微弱电流信号的检测与放大
第二章 课程设计说明书正文
一、任务的提出
很多情况下，我们在应用中采集的往往是微弱电流信号，而微弱电流信号很难直接使用，所以对微弱电流信号的检测与放大，在科学研究和军事等领域有广泛的应用。微弱电流信号检测放大的一般办法是通过I\\v转换器件将微弱的电流信号转换成为电压信号，然后再通过电路放大，最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。
二、方案论证
具体工作方式：I\\V转换电路将微弱电流转换成电压，通过三运放放大电路放大后，其输出电压与正弦高频电压相乘得到高频载波信号，同时正弦高频电压通过电压比较器转换为方波，两者输入开关式相敏检波电路，经过二阶低通滤波器后得到输出电压。
由于本电路检测的是微弱电流信号，顾采用了频率为100HZ，电流为0.00005A的输入电流。I/V转换器采用1kΩ的电阻，电流经I/V转换器后，电流信号变为电压信号，理想状态下为0.1V（峰值电压）。万用表测出的是有效电压，为70.731mv。为方便处理，本文后期将全部采用有效值。同时经过三运放高共模抑制比电路（其中一个前置运放输入为0，故省略，实际中只有两个运放），共放大100倍，理想状态下经过运放后电压为7V。该电压信号以频率为1kHZ的高频交流电压信号为载波信号，与频率为1kHZ的高频交流电压信号经过电压比较器后转换的方波输入相敏检波电路，输出检波信号，检波信号经过二级低通滤波器后得到的电压信号即为最终信号。
LM358AD里面包括有一个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。
图1 LM358AD引脚图
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三、电路基本结构
微弱 电流
图3 微弱电流检测与放大电路整体结构
I/V 转换模块 微弱 电压 电压 放大电路 放大 电压 调制/解调电路 调制 信号 低通 滤波器 图2 微弱电流信号检测与放大装置整体结构
四、电路的设计与实现
1.
I\\V转换电路
I/V转换电路结构如图4：
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微弱电流信号的检测与放大
图4 I/V转换电路
同向反向端接地，同向端接入正弦交流微弱电流信号(0.00005A，100HZ)，采用1KΩ电阻，经过I/V转换电路后，根据公式1，理想状态下输出有效电压为70.71mv。如图5所示
公式1 图5 I/V转换电路输出电压
I/V转换电路运行正常，输出波形如图6所示。
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图6 I/V转换电路输出电压波形
2. 电压放大电路
本设计采用三运放差分式放大电路，但有一支路输入为0，故可以省去，采用两个差分式同向放大电路相乘实现放大作用。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。每个差分式放大电路结构如图7所示。
图7 同向比例运算放大电路
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微弱电流信号的检测与放大
同向输入端和反向输入端输入电阻都为1kΩ，反馈电阻为9kΩ，每个差分式同向放大电路可放大电压10倍，共实现100倍的放大作用。理想状态下，经过第一个差分式放大电路后输出电压为700mv，经过第二个差分式放大电路后输出电压为7V。实际情况下，经第一个差分式放大电路后输出电压为706.949mv，经第二个差分式放大电路后输出电压为7.068V，处于合理方位内。结果如图8所示（从左至右依次为输入电压、一级运放后放大电压、二级运放后放大电压）
图8 运算放大电路输入输出电压对比
电压放大器结构合理，准确得实现了电压放大功能。
经I/V转换器后电压（通道B），经一级差分式放大电路后输出电压（通道C）,经二级差分式放大电路后输出电压(通道D)波形对比如图9所示：
图9 运算放大电路输入输出电压波形对比
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