論文設計了以電流電壓轉換器，儀表放大器和低通濾波器為主要結構的微弱信號檢測前置放大電路。結合微弱信號的特點討論了電路中噪聲的抑制和隔離，提出了電路元件的選擇方法與電路設計中降低噪聲干擾的注意事項。本文利用集成程控增益儀表放大器PGA202設計了微弱信號檢測前置放大電路，并利用微弱低頻信號進行了測試，得到了理想的效果。

　　1、引言

　　目前精準灌溉技術正朝著以環境信息和農作物生理信息相結合為控制依據的方向發展，為此各種生物傳感器如植物電信號傳感器、植物莖流傳感器等應運而生。 但一般作物自身生理狀況產生的信號極其微弱，往往電流信號只能達到納安級，電壓信號也只能達到微伏級。為有效的利用這些信號，應首先對其進行調理，本文根據植物生理信號的特點設計了適合此類微弱信號檢測的前置放大電路。

　　2、電路基本結構

　　生物傳感器所產生的信號一般為頻率較低的微弱信號，檢測不同的植物生理參數，可能得到電壓或電流信號。對于電流信號，應首先把電流信號轉換成為電壓信號，通過放大電路 的放大，最后利用低通濾波器，濾除混雜在信號中的高頻噪聲。微弱信號檢測前置放大電路的整體結構如圖1。

　　考慮到傳感器產生的信號非常微弱，很容易受到噪聲的污染，所以放大電路選擇儀表放 大器結構。儀表放大器擁有差分式結構，對共模噪聲有很強的抑制作用，同時擁有較高的輸 入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對微弱信號的放大。另外為了使輸出電壓在高頻段以更 快的速度下降，提高低通濾波器濾除噪聲的能力，這里選擇了二階低通濾波器。微弱信號檢 測前置放大電路原理圖如圖2。生物傳感器產生的生物信號通常具有很大的動態范圍，達到 幾個數量級，原理圖中R2 為可變電阻，通過改變R2 的阻值，可以改變儀表放大器的放大 倍數，從而適應放大不同大小的微弱信號。

　　3、噪聲的抑制和屏蔽

　　在微弱信號檢測的過程中，噪聲的抑制和屏蔽至關重要，由于信號微弱，很容易受到噪 聲污染，這些噪聲主要由環境噪聲、電路元器件自身產生的噪聲和電源的工頻噪聲組成，因 此在噪聲的抑制和屏蔽上要綜合考慮這幾方面的因素。

　　3.1 元器件的選擇

　　在進行微弱信號檢測過程中，為了減少集成運算放大器對電路的干擾，應選擇接近理想 運算放大器的芯片。主要參數的要求是具有較小的輸入偏執電流、輸入偏執電壓和零漂，具 有較大的共模抑制比和輸入電阻。特別是電流電壓轉換級對集成運放的要求較高，一般需要 運放的輸入偏執電流在pA 級。目前市面上有很多滿足條件的集成運算放大器，如AD8571、 LMC6482、LF351 和OPA2703 等。

　　電路中的儀表放大級通常設計為程控放大倍數的結構，通過程控開關調整反饋電阻的大 小，從而改變放大倍數。為了對數字電路和模擬電路進行隔離，程控開關應選用光偶開關。 為了提高儀表放大器的性能，可以選用集成儀表放大器。很多公司提供了不同類型的集成儀 表放大器，如INA127，它內部集成了儀表放大器的主要結構，有很好的對稱性，可通過改 變外接電阻的大小改變放大倍數。PGA202 是一款可程控放大倍數的儀用放大器，應用它可 以簡化電路結構，但PGA202 需要搭建差分輸入級，這樣就降低了共模抑制能力。2007 年末ADI 公司推出的AD8253 芯片集以上兩種芯片的優點于一身，不但集成了完整的儀表放 大電路，還集成了程控放大倍數的邏輯電路，是微弱信號檢測前置放大電路的理想選擇。

　　3.2 工頻噪聲和環境噪聲的隔離

　　工頻噪聲是影響電路的主要噪聲，通常可通過電路的電源傳遞到電路中。為了減少這種 影響，在電路設計時應在連接電源處增加旁路電容，隔離電源的交流噪聲。除了這些措施外， 為了濾除50Hz 的工頻干擾，還可以在模數轉換時采用具有50Hz 陷波的模數轉換器。另外， 數字電路部分與模擬電路部分分別接地，盡量減少模擬電路的接地點同時采用畫圈接地的方 法都可以有效的隔離噪聲。

　　4、電路的設計與實現

　　綜合考慮微弱信號檢測的需要和市場上芯片的供應情況，本文選用PGA202 搭建儀表放 大器，對微弱信號檢測前置放大電路進行了整體設計。

　　4.1 PGA202 簡介

　　這里所選用的 PGA202 是由BURR-BROWN 公司生產的，PGA202 是一種程控儀表放大 器，它內部集成了程控的增益改變邏輯電路。由于省去了增益控制部分，利用PGA202 搭建 儀表放大器可以使電路結構得到很大的簡化，并且它的放大倍數穩定精確，為后續的數據處 理提供了方便。PGA202 的內部結構如圖3。

　　在圖 3 中可以看到， A0 和A1 為數字程控信號的輸入端，控制PGA202 中集成的前置 邏輯電路，通過改變A0、A1 的值可以使儀表運算放大器的倍數在1、10、100 和1000 之間 改變。

　　4.2 濾波器的設計

　　為了加強濾波器濾除噪聲的能力，筆者采用了二階低通濾波器，并在濾波器的設計過程 中選擇了同樣的電容電阻組合。濾波器的截止頻率可通過公式

　　來進行計算，由于生物傳感器的信號多為低頻信號，因此可以將低通濾波器的截止頻率設計的低一些。 在筆者所設計的電路中，電阻值100kΩ，電容值33nF，截止頻率為48Hz。

　　4.3 電路設計

　　為了提高儀表放大器差分輸入級的對稱性，同時滿足零漂、輸入偏執電流、輸入偏執電 壓等參數的需求，選用了性能參數較好并且同一芯片中含有兩個運算放大器的OPA2277 作 為儀表放大器的差分輸入級。在電壓電流轉換級采用了性能參數更為理想的集成運放AD8571，AD8571 的輸入偏執電流為20-70pA，輸入偏執電壓為1uV，共模抑制比達到 120-140dB，可以滿足I/V 轉換輸入級對運放性能的要求。在實際的電路設計中還考慮了噪 聲的隔離，為減少電源的工頻噪聲對電路的影響，芯片連接電源處分別并聯了0.1uF 的旁路 電容。另外為降低環境噪聲對輸入信號的污染，將電路的輸入點放在了畫圈接地的圈中，利 用接地圈對環境噪聲起到屏蔽作用。整體電路的設計如圖4 所示。

　　4.4 電路的測試

　　本文按照圖 4 制作了電路板，選擇R0 的大小為1kΩ，對電路的性能進行了測試。測試 過程采用TFG2300 數字合成信號發生器產生20H 正弦信號，通過串聯500 kΩ高精度電阻 分壓后接入電路。設信號發生器產生信號的振幅為A，儀表放大器的輸入信號的振幅可以通過公式

　　計算。采用TDS1002 數字示波器觀察到電路輸出了較平滑的正弦波形。表1 中給出了A1、A0 分別為11、10 時電路的測試數據。通過表1 可以看出放大器 的放大倍數穩定增益誤差較小。

　　5、結論

　　本文中所討論的微弱信號檢測前置放大電路適用于精準農業中的生物傳感器。運用本文 所闡述的降噪方法，有效的抑制和屏蔽了可能對電路造成影響的各種噪聲，如環境噪聲、工 頻噪聲等。通過利用微弱低頻信號對以程控增益集成儀表放大器PGA202 為核心的微弱信號 檢測前置放大電路進行測試，得到了較為理想的結果，說明該電路可以在微弱信號的檢測過 程中得到應用。

　　本文創新點：本文針對精準農業中對微弱信號檢測的需求，結合屏蔽和抑制噪聲的措施， 利用PGA202 設計了完整的微弱信號檢測前置放大電路。