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基于ARM的微伏信号在线监测系统设计

作者:时间:2011-07-12来源:网络收藏

1   引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/150480.htm

  中,待测幅值在50μV左右,而背景噪声幅值在50mV以上,用一般的采集和测量无法准确检测该。针对被背景噪声覆盖的微小,采用滤波降噪和差分放大手段,提高信噪比,保证待测信号能被准确采集;采用核的32位微处理芯片S3C44B0X和μClinux操作的嵌入式图形用户界面MicroWindows,完成实时显示测量结果和实现故障自动报警,同时具有体积小、功耗低、操作灵活的特点,为实现微伏信号功能提供了一种良好的解决方案。

  2   系统硬件

  整个微伏信号系统硬件主要分为两个部分,即前置放大电路和的数据采集与显示电路,如图1所示。

  

基于ARM的微伏信号在线监测系统设计

  图1 系统方案示意图

  2.1  前置放大电路

  待测信号幅值为50μV,而背景噪声幅值在50mV以上,SNR(信噪比值)在1/1000以下,所以必须根据信号特点进行降低噪声功率,提高信噪比。通过实验,发现信号与噪声频谱不重叠,噪声频率主要集中在高频段。利用滤波器的频率选择特性,可设置低通滤波器,其通带范围能够覆盖信号的频谱,使信号通过滤波器衰减很少,同时噪声频率处于通带之外,通过滤波器后功率大幅度衰减,因此信噪比得以提高。

  本采用二阶有源低通滤波器,经实验对比,取二阶有源低通滤波器的截止频率fH为200Hz,品质因数Q为0.707,可使SNR达10以上,SNIR(信噪改善比)达10000以上。

  在实际应用中发现,待测信号和监测系统之间的参考零电势点之间存在电势差,由于两者由同一电源供电,因而形成“地环流”。电流从电源地线流入被测信号的接地点,然后通过信号地线流入监测系统,又通过监测系统的接地点回到电源地线,导致在线监测的过程中地线上出现很高的共模干扰噪声。在这样的工作环境下,使用普通的低温漂高精度运算放大电路,不能准确放大和测量待测信号。因此本采用高增益、高输入阻抗和高共模抑制比的三运放差分放大电路,消除共模干扰,如图2所示。

  

基于ARM的微伏信号在线监测系统设计

  图2 三运放差分放大电路

  集成运放A1和A2都接成同相输入、比例运算电路形式,这样电路输入阻抗很高。电路结构采用严格地对称形式,以使漂移、噪声、失调电压及失调电流等互相抵消。同时采用高精密电阻,以提高测量精度。将滤波后的信号线接入Vi+端口,而把信号地线接入Vi-端口,经过三运放差分放大电路输出电压为:

  

基于ARM的微伏信号在线监测系统设计

  经实验对比,本设计在强干扰环境下,对微伏信号有较好的放大效果。经过前置放大后的信号,有效地消除了干扰和噪声,具有良好的线性关系,实验结果如图3所示。经过差动放大后的信号,再经过普通运算放大器进行电压平移和放大,即可成为符合A/D采集要求的0~2.5V电压单极性信号。

  

基于ARM的微伏信号在线监测系统设计

  图3 前置放大电路的线性关系


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