生物电阻抗测量系统中弱信号检测技术研究--弱信号检测调理单元设计与实现(二)

4.2.3可编程增益放大电路

模块高速数据采集的前端信号，是频率和电压不确定的模拟信号。因为固定增益将使得大信号进入非线性工作区且可能导致放大信号超出数据采集的量程范围而出现信号被削平的现象，或者使得小信号放大不足，不能使放大信号达到或接近数据采集的量程范围而产生较大的量化误差。同时在仪器仪表中所要测量的信号其动态范围往往很宽，如在测量峰形信号的系统中，可能既有峰值很小的峰信号，又有峰值很大的峰信号。若放大通道不能随输入信号动态范围变化，而做出相应的增益调整，将会降低整个系统的分辨率及性能。由上述可知，放大通道必须增益程控可调，不能够采用固定增益的放大电路。

4.2.3.1 PGA870的应用

PGA870是一款高速全差分可编程增益放大器。它的高带宽、低失真、低噪音特性使它非常适合与14位ADC配合使用，其增益调节范围为-11.5 dB到20dB，增益步幅为0.5dB，增益准确度为0.03dB.频带范围为650MHZ.其内部结构图如图4.5所示。

从图中可以看出，输入差分信号依次经过衰减器、放大器、输出控制器，衰减倍数和放大倍数由控制逻辑位B0-B5和gain strobe、latch mode管脚控制。在power-down状态，静态电流降至2mA，但是增益控制电路仍能保持可编程。

4.2.3.2可编程增益放大电路的设计

为实现信号增益可控，设计中选择PGA870芯片，因为PGA870有三种配置模式，分别是电平锁存模式，沿寄存模式，组合逻辑方式，由配置管脚gain strobe和latch mode控制，其配置方式如表4.3所示。

组合逻辑方式的信号延迟最小，实时行相应最好，且配置方式需要的线也最小，只需将B0-B5连接到FPGA管脚上，Gain strobe和Latch mode接到3.3V上就可以了，综上，PGA870的配置方式采用组合逻辑方式，其在电路中的设计图如图4.6所示。

图中，为了减小信号反射的幅度，在B0-B5上均串联上一个电阻。为了减小前端直流偏置对本模块的影响，同时考虑到芯片内部已经提供了一个内部参考电压，信号输入端采用交流耦合方式，耦合电容选用较大值0.1uf，以让低频信号无衰减通过。因为放大器的输出电阻只有3.5欧姆，为实现信号的50欧姆端接，输出串联50欧姆电阻。

4.2.3.3可编程增益实现方式

可编程增益放大的实现由FPGA来完成，如图4.7所示，FPGA通过逻辑控制来确定配置模式，通过控制放大器的B0至B5管脚控制运放的增益。

PGA870的增益控制实现方式如表4.4所示，表中未列出全部控制组合，其增益按B0至B5变化组合以0.5dB步进。

4.2.4 ADC前端共模抑制模块

4.2.4.1 ADC前端电路

生物电阻抗测量系统中，信号采集的是直流信号，对于这种信号，不能用阻容耦合或变压器耦合的方式，宜采用直接耦合放大电路但存在零点漂移。所谓零点漂移是指当输人信号为零时，在放大器的输出端出现一个变化不定的输出信号的现象，简称零漂。前级的漂移被后级放大，因此严重干扰正常信号，级数越多，漂移越严重，甚至使放大器不能正常工作。在电路结构上，采用差分电路是目前应用最广泛的能有效抑制零漂的方法。

差分放大电路又叫差分电路，它能有效的减小由于电源波动和晶体管引起的零点漂移，因而获得广泛的应用。

差分电路的输入端有两个信号的输入，这两个信号的差值，为电路有效输入信号，电路的输出是对这两个输入信号之差的放大。设想这样一种情景，如果存在干扰信号，会对两个输入信号产生相同的干扰，通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的。

差分放大电路的特点：

1.由两个完全对称的共射电路组合而成。
2.电路采用正负双电源供电。
3.极强的共模抑制能力。

4.2.4.2共模抑制比

为了说明差分放大电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比，英文全称是Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写CMRR来表示。

差模信号电压放大倍数Aud越大，共模信号电压放大倍数Auc越小，则CMRR越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。当差分放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Auc=0，则共模抑制比CCMR→∞，这是理想情况，实际上电路完全对称是不存在的，共模抑制比也不可能趋于无穷大。

本文采用电路完全对称的差分电路以做到阻抗匹配和ADC前端调理，如图4.8所示：

图中芯片仍为PGA870可变增益放大器，其输出方式为全差分的，能有效的抑制环境中的共模干扰，其CMRR可达到76db，PGA870的输出端采用RC网络进行信号的端接，能有效的减小信号的反射，并采用