保护电路模块分别接在前置电流-电压转换模块电路与第一级放大电路模块之间和测试仪的输出端。前置电流-电压转换模块电路与第一级放大电路模块之间的保护电路由并联的第一二极管D1、第二二极管D2组成。测试仪输出端的保护电路由第十二电阻R12、第一稳压管Dw1、第二稳压管Dw2组成。另外，为滤除外界的噪声进入测试仪，测试仪输出端并联第七电容C7。
测试仪的信号输入和输出均采用同轴电缆，减少外界对信号的干扰。
有益效果：
1、本发明公开的一种高精度微弱信号测试仪及测试方法，采用高精度放大器、电阻、电容等元器件能够高精度对超低频微弱信号进行提取、放大、滤波等前置处理，从而便于对信号的后续处理；实验证明，测试仪及测试方法能够高精度对频率低于30Hz，幅值为pA级微弱电流信号进行检测。
2、现有低频微弱信号测试仪及测试方法常选用精度比较低的放大器组成放大、滤波电路，该种测试仪内部电路复杂、测试结果误差较大、价格昂贵等，比如锁相放大器。本发明提供一种高精度、低噪声、操作简单、价格低廉的微弱信号测试仪及测试方法，能够快速、准确检测出超低频微弱信号，以实现该种信号的记录与数据处理，从而提高信号检测与处理的效率。
附图说明
图1为测试仪的模块框图。
其中：101—前置电流-电压转换电路模块、102—第一级放大电路模块、103—电压跟随电路模块、104—第二级放大和低通滤波电路模块、105—信号反相放大电路模块、106—保护电路模块。
图2为测试仪的电路原理图；
图3为一种高精度微弱信号测试方法流程图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开一种高精度微弱信号测试仪包括前置电流-电压转换电路模块101、第一级放大电路模块102、电压跟随电路模块103、第二级放大和低通滤波电路模块104、信号反相放大电路模块105和保护电路模块106；
所述的前置电流-电压转换模块101包括高阻抗放大器Ug1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第一电容C1。高阻抗放大器Ug1是一种飞安输入偏置电流、高输入阻抗、低失调电压、低温度漂移的静电计放大器。第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3为具有高精度的金属膜电阻，第一电容C1为瓷片电容来降低噪声对信号的影响。第一电阻R1接在高阻抗放大器Ug1的反相输入端；第二电阻R2为高阻抗放大器Ug1的负反馈电阻；第三电阻R3一端接在高阻抗放大器Ug1的正相输入端，另一端接地，该电阻作为第一电阻R1和第二电阻R2的平衡电阻；第一电容C1为负反馈电容，与第二电阻R2并联，作为信号的反馈环路补偿，消除信号频率峰化影响，同时滤除第二电阻R2的热噪声。
所述的第一级放大电路模块102由第一放大器U1、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电位器RW1、第二电容C2组成。第一放大器U1是一款仪用放大器，具有低失调电压，只需要外接一个电阻就能实现放大倍数1～1000倍，由于电路的信号V1为mV级微弱电压信号，易受噪声干扰，为了降低过多的噪声进入后续电路，因此前置放大倍数不能过高。通过调节电位器RW1给第一级放大电路调节适当的倍数，一般为50倍以下。第四电阻R4接在第一放大器U1反相输入端；第五电阻R5一端接在第一放大器U1正相输入端，另一端接地；第一电位器RW1接在第一放大器U1的两个引脚上来调节前置放大的倍数，第二电容C2与第五电阻R5并联去噪。
所述的电压跟随电路模块103由第二放大器U2的第一信号通道组成，第二放大器U2反相输入端与输出端连接。第一级放大电路模块输出的信号正相输入电压跟随模块电路。电压跟随的作用是隔离前后放大电路，防止前后放大电路互相干扰，从而影响信号放大。
所述的第二级放大和低通滤波电路模块104由第二放大器U2的第二信号通道，第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二电位器RW2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5组成。第六电阻R6、第七电阻R7接在第二放大器U2第二信号通道的反相输入端；第八电阻R8一端接第二放大器U2第二信号通道的正相输入端，另一端接地；第二电位器RW2接第二放大器U2第二信号通道的负反馈，调节放大倍数；第三电容C3与第二电位器RW2并联；第四电容C4接在第二放大器U2第二信号通道的输出端与第六电阻R6、第七电阻R7之间，与第二电位器RW2、第三电容C3组成低通滤波电路；第五电容C5与第八电阻R8并联。由于前置转换输出的信号是mV级的电压信号，因此需要将信号放大为V级的电压信号才能被后续电路处理。调节第二电位器RW2使得第二级放大电路适当的放大倍数。主放大电路和滤波电路设置在一起使得电路简单易行，降低成本。
所述的信号反相电路模块105由第二放大器U2的第三信号通道，第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11，第六电容C6组成。由于前面的前置电流-电压转换电路模块101、第一级放大电路模块102、第二级放大和低通滤波电路模块104均是采用反相输入，因此最后需要接入信号反相模块电路来使得整个电路的输入和输出同相。
保护电路模块106分别接在前置电流-电压转换模块电路与第一级放大电路模块之间和测试仪的输出端。前置的保护电路由并联的第一二极管D1、第二二极管D2组成。测试仪输出端的保护电路由第十二电阻R12、第一稳压管Dw1、第二稳压管Dw2组成。另外，为滤除外界的噪声进入测试仪，测试仪输出端并联第七电容C7。
测试仪的信号输入和输出均采用同轴电缆，减少外界对信号的干扰。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高精度微弱信号测试仪，其特征在于：包括前置电流-电压转换电路模块(101)、第一级放大电路模块(102)、电压跟随电路模块(103)、第二级放大和低通滤波电路模块(104)、信号反相放大电路模块(105)和保护电路模块(106)；
所述的前置电流-电压转换电路模块(101)用于从传感器输入的超低频微弱电流信号Iin转换为超低频微弱电压信号V1；
所述的第一级放大电路模块(102)用于将超低频微弱电压信号V1经过第一级放大得到超低频电压信号V2，第一级放大电路的放大倍数由具体信号处理的精度需求和电路结构而定；
所述的电压跟随电路模块(103)用于隔离第一级与第二级放大电路，降低它们之间的相互影响；
所述的第二级放大和低通滤波电路模块(104)用于将超低频电压信号V2经过低通滤波、第二级放大器放大得到超低频电压信号V3；
所述的信号反相放大电路模块(105)用于将放大后的信号V3进行反相放大，使得最终的输出信号V4与输入信号Iin同相，最终输出信号V4为输出满足记录测试要求的电压信号；
所述的保护电路模块(106)用于电路输入、输出的过流、过压保护。
2.如权利要求1所述的一种高精度微弱信号测试仪，其特征在于：
所述的前置电流-电压转换模块(101)包括高阻抗放大器Ug1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第一电容C1；第一电阻R1接在高阻抗放大器Ug1的反相输入端；第二电阻R2为高阻抗放大器Ug1的负反馈电阻；第三电阻R3一端接在高阻抗放大器Ug1的正相输入端，另一端接地；第一电容C1为负反馈电容，与第二电阻R2并联；
所述的第一级放大电路模块(102)由第一放大器U1、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电位器RW1、第二电容C2组成；第四电阻R4接在第一放大器U1反相输入端；第五电阻R5一端接在第一放大器U1正相输入端，另一端接地；第一电位器RW1接在第一放大器U1的两个引脚上来调节前置放大的倍数，第二电容C2与第五电阻R5并联去噪；
所述的电压跟随电路模块(103)由第二放大器U2的第一信号通道组成，第二放大器U2反相输入端与输出端连接；第一级放大电路模块输出的信号正相输入电压跟随模块电路；
所述的第二级放大和低通滤波电路模块(104)由第二放大器U2的第二信号通道，第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二电位器RW2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5组成；第六电阻R6、第七电阻R7接在第二放大器U2第二信号通道的反相输入端；第八电阻R8一端接第二放大器U2第二信号通道的正相输入端，另一端接地；第二电位器RW2接第二放大器U2第二信号通道的负反馈，调节放大倍数；第三电容C3与第二电位器RW2并联；第四电容C4接在第二放大器U2第二信号通道的输出端与第六电阻R6、第七电阻R7之间，与第二电位器RW2、第三电容C3组成低通滤波电路；第五电容C5与第八电阻R8并联；
所述的信号反相电路模块(105)由第二放大器U2的第三信号通道，第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第六电容C6组成；由于前面的前置电流-电压转换电路模块(101)、第一级放大电路模块(102)、第二级放大和低通滤波电路模块(104)均是采用反相输入，因此最后需要接入信号反相模块(105)电路来使得整个电路的输入和输出同相；
所述的保护电路模块(106)分别接在前置电流-电压转换模块电路与第一级放大电路模块之间和测试仪的输出端；前置电流-电压转换模块电路与第一级放大电路模块之间的保护电路由并联的第一二极管D1、第二二极管D2组成；测试仪输出端的保护电路由第十二电阻R12、第一稳压管Dw1、第二稳压管Dw2组成；另外，为滤除外界的噪声进入测试仪，测试仪输出端并联第七电容C7。
3.如权利要求1所述的一种高精度微弱信号测试仪，其特征在于：测试仪的信号输入和输出均采用同轴电缆，减少外界对信号的干扰。
4.基于权利要求1、2或3所述的一种高精度微弱信号测试仪的一种高精度微弱信号测试方法：从传感器输入的超低频微弱电流信号Iin经过前置电流-电压转换电路模块(101)，转换为超低频微弱电压信号V1；将超低频微弱电压信号V1经过第一级放大电路模块(102)放大得到超低频电压信号V2；超低频电压信号V2经过电压跟随电路模块(103)、第二级放大和低通滤波电路模块(104)放大得到超低频电压信号V3；由于前面的前置电流-电压转换电路模块(101)、第一级放大电路模块(102)、第二级放大和低通滤波电路模块(104)均是采用反相输入，所以放大后的信号V3需要信号反相电路模块(105)进行再反相放大，使得最终的输出信号V4与输入信号Iin同相，最终输出信号V4为输出满足记录测试要求的电压信号。
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