一種新穎的遠(yuǎn)紅外信號(hào)處理系統(tǒng)

 摘 要：設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)遠(yuǎn)紅外信號(hào)處理的系統(tǒng)，從被動(dòng)式遠(yuǎn)紅外傳感器得到的遠(yuǎn)紅外信號(hào)極其微弱(幾十個(gè)微伏)，而且具有極窄的帶寬(0．1Hz一10Hz)。介紹了通過抽取濾波的方法將遠(yuǎn)紅外信號(hào)從強(qiáng)噪環(huán)境中提取出來(lái)，并通過環(huán)路失調(diào)電壓消除的方法減小了系統(tǒng)的失調(diào)電壓。系統(tǒng)的有效檢測(cè)范圍可達(dá)到10m～15m，與傳統(tǒng)的遠(yuǎn)紅外信號(hào)處理方法相比，該方法具有低功耗，可完全集成，低成本，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)仿真驗(yàn)證，該系統(tǒng)是完全正確的，而且在電路上是可實(shí)現(xiàn)的。

　　1 引 言

　　對(duì)于頻率在幾個(gè)赫茲，信號(hào)幅度在微伏級(jí)別的信號(hào)的處理是集成電路領(lǐng)域比較困難的問題，而這種信號(hào)在傳感器技術(shù)中卻是非常常見的，典型的有人體遠(yuǎn)紅外信號(hào)。對(duì)于這種信號(hào)現(xiàn)有的處理方法主要有以下兩種：直接對(duì)傳感器得到的信號(hào)進(jìn)行濾波放大，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低，而缺點(diǎn)在于可靠性差，而且為了實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)處理的線路板面積；還有一種解決方案是先通過可編程放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于處理精度高，但是缺點(diǎn)是成本較高，功耗也較大。這兩種方法在業(yè)界已經(jīng)有了較成熟的應(yīng)用，而由于這兩種方法都不盡令人滿意，所以對(duì)于這方面的研究也一直在進(jìn)行，國(guó)外也有采用斬波放大器等對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的方法。但是這類方法一般采用集成傳感器，不利于在低成本領(lǐng)域的應(yīng)用。表1為幾種傳統(tǒng)采用了大電容和較多的外圍器件，從而占用了較大 的人體遠(yuǎn)紅外信號(hào)處理方法優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比。

表1 幾種傳統(tǒng)的被動(dòng)式人體遠(yuǎn)紅外信號(hào)處理方法的比較

　　一種新穎的針對(duì)遠(yuǎn)紅外信號(hào)的處理系統(tǒng)包括： 低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)；前置抗混疊濾波器；多速率開關(guān)電容濾波器；抽取濾波器。為了處理低頻信號(hào)，采用了多速率開關(guān)電容濾波器來(lái)得到大的時(shí)間常數(shù)，從而避免了大電容的使用。通過采用回路失調(diào)電壓調(diào)整的方法減小了失調(diào)電壓對(duì)系統(tǒng)的影響，并給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電路實(shí)現(xiàn)以及Spectre下的仿真結(jié)果。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2．1 多速率開關(guān)電容濾波器與抽取濾波器

　　從系統(tǒng)角度來(lái)看，多速率信號(hào)的處理需要抽取濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)降低采樣速率。出于功耗方面的考慮，選擇多速率開關(guān)電容濾波器的第一級(jí)的時(shí)鐘頻率為1．1MHz。其中的開關(guān)電容濾波器為二階的橢圓函數(shù)濾波器，通帶頻率為40K，在275K時(shí)的衰減率為～40dB，直流增益為6．02dB。經(jīng)過系統(tǒng)驗(yàn)證，此濾波器完全符合系統(tǒng)要求。公式(I)為此濾波器的傳輸函數(shù)。

　　一般來(lái)說(shuō)，常用的抽取濾波器就是求平均值電路 ，考慮到電路結(jié)構(gòu)的難易程度，采用平方根的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)抽取濾波器。如果輸入是頻率為fs的xi，輸出是頻率為fd的Yk，那么N是輸出頻率與輸人頻率之比：

　　其頻率響應(yīng)近似為 ：

　　在這個(gè)系統(tǒng)中，N=2，需要共計(jì)十三級(jí)的開關(guān)電容濾波器來(lái)獲得低的截止頻率(10Hz)和高的增益(40960)，同時(shí)需要十二級(jí)的抽取濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)降采樣。多速率開關(guān)電容濾波器與抽取濾波器部分的詳細(xì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 多速率開關(guān)電容濾波器與抽取濾波器的系統(tǒng)框圖

　　2．2 抗混疊濾波器

　　根據(jù)奈奎斯特采樣定理，在信號(hào)通過開關(guān)電容濾波器之前必須對(duì)其進(jìn)行抗混疊濾波?？紤]到多速率開關(guān)電容濾波器的第一級(jí)的時(shí)鐘頻率為1．1 MHz，選擇抗混疊濾波器的截止頻率為500KHz。采用三階巴特沃思濾波器作為抗混疊濾波器，其通帶頻率為25KHz，截止帶的衰減率為一80dB，公式(5)是此濾波器的傳輸函數(shù)。

　　2．3 非理想性因素的考慮

　　系統(tǒng)的非理想因素包括：開關(guān)漏電流，寄生電容效應(yīng)和直流失調(diào)電壓。在3．1中闡述了對(duì)開關(guān)的漏電流和寄生電容效應(yīng)進(jìn)行處理的方法。從傳感器得到的遠(yuǎn)紅外信號(hào)的直流電平和參考電壓存在失調(diào)電壓，這個(gè)失調(diào)電壓經(jīng)過放大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入飽和狀態(tài)。除此之外，還必須考慮運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓，可以選擇自穩(wěn)零放大器，斬波運(yùn)算放大器和相關(guān)雙采樣(CDS)的方法來(lái)減小運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓。系統(tǒng)采用環(huán)路電壓調(diào)整和自穩(wěn)零放大器相結(jié)合的方法來(lái)消除失調(diào)電壓。環(huán)路失調(diào)電壓調(diào)整的原理是根據(jù)多速率開關(guān)電容濾波器的最后一級(jí)的輸出來(lái)調(diào)整抗混疊濾波器的參考電壓。

　　3 電路設(shè)計(jì)

　　3．1 多速率開關(guān)電容濾波器

　　正如前面所提到的那樣，如果在電路設(shè)計(jì)中選擇合適的電路和開關(guān)就可以使得系統(tǒng)不受寄生電容效應(yīng)和漏電流的影響。開關(guān)電容濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用CMOS互補(bǔ)開關(guān)以減小由寄生電容弓f起的時(shí)鐘饋通效應(yīng)和溝道電荷注人效應(yīng) J，這個(gè)結(jié)構(gòu)本身對(duì)于寄生電容并不敏感，圖2中的放大器為自穩(wěn)零運(yùn)算放大器。

圖2 開關(guān)電容濾波器的電路結(jié)構(gòu)。

　　3．2 抽取濾波器的設(shè)計(jì)

　　抽取濾波器的設(shè)計(jì)基于MOS管的平方律公式實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示：在選取合適的寬長(zhǎng)比情況下，可忽略二階效應(yīng)，則流過M1與M2的電流分別為：

　　近似有：

圖3 抽取濾波器的電路結(jié)構(gòu)

　　4 仿真結(jié)果

　　圖4為系統(tǒng)在Specie下的仿真結(jié)果，分別給出了系統(tǒng)的輸入與輸出。其中輸入的頻率分量分別為：10Hz(201xV)，50Hz(1OmV)，250Hz(10mV)，500Hz(10mV)，4．3 kHz(10mV)，17．1875 kHz(10mV)，68．75kHz(10mV)，225kHz(10mV)，其中10Hz(201~V)的頻率分量代表人體遠(yuǎn)紅外信號(hào)，其余為系統(tǒng)輸入噪聲。

圖4 系統(tǒng)的瞬態(tài)仿真結(jié)果

　　5 結(jié)論

　　系統(tǒng)采用華虹NEC的0．35 ，IP3M的CMOS工藝為基礎(chǔ)進(jìn)行了仿真，仿真的溫度范圍為一4O℃ 一150℃。仿真結(jié)果表明：利用這種方法對(duì)人體遠(yuǎn)紅外信號(hào)進(jìn)行處理是完全可行的，可以將微弱的人體遠(yuǎn)紅外信號(hào)從強(qiáng)噪聲環(huán)境中提取出來(lái)。