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摘要：針對微型氣體流量計對微弱信號采集的要求，采用超低偏置電流的放大芯片LMP7721，輔以Guard環(huán)保護技術，再加上24位高精度A／D轉(zhuǎn)換器ADS1211，設計了一種超高分辨率、低噪聲的弱信號采集系統(tǒng)。通過將數(shù)字和模擬部分分開布局，以及合理的電源和地線設計，系統(tǒng)的性能得到了保證。實驗表明：采集系統(tǒng)的小可分辨信號接近0．1mV，噪聲RMS值小于50μV。
0引言
微型氣體流量計用于檢測微小氣體流量，在精密半導體、微型色譜系統(tǒng)、反應裝置系統(tǒng)以及真空鍍膜等領域有著廣泛的應用。這種儀器的特點在于能監(jiān)測到微小的流量變化，如分辨率達0．01mL／min的流速變化，這就要求相關聯(lián)的信號采集系統(tǒng)具有相應的高分辨能力，因此，研制低噪聲水平的超高分辨率信號采集系統(tǒng)就顯得尤為重要。本文利用超低偏置電流放大芯片LMP7721，輔以Guard環(huán)保護技術，再配合BB公司的4通道24位A／D轉(zhuǎn)換器ADS1211，設計滿足微型氣體流量計需要的超高分辨率、低噪聲的信號采集系統(tǒng)。
1總體設計
微型氣體流量計的系統(tǒng)組成如圖1所示，流量傳感器原理如圖2所示，氣體先后經(jīng)過流量計的2只熱敏電阻器，由于氣流對兩熱敏電阻器的熱損耗不同，從而造成電橋不平衡，輸出一個與氣體流速相關的弱電壓信號。該弱電壓信號經(jīng)高精度運放放大到一定幅度后，再經(jīng)高分辨率A／D轉(zhuǎn)換器與MCU處理、運算后，即可反演出對應的流速值，測量結果可由LCD顯示，或通過串口等通信接口在上位機顯示實時的測量曲線。

1．1放大電路設計
選用的放大器件為NI公司的極低偏置運放LMP7721，
該運放具有不超過2OfA、的偏置電流和26μV的偏置電壓，且溫度特性良好（<1．5μV/℃）；而不超過2mA的額定電源電流使其適用于便攜式應用。目前，LMP7721在光電測量、生化檢測等弱信號檢測領域得到了廣泛的應用。
與普通的運放一樣，LMP7721可以方便地配置成同相或反相放大模式，但是與普通的運放相比，由于輸入信號太微弱（V級），輸入端的漏電保護就顯得格外重要。漏電流的產(chǎn)生往往與P,CB板的不清潔有關。由于油污、潮濕等原因，使得PCB的電阻率降低，此時板上其他位置與輸入端之間的電位差就會產(chǎn)生漏電流，這種漏電流在很多弱信號檢測的應用中是不可忽略的。為了避免這種干擾，可以采用Guard方法，其基本原理就是在敏感的引腳外圍設置保護環(huán)，并且保護環(huán)的偏置電壓與敏感引腳的偏置電壓相同，這樣漏電流就會通過保護環(huán)流向模擬接地端，而不會對輸入產(chǎn)生干擾。例如：對于反相和跨阻放大器（如光電檢測器），可以將保護環(huán)連接到同相輸入引腳VIN，如圖3所示，這將使保護環(huán)偏置為與運放的基準電壓：相同的電壓。類似的，同相放大器將保護環(huán)連接到反相輸入引腳VIN-這將使保護環(huán)偏置為共模輸入電壓。LMP7721的保護環(huán)可以設置成圖4所示的形狀，圖中u1為LMP7721的焊盤，LMP7721的管腳封裝將同相反相輸入端都置于左側，使得保護環(huán)很容易設計，如圖中大環(huán)內(nèi)的小環(huán)所示。大環(huán)則將反饋電阻器、電容器等敏感元件全部包含在其中，屏蔽了可能的干擾，進一步保證了系統(tǒng)的性能。

1．2高分辨率A／D轉(zhuǎn)換器
設計高精度信號采集系統(tǒng)，必須對采集到的電壓信號進行高精度的A／D轉(zhuǎn)換，本文采用BB公司的4通道24bit高精度A／D轉(zhuǎn)換器ADS1211。ADS1211為Delta—Sigma型A／I）轉(zhuǎn)換器，l000Hz采樣率以內(nèi)擁有20位以上的有效分辨率；片內(nèi)呵編程放大器提供1~16倍的增益，能夠滿足不同昔程的采集需要；內(nèi)置三階數(shù)字濾波器提供類似前端模擬濾波器的抗混疊功能；同時外部控制器可通過設置片內(nèi)寄存器進行多種校準J。當輸入量程為5V時，采樣分辨率理論值達到5000／2200．005mV。
在布線時為了避免數(shù)字電源的噪聲對模擬部分的干擾，采用雙電源；必須采用單電源時，可在模擬與數(shù)字供電端之間接入1On電阻器，與去耦電容器一同起到濾波作用。同樣的，模擬地和數(shù)字地也應該分別鋪設，單點連接。
1．3電源與布線
信號采集系統(tǒng)的電源噪聲大致來自于各模塊的供電電源、電源轉(zhuǎn)換芯片以及數(shù)字電源對模擬電源的干擾，其中，以數(shù)字電源對模擬電源的干擾為突出，產(chǎn)生的噪聲典型值高達20mV。為了減弱這類噪聲，除了選用低噪聲的電源轉(zhuǎn)換器件與干電池電源外，應盡可能對模擬和數(shù)字部分單獨供電，如必須采用一個電源，則應將模擬和數(shù)字供電端之間利用電感器加以隔離。
影響信號采集系統(tǒng)噪聲的另一個主要因素是印刷電路板的布局布線，不合理的布局布線會帶來至少幾個mV的噪聲，因此，必須進行科學合理的布局布線。首先，應盡量將模擬器件和數(shù)字器件分開布局；其次，電源線應有足夠的寬度，以保證較低的分布電阻和電感；再次，同一塊印制電路板，模擬部分和數(shù)字部分的地層應分開鋪設，再通過磁珠單點連接；后，由于參考電壓通常對地電平的波動很敏感，因此，應該從電源線中分離出來，直接接到印制電路板的參考電壓輸入端，并且它的地線應該獨立地連接到設備中一個穩(wěn)定的參考地端。
2實驗測試
2．1工頻與空間電磁干擾
5OHz工頻與空間電磁干擾會給微弱信號采集系統(tǒng)帶來很大的噪聲。為了減弱此種噪聲，需要進行PCB板雙面覆銅，輸入信號接地屏蔽以及電磁屏蔽整個采集系統(tǒng)，圖5為抑制外界空間電磁干擾的對比實驗結果，輸入信號為信號發(fā)生器生成的峰一峰值20mV的正弦信號。很明顯，加上電磁屏蔽后，很好地抑制了工頻與空間電磁干擾給信號采集系統(tǒng)帶來的噪聲。

2．2噪聲水平測試
利用設計的信號采集系統(tǒng)對直流信號進行噪聲測試如圖6所示。從圖中可以看出：所設計的信號采集系統(tǒng)噪聲小于50μV，滿足高分辨率、超低噪聲的信號采集需要。

2．3小信號采集實驗
為了驗證設計的信號采集系統(tǒng)對微弱信號的采集效果，本文對信號發(fā)生器產(chǎn)生的小信號進行了采集。測試條件：金屬盒屏蔽外界電磁干擾，增益為1。圖7是對小脈沖信號的采集曲線，被采集信號為10mV的較強脈沖，疊加在0．1mV的微弱正弦信號之上，直流偏置為625mV。從圖中可以看出：強脈沖和弱正弦信號都能清晰有效地加以識別，因此，信號采集系統(tǒng)具有高分辨率，低噪聲的微弱信號采集能力。

3結論
本文利用超低偏置電流放大芯片LMP7721，輔以Guard環(huán)保護技術，再加上4通道24位A／D轉(zhuǎn)換器ADS121l設計了一種高分辨率、低噪聲的信號采集系統(tǒng)；在設計中需要注意將數(shù)字部分和模擬部分分開布局與鋪地，同時隔離數(shù)字電源對模擬電源的干擾。實驗證明：采集系統(tǒng)的小可分辨信號接近0．1mV，噪聲RMS值小于5OV，達到了預期的要求。本文出自：智能渦街流量計轉(zhuǎn)載需注明