项目支持：北京市科技攻关项目，农业节水灌溉监测与控制设备研制与开发（D0706007040191） 国家“十一五”科技支撑计划 农产品流通过程信息化关键技术与系统研发（2006BAD10A04） 国家“十一五”科技支撑计划 灌区地下水开发利用关键技术 （2006BAD11B05） 微弱信号检测的前置放大电路设计 张石锐 1，2，郑文刚 2*，黄丹枫 1，赵春江 2 （1.上海交通大学农业与生物学院 上海市 200240 2.国家农业信息化工程技术研究中心 北京市 100097） 摘要：针对精准农业中对微弱信号检测的技术需求，论文设计了以电流电压转换器，仪表放 大器和低通滤波器为主要结构的微弱信号检测前置放大电路。结合微弱信号的特点讨论了电 路中噪声的抑制和隔离，提出了电路元件的选择方法与电路设计中降低噪声干扰的注意事 项。本文利用集成程控增益仪表放大器 PGA202 设计了微弱信号检测前置放大电路，并利用 微弱低频信号进行了测试，得到了理想的效果。 关键字：精准农业、微弱信号检测、仪表放大器、前置放大电路 中图分类号：TN721.5 文献标识码：A The design of preamplifier circuit based on weak signal detection ZHANG Shi-rui1，2，ZHENG Wen-gang2，HUANG Dan-feng1，ZHAO Chun-jiang2 (1. School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China 2. National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing, 100097, China) Abstract：Combined with the demand of the detection of weak signal in precision agriculture, the article introduced the circuit principle of deigning preamplifier circuit whit I/V Conversion level, instrumentation amplifier level and low-pass filter level. At the same time the article discussed the circuit's noise suppression and isolation according to the characteristics of the weak signal, and gave the method of choosing elements and noise reduction. Finally, gave the design of the weak signal detection pre-amplifier using the program-controlled integrated instrumentation amplifier PGA202. Key words: precision agriculture ，weak signal detection, instrumentation amplifier, preamplifier 1、引言 精准农业主要是依据实时获取的农田环境和农作物信息，对农作物进行精确的灌溉、施 肥、喷药，最大限度地提高水、肥和药的利用效率，减少环境污染，获得最佳的经济效益和 生态效益[1]。农田环境和农作物信息的准确获取取决于可靠的生物传感技术。如常规精准灌 溉主要关注空气的温度、湿度和土壤的含水量，利用这些参数的变化控制对农作物的灌溉， 而作物自身产生的一些信号能够更准确的反映其自身的生理状况，通过检测这些信号控制灌 溉可以使灌溉更精确。目前精准灌溉技术正朝着以环境信息和农作物生理信息相结合为控制 依据的方向发展，为此各种生物传感器如植物电信号传感器、植物茎流传感器等应运而生。 但一般作物自身生理状况产生的信号极其微弱，往往电流信号只能达到纳安级，电压信号也 只能达到微伏级。为有效的利用这些信号，应首先对其进行调理，本文根据植物生理信号的 特点设计了适合此类微弱信号检测的前置放大电路。 2、电路基本结构 生物传感器所产生的信号一般为频率较低的微弱信号，检测不同的植物生理参数，可能 得到电压或电流信号。对于电流信号，应首先把电流信号转换成为电压信号，通过放大电路 的放大，最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。微弱信号检测前置放大电路 的整体结构如图 1。 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

微弱 电流 电 流/ 电 压转换 微弱 电压 电压 放大电路 较大 电压 低通 滤波器 图 1 微弱信号检测前置放大电路的整体结构 模 数 转 换 考虑到传感器产生的信号非常微弱，很容易受到噪声的污染，所以放大电路选择仪表放 大器结构。仪表放大器拥有差分式结构，对共模噪声有很强的抑制作用，同时拥有较高的输 入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微弱信号的放大。另外为了使输出电压在高频段以更 快的速度下降，提高低通滤波器滤除噪声的能力，这里选择了二阶低通滤波器。微弱信号检 测前置放大电路原理图如图 2。生物传感器产生的生物信号通常具有很大的动态范围，达到 几个数量级，原理图中 R2 为可变电阻，通过改变 R2 的阻值，可以改变仪表放大器的放大 倍数，从而适应放大不同大小的微弱信号。 3、噪声的抑制和屏蔽 图 2 微弱信号检测前置放大电路原理图 在微弱信号检测的过程中，噪声的抑制和屏蔽至关重要，由于信号微弱，很容易受到噪 声污染，这些噪声主要由环境噪声、电路元器件自身产生的噪声和电源的工频噪声组成，因 此在噪声的抑制和屏蔽上要综合考虑这几方面的因素。 3.1 元器件的选择 在进行微弱信号检测过程中，为了减少集成运算放大器对电路的干扰，应选择接近理想 运算放大器的芯片。主要参数的要求是具有较小的输入偏执电流、输入偏执电压和零漂，具 有较大的共模抑制比和输入电阻。特别是电流电压转换级对集成运放的要求较高，一般需要 运放的输入偏执电流在 pA 级。目前市面上有很多满足条件的集成运算放大器，如 AD8571、 LMC6482、LF351 和 OPA2703 等。 电路中的仪表放大级通常设计为程控放大倍数的结构，通过程控开关调整反馈电阻的大 小，从而改变放大倍数。为了对数字电路和模拟电路进行隔离，程控开关应选用光偶开关。 为了提高仪表放大器的性能，可以选用集成仪表放大器。很多公司提供了不同类型的集成仪 表放大器，如 INA127，它内部集成了仪表放大器的主要结构，有很好的对称性，可通过改 变外接电阻的大小改变放大倍数。PGA202 是一款可程控放大倍数的仪用放大器，应用它可 以简化电路结构，但 PGA202 需要搭建差分输入级，这样就降低了共模抑制能力。2007 年 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

末 ADI 公司推出的 AD8253 芯片集以上两种芯片的优点于一身，不但集成了完整的仪表放 大电路，还集成了程控放大倍数的逻辑电路，是微弱信号检测前置放大电路的理想选择。 3.2 工频噪声和环境噪声的隔离 工频噪声是影响电路的主要噪声，通常可通过电路的电源传递到电路中。为了减少这种 影响，在电路设计时应在连接电源处增加旁路电容，隔离电源的交流噪声。除了这些措施外， 为了滤除 50Hz 的工频干扰，还可以在模数转换时采用具有 50Hz 陷波的模数转换器。另外， 数字电路部分与模拟电路部分分别接地，尽量减少模拟电路的接地点同时采用画圈接地的方 法都可以有效的隔离噪声。 4、电路的设计与实现 综合考虑微弱信号检测的需要和市场上芯片的供应情况，本文选用 PGA202 搭建仪表放 大器，对微弱信号检测前置放大电路进行了整体设计。 4.1 PGA202 简介 这里所选用的 PGA202 是由 BURR-BROWN 公司生产的，PGA202 是一种程控仪表放大 器，它内部集成了程控的增益改变逻辑电路。由于省去了增益控制部分，利用 PGA202 搭建 仪表放大器可以使电路结构得到很大的简化，并且它的放大倍数稳定精确，为后续的数据处 理提供了方便。PGA202 的内部结构如图 3。 图 3 PGA202 的内部结构 在图 3 中可以看到， A0 和 A1 为数字程控信号的输入端，控制 PGA202 中集成的前置 逻辑电路，通过改变 A0、A1 的值可以使仪表运算放大器的倍数在 1、10、100 和 1000 之间 改变。 4.2 滤波器的设计 为了加强滤波器滤除噪声的能力，笔者采用了二阶低通滤波器，并在滤波器的设计过程 中选择了同样的电容电阻组合。滤波器的截止频率可通过公式 f 2 0 = πω 0 = 1 RC 来进行计 算，由于生物传感器的信号多为低频信号，因此可以将低通滤波器的截止频率设计的低一些。 在笔者所设计的电路中，电阻值 100kΩ，电容值 33nF，截止频率为 48Hz。 4.3 电路设计 为了提高仪表放大器差分输入级的对称性，同时满足零漂、输入偏执电流、输入偏执电 压等参数的需求，选用了性能参数较好并且同一芯片中含有两个运算放大器的 OPA2277 作 为仪表放大器的差分输入级。在电压电流转换级采用了性能参数更为理想的集成运放 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

AD8571，AD8571 的输入偏执电流为 20-70pA，输入偏执电压为 1uV，共模抑制比达到 120-140dB，可以满足 I/V 转换输入级对运放性能的要求。在实际的电路设计中还考虑了噪 声的隔离，为减少电源的工频噪声对电路的影响，芯片连接电源处分别并联了 0.1uF 的旁路 电容。另外为降低环境噪声对输入信号的污染，将电路的输入点放在了画圈接地的圈中，利 用接地圈对环境噪声起到屏蔽作用。整体电路的设计如图 4 所示。 图 4 应用 PGA202 的微弱信号检测前置放大电路设计 4.4 电路的测试 本文按照图 4 制作了电路板，选择 R0 的大小为 1kΩ，对电路的性能进行了测试。测试 过程采用 TFG2300 数字合成信号发生器产生 20H 正弦信号，通过串联 500 kΩ高精度电阻 分压后接入电路。设信号发生器产生信号的振幅为 A，仪表放大器的输入信号的振幅可以通 过公式 Ain = A Rk + 0 R 0 500 计算。采用 TDS1002 数字示波器观察到电路输出了较平滑的正 弦波形。表 1 中给出了 A1、A0 分别为 11、10 时电路的测试数据。通过表 1 可以看出放大器 的放大倍数稳定增益误差较小。 表 1 电路测试结果 A1A0 信号发生器产 输入信 输 出 信 放 大 A1A0 信号发生器产 输入信 输 出 信 放 大 生 信 号 振 幅 号振幅 号 振 幅 倍 数 生 信 号 振 幅 号振幅 号 振 幅 倍 数 （mV） （uV） (V) (10 4 ) （mV） （uV） （V） 11 5 9.98 2.16 2.164 10 7.5 10 15 14.97 3.23 19.96 4.34 29.94 6.44 2.157 2.174 2.150 50 75 100 150 99.8 2.15 149.7 3.25 199.6 4.31 299.4 6.48 3 (10 ) 2.154 2.171 2.159 2.164 放大倍数均值：2.161×10 5、结论 4 增益误差：0.8% 放大倍数均值：2.162×10 3 增益误差：0.55% 本文中所讨论的微弱信号检测前置放大电路适用于精准农业中的生物传感器。运用本文 所阐述的降噪方法，有效的抑制和屏蔽了可能对电路造成影响的各种噪声，如环境噪声、工 频噪声等。通过利用微弱低频信号对以程控增益集成仪表放大器 PGA202 为核心的微弱信号 检测前置放大电路进行测试，得到了较为理想的结果，说明该电路可以在微弱信号的检测过 程中得到应用。 本文创新点：本文针对精准农业中对微弱信号检测的需求，结合屏蔽和抑制噪声的措施， 利用 PGA202 设计了完整的微弱信号检测前置放大电路。 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

参考文献： [1]汪懋华 “精细农业”发展与工程技术创新[J] 农业工程学报 1999 .3 1-8 [2]王凤花，张淑娟 精细农业田间信息采集关键技术的研究进展[J] 农业机械学报 2 0 0 8.5 112-121 [3]李远明，陈文涛 微弱光信号前置放大电路设计[J] 设计参考 2007.8 51-53 [4] 孙成正，尹文庆，赵建平，李 亮 植物电信号前置放大电路的设计与仿真[J] 电子测 量 技术 2007.7 168-171 [5]戴彬，陈迪平，刘文用 一种新型超宽带 CMOS 低噪声放大器设计[J] 微计算机信息 2007 10-2 236-238 [6] 王云景 程控仪表放大器 PGA202/203 的原理与应用[J] 国外电子元器件 1999.10 29-30 [7] 秦金华，刘小方，高成强，宋海荣 基于 AD603 的超声微弱信号检测研究[J] 自动测量 与控制 2007.11 68-69 [8]康华光电子技术基础模拟部分（第四版）[M] 高等教育出版社 1999 年 作者简介：张石锐（1985- ） 男 内蒙古赤峰市 硕士研究生 Biography: ZHANG Shi-rui (1985-), male, Inner Mongolia, Shanghai Jiao Tong University, Master student. 所投栏目：嵌入式与 SOC 专题 电子设计 通讯作者：郑文刚 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛