一种宽频带高增益程控微弱信号放大装置

1.本发明涉及信号检测技术领域，具体涉及一种宽频带高增益程控微弱信号放大装置。


背景技术：

2.在结构应力场构建与健康评估检测、感应装定等领域，多采用非接触式信息传输方式，感应接收到的信号最小为μv级别的辐射信号。由于通信距离过长，这种微弱信号在后续通信链路中会出现衰减，不利于后续解调解码或频域分析等工作进行，因此需要对其进行电压幅值放大。
3.目前市面上常见的微弱信号放大器不能同时满足对感应接收线圈进行放大的频率范围与增益的需求；进口同性能放大器的价格十分高昂；针对应用在结构应力场构建与健康评估检测、感应装定测试系统的信号放大装置设计还处于空窗期。由于感应接收到最小为μv级别的辐射信号，而实际通信链路需要对mv级别以上的信号进行处理，放大器需要提供1000左右的放大倍数。由于检测信号的特殊性，其频率范围在：10hz～100mhz之间，因此设计的信号放大器需同时满足上述频带与放大倍数的要求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明为解决现有技术中存在的针对高频微弱信号的放大器不能同时满足高放大增益、宽频带的问题，提供一种宽频带高增益程控微弱信号放大装置。
5.为解决现有技术存在的问题，本发明所采用的技术方案为：
6.一种宽频带高增益程控微弱信号放大装置，其特征在于：包括前端低噪声放大单元、单端转差分放大单元、两级主放大单元、差分转单端输出单元、并联谐振选频电路、主控单元、旋转编码器及pc上位机；旋转编码器通过编码输出bcd码送入主控单元，使主控单元解码后获取增益信息，控制放大电路；微弱信号通过前端低噪声放大单元接收并进行前置低噪声放大后，进入单端转差分放大单元；将单端输入转为差分输出后，信号传输至两级主放大单元，两级主放大单元采用spi通信协议受主控单元控制进行增益调节；
7.同时pc上位机计算放大倍数，并通过rs232协议发送指令至主控单元进行增益调节；最后，通过差分转单端放大单元将信号从差分输入转为单端输出后经可编程谐振选频电路输出，经五级放大后信号被放大20db～60db。
8.所述的前端低噪声放大单元中1r3和1r2分别为反馈电阻和增益设置电阻，增益计算如式：
[0009][0010]
所述的单端转差分放大单元采用两个等比反馈网络构建，两个网络上由两个等值反馈电阻rf和两个等值增益电阻rg构成，可计算得出：
[0011][0012]
根据上式，增益方程可推导为：
[0013][0014]
两级主放大单元由两片hmc960级联而成，单片hmc960放大增益设置于0db～20db之间。
[0015]
与现有技术相比，本发明包括以下有益效果：
[0016]
1)本发明两级主放大单元采用两片hmc960级联的方式，构建增益受控的放大单元，通过spi协议进行控制，实现增益可程控，通过模拟开关tpo164及电阻、电容、电感阵列构成编程的lc谐振电路，实现装置放大选频一体化。
[0017]
2)本发明采用多级放大单元级联的方式构建多级放大电路，其中包括：前置放大单元、单端转差分放大单元、两级主放大单元、差分转单端输出单元，推导计算出各级放大电路的增益设置电阻与反馈电阻的具体数值，并进行装置频率特性计算，进而实现装置总增益20db～60db，带宽10hz-100mhz。
附图说明
[0018]
图1为本发明实施例提供的整体实现框图；
[0019]
图2为图1中前端低噪声放大单元的电路连接图；
[0020]
图3为图1中单端转差分放大单元的电路连接图；
[0021]
图4为图1中两级主放大单元的电路连接图；
[0022]
图5为图1中差分转单端放大单元的电路连接图；
[0023]
图6为图1中可编程并联谐振选频电路；
[0024]
图7为图1中微处理器控制单元的硬件实现框图；
[0025]
图8为图1中旋转编码器电路实现原理图；
[0026]
图9为实施例的的内部构造与外观示意图。
具体实施方式
[0027]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]
本发明一种宽频带高增益可程控微弱信号放大装置的工作原理为：通过前端低噪放大单元接收微弱信号，进行前置低噪声放大后；信号进入单端转差分放大单元，将单端转差分放大单元转为差分输出后，信号传输至两级主放大单元，两级主放大单元采用spi通讯协议受主控单元控制进行增益调节；同时，pc端计算放大倍数，并通过rs232协议发送指令至主控单元进行增益调节；最后，通过差分转单端放大单元将信号从差分输入转为单端输出，进而实现对频带宽度10hz～100mhz内uv级别的信号进行20db～60db程控增益放大功能。装置内部信号线采用带屏蔽的信号线，主放大电路外加屏蔽罩设计，合理的结构设计保证了装置的抗干扰能力。
[0029]
本实施例中提供了一种宽频带高增益可程控微弱信号放大装置，参见图1，旨在于接收高频微弱信号，提升信号的放大精度，结合pc上位机实现增益可调功能；微弱信号由前端低噪声放大单元输入，经过单端转差分放大单元后，送至两级程控主放大单元，该单元由主控单元发送指令控制增益调节，而主控单元负责解析pc上位机的指令，最后信号经差分转单端输出。
[0030]
上述前端低噪声放大单元如图2所示，采用ad8099及外围电路构成前置低噪声放大单元，其中1r3和1r2分别为反馈电阻和增益设置电阻，分别设置为499欧和124欧，通过反馈电阻和增益设置电阻将前置放大单元增益设置为+5倍，其增益计算如式：
[0031][0032]
上述单端转差分放大单元如图3所示，由芯片ad8139及其周围电路构成，将单端输入转化为差分输出，提升电路抗干扰能力；其3号与6号引脚分别接+5v电源，与-5v电源，为差分输出提供反相工作电压，并且每个电源输入引脚外接0.1uf与1uf的电容滤除杂波，保证了供电的稳定性；8号引脚作为单端输入端，4、5号引脚进行差分输出。
[0033]
采用两个等比反馈网络构建ad8139单端转差分放大单元，为匹配寄生效应，这两个网络实际上由两个等值反馈电阻rf和两个等值增益电阻rg构成。可计算得出，若：
[0034][0035]
根据上式，增益方程可推导为：
[0036][0037]
上述两级主放大单元如图4所述，由两片可程控增益调节的放大芯片hmc960级联而成，该芯片采用spi通信，管脚15用作spi的使能信号sen用，管脚14作为spi总线的数据输出信号mosi，而管脚13用做数据输入信号miso，管脚12用做时钟线信号线；第一级放大芯片的23引脚与24引脚作为差分输入使用，信号经第一级放大芯片后从2引脚与3引脚差分输出，同时2引脚与3引脚接第二级放大芯片的23引脚与24引脚构建成二级主放大电路；hmc960芯片具有宽频带(dc～100mhz)特点，为避免放大倍数饱和而导致得多级串扰问题，单级放大增益在0～40db程控可调，两级级联后放大增益理论上可达0～80db，因此主放大单元实现可接受0～100mhz微弱信号进行程控增益调节功能。
[0038]
上述差分转单端输出单元如图5所示，采用芯片ad8130及其外围电路构成，由于前述主放大单元的输出方式为差分输出，因此在主放大单元后需接差分转单端芯片进行放大信号输出；芯片ad8130的1引脚和8引脚接差分信号输入，6引脚进行单端输出，该芯片同样采用双电源供电，配合外围滤波电容进行工作，保证了芯片工作电源的稳定性，降低了因电源干扰产生的信号失真；该芯片其余外围电路与前述ad8139的外围电路配置相似；该单元实现了差分转单端信号输出。
[0039]
ad8130的放大倍数由反馈电阻rf1和增益设置电阻rg1决定，因此在实际设计中应当采用高精度电阻来提升放大精度，其中放大增益与这两个电阻的关系为：
[0040]
[0041]
根据上述设计，该装置总增益可达到：
[0042]
20db≤g≤60db
[0043]
对于传统的并联谐振电路来讲，均包含两个动态元件，存在电感l、电容c与电源间的无功功率转换。当电路处于谐振状态时，有：
[0044][0045]
本发明将传统谐振电路中固定电容c替换为可变电容δc，固定电感l替换为可变电容δl，根据上式，谐振频率ω也将发生变化，实现放大器可调谐振频率的功能，本发明提供一种可编程并联谐振选频电路。
[0046]
上述可编程lc谐振选频电路如图6所示，由模拟开关tpo164分别和电阻、电容、电感阵列组成，电阻、电容、电感均选取常用的典型值，最大限度满足选频需求；模拟开关受单片机控制，在同一时刻下选通一种电阻、电容和电感共同组成lc谐振选频电路，达到程控选频功能。
[0047]
本发明采用级联的方式将各级放大电路进行连接，根据以上公式，以及谐振选频电路的设计使得该放大器的通频带为10hz-100mhz。
[0048]
上述微处理器控制单元如图7所示，微处理器控制单元采用stm32f103c8t6芯片，作为该芯片最高工作频率可达72mhz，相比同类型微控制器如at89c51，具有速度快，外设丰富等特点；微处理器控制单元的作用在于获取pc上位机指令，解析指令后发送给二级主放大单元进行增益调节功能。同时控制工业控制彩屏实现手动模式下的增益设置，放大倍数显示、波形显示功能；增强人机交互感，提升实用性。
[0049]
上述旋转编码电路如图8所示，旋钮开关选择档位后将信号送入74ls147芯片进行编码，随后经74hc240反相缓冲器取反后输出bcd码送至单片机。单片机进行解码后方可获取对应增益信息，执行对放大电路的控制。
[0050]
本发明内部结构及外观示意图如图9所示，该装置采用工业触摸屏作为显示屏，增强人机交互性；装置内部走线避免交叉，且内部信号线全部采用带屏蔽的信号线；另外，装置内部数字地和模拟地分离，在信号放大电路板上外加屏蔽罩，从内部布局及结构设计上提升该装置抗干扰能力。
[0051]
本发明多级放大电路中，将程控和传统放大方式相结合，加入了程控单元后，在满足最低20db的增益下，实现程控0.5db步进可调功能。
[0052]
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。