摘要：針對精準農業(yè)中對微弱信號檢測的技術需求,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

　　精準農業(yè)主要是依據(jù)實時獲取的農田環(huán)境和農作物信息，對農作物進行的灌溉、施 肥、噴藥，限度地提高水、肥和藥的利用效率，減少環(huán)境污染，獲得的經濟效益和 生態(tài)效益[1]。農田環(huán)境和農作物信息的準確獲取取決于可靠的生物傳感技術。如常規(guī)精準灌 溉主要關注空氣的溫度、濕度和土壤的含水量，利用這些參數(shù)的變化控制對農作物的灌溉， 而作物自身產生的一些信號能夠更準確的反映其自身的生理狀況，通過檢測這些信號控制灌 溉可以使灌溉更。目前精準灌溉技術正朝著以環(huán)境信息和農作物生理信息相結合為控制 依據(jù)的方向發(fā)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(jù)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(shù)，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，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(tài)范圍，達到 幾個數(shù)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(shù)，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(huán)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(shù)的要求是具有較小的輸入偏執(zhí)電流、輸入偏執(zhí)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(zhí)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(shù)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(shù)。為了對數(shù)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(shù)。PGA202 是一款可程控放大倍數(shù)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(yōu)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(shù)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(huán)境噪聲的隔離

　　工頻噪聲是影響電路的主要噪聲，通?？赏ㄟ^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(shù)轉換時采用具有50Hz 陷波的模數(shù)轉換器。另外， 數(shù)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(xiàn)

　　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(shù)穩(wěn)定，為后續(xù)的數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(zhí)電流、輸入偏執(zhí)電 壓等參數(shù)的需求，選用了性能參數(shù)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(shù)更為理想的集成運放AD8571，AD8571 的輸入偏執(zhí)電流為20-70pA，輸入偏執(zhí)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(lián)了0.1uF 的旁路 電容。另外為降低環(huán)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(huán)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(shù)字合成信號發(fā)生器產生20H 正弦信號，通過串聯(lián)500 kΩ高電阻 分壓后接入電路。設信號發(fā)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(shù)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(shù)據(jù)。通過表1 可以看出放大器 的放大倍數(shù)穩(wěn)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(yè)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(huán)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(chuàng)新點：本文針對精準農業(yè)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。