一种新颖的远红外信号处理系统

     摘 要：设计了一个针对远红外信号处理的系统，从被动式远红外传感器传感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测试系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测试的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测试信号输入的第一道关口。 [全文]

得到的远红外信号极其微弱(几十个微伏)，而且具有极窄的带宽(0．1Hz一10Hz)。介绍了通过抽取滤波的方法将远红外信号从强噪环境中提取出来，并通过环路失调电压消除的方法减小了系统的失调电压。系统的有效检测范围可达到10m～15m，与传统的远红外信号处理方法相比，该方法具有低功耗，可完全集成，低成本，可靠性高等优点。经仿真验证，该系统是完全正确的，而且在电路上是可实现的。

　　1 引 言

　　对于频率在几个赫兹，信号幅度在微伏级别的信号的处理是集成电路集成电路

　　集成电路是采纳半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。它在电路中用字母"IC"(也有用文字符号"N"等)表示。 [全文]

领域比较困难的问题，而这种信号在传感器技术中却是非经常见的，典型的有人体远红外信号。对于这种信号现有的处理方法主要有以下两种：直接对传感器得到的信号进行滤波放大，这种方法的优点在于电路实现简洁，成本低，而缺点在于可靠性差，而且为了实现低频信号处理的线路板面积；还有一种解决方案是先通过可编程放大器对信号进行放大，然后通过高分辨率的模数转换器转换器

　　转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类。从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等等。例如视频转换器就是一种连接电脑和电视的设备，它可以把电脑上的内容转换并显示在电视机上，让人们可以在电视上学电脑，上网，玩游戏，做商业演示，看股票等等。 [全文]

实现信号处理，这种方法的优点在于处理精度高，但是缺点是成本较高，功耗也较大。这两种方法在业界已经有了较成熟的应用，而由于这两种方法都不尽令人中意，所以对于这方面的研究也一直在进行，国外也有采纳斩波放大器等对信号进行处理的方法。但是这类方法一般采纳集成传感器，不利于在低成本领域的应用。表1为几种传统采纳了大电容和较多的外围器件，从而占用了较大 的人体远红外信号处理方法优缺点的对比。

表1 几种传统的被动式人体远红外信号处理方法的比较

　　一种新奇的针对远红外信号的处理系统包括： 低压差线性稳压器稳压器

　　稳压器就是用来****负载电流，能使稳定电压的设备。稳压器通过误差放大器的连接和对反向输入端的分压电阻进行采样，最终使同相输入端连接到一个参考电压上。 [全文]

(LDO)；前置抗混叠滤波器滤波器

　　凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信装备和各类操纵系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最复杂要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 [全文]

；多速率开关开关

　　开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]

电容滤波器；抽取滤波器。为了处理低频信号，采纳了多速率开关电容滤波器来得到大的时间常数，从而幸免了大电容的使用。通过采纳回路失调电压调整的方法减小了失调电压对系统的影响，并给出了系统设计与电路实现以及Spectre下的****结果。

　　2 系统设计

　　2．1 多速率开关电容滤波器与抽取滤波器

　　从系统角度来看，多速率信号的处理需要抽取滤波器来实现降低采样速率。出于功耗方面的考虑，选择多速率开关电容滤波器的第一级的时钟频率为1．1MHz。其中的开关电容滤波器为二阶的椭圆函数滤波器，通带频率为40K，在275K时的衰减率为～40dB，直流增益为6．02dB。经过系统验证，此滤波器完全符合系统要求。公式(I)为此滤波器的传输函数。

　　一般来说，常用的抽取滤波器就是求平均值电路 ，考虑到电路结构的难易程度，采纳平方根的方法来实现抽取滤波器。假如输入是频率为fs的xi，输出是频率为fd的Yk，那么N是输出频率与输人频率之比：

　　其频率响应近似为 ：

　　在这个系统中，N=2，需要共计十三级的开关电容滤波器来获得低的截止频率(10Hz)和高的增益(40960)，同时需要十二级的抽取滤波器来实现降采样。多速率开关电容滤波器与抽取滤波器部分的具体系统框图如图1所示。

图1 多速率开关电容滤波器与抽取滤波器的系统框图

　　2．2 抗混叠滤波器

　　根据奈奎斯特采样定理，在信号通过开关电容滤波器之前必须对其进行抗混叠滤波。考虑到多速率开关电容滤波器的第一级的时钟频率为1．1 MHz，选择抗混叠滤波器的截止频率为500KHz。采纳三阶巴特沃思滤波器作为抗混叠滤波器，其通带频率为25KHz，截止带的衰减率为一80dB，公式(5)是此滤波器的传输函数。

　　2．3 非理想性因素的考虑

　　系统的非理想因素包括：开关漏电流，寄生电容效应和直流失调电压。在3．1中阐述了对开关的漏电流和寄生电容效应进行处理的方法。从传感器得到的远红外信号的直流电平和参考电压存在失调电压，这个失调电压经过放大会导致系统进入饱和状态。除此之外，还必须考虑运算放大器运算放大器

　　运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出的高增益电压放大器。在实际电路中，通常结合反馈网络和不同的反馈方式，共同组成某些功能和特性不同的模块，这些模块是各种电子电路中最基本的环节。可见运放在电子电路中的应用之广。 [全文]

的输入失调电压，可以选择自稳零放大器，斩波运算放大器和相关双采样(CDS)的方法来减小运算放大器的失调电压。系统采纳环路电压调整和自稳零放大器相结合的方法来消除失调电压。环路失调电压调整的原理是根据多速率开关电容滤波器的最后一级的输出来调整抗混叠滤波器的参考电压。

　　3 电路设计

　　3．1 多速率开关电容滤波器

　　正如前面所提到的那样，假如在电路设计中选择合适的电路和开关就可以使得系统不受寄生电容效应和漏电流的影响。开关电容滤波器的电路结构如图2所示，采纳CMOS互补开关以减小由寄生电容弓f起的时钟馈通效应和沟道电荷注人效应 J，这个结构本身对于寄生电容并不敏感，图2中的放大器为自稳零运算放大器。

图2 开关电容滤波器的电路结构。

　　3．2 抽取滤波器的设计

　　抽取滤波器的设计基于MOS管的平方律公式实现，电路结构如图3所示：在选取合适的宽长比情况下，可忽略二阶效应，则流过M1与M2的电流分别为：

　　近似有：

图3 抽取滤波器的电路结构

　　4 仿真结果

　　图4为系统在Specie下的仿真结果，分别给出了系统的输入与输出。其中输入的频率重量分别为：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)的频率重量代表人体远红外信号，其余为系统输入噪声。

图4 系统的瞬态仿真结果

　　5 结论

　　系统采纳华虹NEC的0．35 ，IP3M的CMOS工艺为基础进行了仿真，仿真的温度范围为一4O℃ 一150℃。仿真结果表明：利用这种方法对人体远红外信号进行处理是完全可行的，可以将微弱的人体远红外信号从强噪声环境中提取出来。

  来源:阴雨

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