作者：張冬玲 王良紅

    通常所用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其采樣對象都為大信號，即有用信號幅值大于噪聲信號。但在一些特殊的場合，采集的信號很微弱，其幅值只有幾個μv，并且淹沒在大量的隨機噪聲中。此種情況下，一般的采集系統(tǒng)和測量方法無法檢測該信號。本采集系統(tǒng)硬件電路針對微弱小信號，優(yōu)化設(shè)計前端調(diào)理電路，利用測量放大器有效抑制共模信號（包括直流信號和交流信號），保證采集數(shù)據(jù)的精度要求。針對被背景噪聲覆蓋的微弱小信號特性，采用簡單的時域信號的取樣積累平均方法，有利于減少算法實現(xiàn)難度。

    dsp芯片因其具有哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的dsp指令、快速的指令周期等特點，使其適合復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法。本系統(tǒng)采用ti公司的tms320c542作為處理器，通過外部中斷讀取adc數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)取樣累加平均算法。

    1 取樣積累平均理論

    微弱信號檢測（weak signal detection）是研究從微弱信號中提取有用信息的方法。通過分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，利用被測信號的特點和相干性，檢測被背景噪聲覆蓋的有用信號。常用的微弱信號檢測方法有頻域信號的相干檢測、時域信號的積累平均、離散信號的計數(shù)技術(shù)、并行檢測方法。其中時域信號積累平均是常用的一種小信號檢測方法。

    取樣是一種頻率壓縮技術(shù)，將一個高重復(fù)頻率信號通過逐點取樣將隨時間變化的模擬量，轉(zhuǎn)變成對時間變化的離散量的集合，從而可以測量低頻信號的幅值、相位或波形。時域信號的取樣積累方法是在信號周期內(nèi)將時間分成若干間隔，在這些時間間隔內(nèi)對信號進行多次測量累加。時間間隔的大小取決于要求恢復(fù)信號的精度。某一點的取樣值都是信號和噪聲。

    若要恢復(fù)的信號逼近真實信號，重復(fù)采樣的次數(shù)越多越好，取樣時間間隔必須要短。m的值越大及重復(fù)的次數(shù)越多，信號恢復(fù)的真實性越好。由于各方面的限制（如存儲器位數(shù)的制約），不可能做到任意多次的重復(fù)。

    2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路包括前端調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路兩大部分。前端調(diào)理電路主要功能是消除共模干擾，對微弱小信號進行放大、濾除、差分輸出，經(jīng)雙絞線傳輸至數(shù)據(jù)采集電路。數(shù)據(jù)采集電路完成數(shù)據(jù)采集并完成積累平均算法。

    2.1 前端調(diào)理電路設(shè)計

    前端調(diào)理電路由測量放大器、4階貝塞尓低通濾波器、差分輸出放大器構(gòu)成（如圖1所示）。

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，若待測信號為很微弱的小信號，需要用放大器加以放大。通用運算放大器不能直接放大微弱信號，必須用測量放大器。測量放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點，在檢測微弱信號的系統(tǒng)中廣泛作為前置放大器。

    采用liner公司的高性能運放lt1125作為測量放大器，其帶寬為12.5mhz，最大失調(diào)電壓為70μv,共模抑制比為112db,轉(zhuǎn)換速率為4.5v/μs。利用低功耗高速運放lt1355構(gòu)成4階貝塞尓低通濾波器，其截止頻率為200hz,摒除采集信號中的高頻分量。為提高信號傳輸過程中的抗干擾能力，采用ad公司的高速差分輸出放大器ssm2142，將單端信號通轉(zhuǎn)換成差分信號，同時增加信號的驅(qū)動能力。差分信號經(jīng)雙絞線傳輸，抗干擾能力強，能有效抵消共模噪聲、抑制emi。

    2.2 采集電路設(shè)計

    采集電路由差分放大器、增益放大器、a/d芯片、dsp、flash和cpld組成（如圖3所示）。