CN216647134U - 一种微弱信号的获取电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种微弱信号的获取电路，微弱信号为微弱电流信号，包括跨阻放大器、滤波模块、运算放大模块、单片机和控制模块；跨阻放大模块对所述微弱电流信号进行处理，输出第一模拟电压信号；滤波模块的输入端连接跨阻放大模块的输出端；对第一模拟电压信号进行滤波处理得到去噪电压信号；运算放大模块输入端连接滤波模块的输出端；对所述去噪电压信号进行放大处理，得到第二模拟电压信号；单片机的模拟输入端连接运算放大模块的输出端；对所述第二模拟电压信号进行转换处理输出数字电压信号；控制模块的输入端连接单片机的数字输出端；接收数字电压信号，并将数字电压信号进行存储。本实用新型能够实现在野外对微弱信号的获取及记录存储。

Description

一种微弱信号的获取电路

技术领域

本实用新型涉及信号处理技术，特别是涉及一种微弱信号的获取电路。

背景技术

随着高新科技对自然界野外生物的深度探索，人类需要获取更多自然界中野外生物的什么特性信号，包括生物发出的弱光、弱声、弱振动等相关的信号；而这些生命体脱离了其所在的自然环境，就不能生存，必须在野外对其相关的数据进行长期获取及记录；

在野外长期获取及记录的过程存在以下问题：

(1)如何实现对微弱信号的采集；

(2)记录仪无法长时间在工作。

目前技术中信号的采集及存储电路设计大多考虑的是室内的工作环境，所以大多数相关的仪器不能适应野外工作的相关要求。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种微弱信号的获取电路，用于解决现有技术中信号采集存储电路适用于野外长时间工作的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种微弱信号的获取电路，所述微弱信号为微弱电流信号，所述获取电路包括跨阻放大器、滤波模块、运算放大模块、单片机和控制模块；

所述跨阻放大模块的输入端接入所述微弱电流信号；用于对所述微弱电流信号进行放大处理，输出第一模拟电压信号；

所述滤波模块的输入端连接所述跨阻放大模块的输出端；用于对第一模拟电压信号进行滤波处理得到去噪电压信号；

所述运算放大模块输入端连接所述滤波模块的输出端；用于对所述去噪电压信号进行放大处理，得到第二模拟电压信号；

所述单片机的模拟输入端连接所述运算放大模块的输出端；用于对所述第二模拟电压信号进行转换处理输出数字电压信号；

所述控制模块的输入端连接所述单片机的数字输出端；用于接收所述数字电压信号，并将所述数字电压信号进行存储。

优选地，所述获取电路还包括锂电池、第一电源模块和第二电源模块；

所述第一电源模块的输入端连接所述锂电池，所述第一电源模块的输出端连接所述单片机；所述第一电源模块输出产生的第一工作电压为所述单片机单独供电；

所述第二电源模块的输入端连接所述锂电池，所述第二电源模块的输出端连接所述跨阻放大模块、所述滤波模块、所述运算放大模块和所述控制模块；所述第二电源产生的第二工作电压和第三工作电压在所述单片机休眠时停止供电。

优选地，所述第二工作电压为5V；所述第三工作电压为3.3V。

优选地，所述跨阻放大模块包括ADA4530芯片。

优选地，所述滤波模块采用8阶低通滤波器。

优选地，所述运算放大模块配置为型号为OPA211的单运算放大器。

优选地，所述单片机采用CH32F103R8T6。

优选地，所述控制模块包括eMMC，所述eMMC包括控制器和存储器；所述控制器控制数字电压信号按管理规则存储在所述存储器中。

如上所述，本实用新型的一种微弱信号的获取电路，具有以下有益效果：

本实用新型的微弱信号的获取电路，先通过跨阻放大模块实现对微弱信号的识别，从而处理输出第一模拟电压信号，然后对第一模拟电压信号进行滤波去噪，从而滤除干扰，然后对滤除干扰后的去噪电压信号进行放大处理得到第二模拟电压信号；通过单片机将第二模拟电压信号转换成数字电压信号，在控制模块的作用下，实现对数字电压信号的存储。通过本实用新型能够实现在野外对微弱信号的获取及记录存储。

附图说明

图1显示为本实用新型微弱信号的获取电路的原理结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

随着科学技术的不断发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测(如、弱光、微温差、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视。微弱信号是指深埋在背景噪声中的极其微弱的有用信号；主要是指声信号、光信号或电信号等消息强度低，既小有弱，不易被接收、感觉到或设备接收。

为了能够对微弱信号进行有效的获取，本实用新型提出一种微弱信号的获取电路；其中，微弱信号为微弱电流信号，所述获取电路包括跨阻放大器、滤波模块、运算放大模块、单片机和控制模块；

所述跨阻放大模块的输入端接入所述微弱电流信号；用于对所述微弱电流信号进行放大处理，输出第一模拟电压信号；

所述滤波模块的输入端连接所述跨阻放大模块的输出端；用于对第一模拟电压信号进行滤波处理得到去噪电压信号；

所述运算放大模块输入端连接所述滤波模块的输出端；用于对所述去噪电压信号进行放大处理，得到第二模拟电压信号；

所述单片机的模拟输入端连接所述运算放大模块的输出端；用于对所述第二模拟电压信号进行转换处理输出数字电压信号；

所述控制模块的输入端连接所述单片机的数字输出端；用于接收所述数字电压信号，并将所述数字电压信号进行存储。

本实用新型的微弱信号的获取电路，先通过跨阻放大模块实现对微弱信号的识别，从而处理输出第一模拟电压信号，然后对第一模拟电压信号进行滤波去噪，从而滤除干扰，然后对滤除干扰后的去噪电压信号进行放大处理得到第二模拟电压信号；通过单片机将第二模拟电压信号转换成数字电压信号，在控制模块的作用下，实现对数字电压信号的存储。通过本实用新型能够实现在野外对微弱信号的获取及记录存储。

作为对本实用新型的进一步限定，所述获取电路还包括锂电池、第一电源模块和第二电源模块；

所述第一电源模块的输入端连接所述锂电池，所述第一电源模块的输出端连接所述单片机；所述第一电源模块输出产生的第一工作电压为所述单片机单独供电；

所述第二电源模块的输入端连接所述锂电池，所述第二电源模块的输出端连接所述跨阻放大模块、所述滤波模块、所述运算放大模块和所述控制模块；所述第二电源产生的第二工作电压和第三工作电压在所述单片机休眠时停止供电。

作为对本实用新型的进一步限定，所述第二工作电压为5V；所述第三工作电压为3.3V，第一工作电压为3.3V。

本实施例中的获取电路通过外置的锂电池，一路为单片机提供工作电压，一路为所述跨阻放大模块、所述滤波模块、所述运算放大模块和所述控制模块提供工作电压，能够在单片机不使能工作时，降低功耗，从而在野外能源不足的情况下可实现更长时间的工作。同时第二电源模块提供5V的第二工作电压和3V的第三工作电压，从能能够满足跨阻放大模块、滤波模块、运算放大模块和控制模块对应电路的不同工作电压需求。

具体的，获取电路可以根据用户的设置，在不同的时间点通过控制电源输出使电路中的器件处于休眠模式及唤醒模式。由单片机向第一电源模块发出控制指令，从而实现控制第一电源模块是否提供第二工作电压和第三工作电压。

作为对本实用新型的进一步限定，所述跨阻放大模块包括ADA4530芯片。ADA4530芯片包括运算放大器和反馈电阻，反馈电阻并联在运算放大器的两端。

本实用新型中的ADA4530芯片能够实现高精度的fA级的放大，ADA4530芯片提供超低输入偏置电流，并且在25℃和125℃下对输入偏置电流进行过生产测试，能够确保器件达到用户系统的性能目标。ADA4530芯片中的集成式保护环缓冲器用于隔离输入引脚以防受到印刷电路板(PCB)漏电流的影响，而且能减少电路板元件数，简化系统设计。通过ADA4530芯片能够有效的将微弱电流信号转换成第一模拟电压信号。

作为对本实用新型的进一步限定，所述滤波模块采用8阶低通滤波器，采用LTC1069芯片。

由于在本电路中所需要的信号为低频信号，所以采用LTC1069进行低通滤波，即低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。LTC1069是一款单片式8阶低通滤波器，可提供时钟可调谐式截止频率和2.5mA电源电流(采用单5V电源)。通过滤波模块滤除微弱电流信号中的干扰信号，有效的保障了原始微弱信号的数据获取，使得滤波后可以获取干净的去噪电压信号。

作为对本实用新型的进一步限定，所述运算放大模块配置为型号为OPA211的单运算放大器。

在本实用新型中采用的是高精密、低配置的放大器，具体为OPA211，OPA211是一款单运算放大器，OPA211的工作电源电压范围为±2.25V～±18V，采用互补双极36V硅锗(SiGe)工艺，实现了超低噪声、低功耗、小封装尺寸以及高带宽等多种特性的结合。

在跨阻放大模块进行一级放大后，再使用OPA211进行二级放大，实现了对微弱电流信号的两级放大，可实现对fA级的电流信号放大。

上述跨阻放大模块、滤波模块和运算放大模块共同完成对微弱信号的处理，产生能够输入至单片机的模拟电压信号，具体工作时，当外部的微弱电流信号输入ADA4530时。微弱电流信号被转换成第一模拟电压信号，放大的系数将由反馈电阻决定。再通过LTC1069进行低通滤波，得到干净的去噪电压信号；最后经过电压的二次放大后，进行AD采样获取数据。

作为对本实用新型的进一步限定，所述单片机采用CH32F103R8T6。

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。CH32F103是一款32位内核通用微控制器。片上集成双USB2.0控制器、12位DAC，多通道12位ADC、多组定时器、CAN通讯控制器、I2C/USART/SPI等丰富的外设资源。本实施例中，具体采用的是低功耗的单片机CH32F103R8T6，低功耗的单片机使用，配合智能化的控制，使该获取电路的记录仪可以工作在不同的工作模式。

作为对本实用新型的进一步限定，所述控制模块包括eMMC，所述eMMC包括控制器和存储器；所述控制器控制数字电压信号按管理规则存储在所述存储器中。

先说明的是，eMMC(Embedded Multi Media Card)是MMC协会订立、主要针对手机或平板电脑等产品的内嵌式存储器标准规格。eMMC在封装中集成了一个控制器，提供标准接口并管理闪存，eMMC的存储器配置为MTFC32GJDED。其中，MTFC32GJDED内部是把Flash芯片、Flash控制器封装在一块。Flash控制器负责管理内存，并且提供标准接口，使得eMMC能够自动调整主机与从机的工作方式。eMMC具有大容量特点，大容量颗粒的使用，可使记录仪获取更长时间的数据。

第二模拟电压信号被送入单片机的模拟输入端，当单片机内部的模数转换器(ADC)获得输入的第二模拟电压信号后，通过ADC单元的模数转换，将第二模拟电压信号转换成数字信号。再由单片机的内部的微控制器将数字信号进行数据打包。数据打包完成后，送往存储器MTFC32GJDED将数据进行存储。

本实用新型通过采用新型的小型元器件及集成度更高的芯片，使整个电路板更小，更轻。从而大大减少了电路板放置外壳的大小及质量，从而便于野外工作人员携带。

综上所述，本实用新型的微弱信号获取电路具有以下有点：

(1)对微弱信号高比例放大：可达到fA级别的电流采集，采样的信号非常的微小。可以大大提升获取信号的级别。

(2)低功耗的微弱信号获取及记录：采用了低功耗的设计，实现微弱信号的获取与存储，非常适合野外便携。给野外科研工作带更大的便利。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种微弱信号的获取电路，所述微弱信号为微弱电流信号，其特征在于，所述获取电路包括跨阻放大器、滤波模块、运算放大模块、单片机和控制模块；

所述跨阻放大模块的输入端接入所述微弱电流信号；用于对所述微弱电流信号进行放大处理，输出第一模拟电压信号；

所述滤波模块的输入端连接所述跨阻放大模块的输出端；用于对第一模拟电压信号进行滤波处理得到去噪电压信号；

所述运算放大模块输入端连接所述滤波模块的输出端；用于对所述去噪电压信号进行放大处理，得到第二模拟电压信号；

所述单片机的模拟输入端连接所述运算放大模块的输出端；用于对所述第二模拟电压信号进行转换处理输出数字电压信号；

所述控制模块的输入端连接所述单片机的数字输出端；用于接收所述数字电压信号，并将所述数字电压信号进行存储。

2.根据权利要求1所述的微弱信号的获取电路，其特征在于，所述获取电路还包括锂电池、第一电源模块和第二电源模块；

所述第一电源模块的输入端连接所述锂电池，所述第一电源模块的输出端连接所述单片机；所述第一电源模块输出产生的第一工作电压为所述单片机单独供电；

所述第二电源模块的输入端连接所述锂电池，所述第二电源模块的输出端连接所述跨阻放大模块、所述滤波模块、所述运算放大模块和所述控制模块；所述第二电源产生的第二工作电压和第三工作电压在所述单片机休眠时停止供电。

3.根据权利要求2所述的微弱信号的获取电路，其特征在于，所述第二工作电压为5V；所述第三工作电压为3.3V。

4.根据权利要求1所述的微弱信号的获取电路，其特征在于，所述跨阻放大模块包括ADA4530芯片。

5.根据权利要求1所述的微弱信号的获取电路，其特征在于，所述滤波模块采用8阶低通滤波器，采用LTC1069芯片。

6.根据权利要求1所述的微弱信号的获取电路，其特征在于，所述运算放大模块配置为型号为OPA211的单运算放大器。

7.根据权利要求1所述的微弱信号的获取电路，其特征在于，所述单片机采用CH32F103R8T6。

8.根据权利要求1所述的微弱信号的获取电路，其特征在于，所述控制模块包括eMMC，所述eMMC包括控制器和存储器；所述控制器控制数字电压信号按管理规则存储在所述存储器中。

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