基于ARM的微伏信号在线监测系统设计

 

　　1　　 引言

　　在线监测系统中，待测信号幅值在50μV左右，而背景噪声幅值在50mV以上，用一般的采集和测量系统无法准确检测该信号。针对被背景噪声覆盖的微小信号，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;采用基于ARM核的32位微处理芯片S3C44B0X和基于μClinux操作系统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，为实现微伏信号在线监测功能提供了一种良好的解决方案。

　　2　　 系统硬件设计

　　整个微伏信号在线监测系统硬件主要分为两个部分，即前置放大电路和基于ARM的数据采集与显示电路，如图1所示。

　　

 

　　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。

　　本设计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。因此本设计采用高增益、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。

　　

 

　　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：

　　

 

　　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。

　　

 

　　图3 前置放大电路的线性关系