一种新颖的远红外信号处理系统

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                    ???? 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领域比较困难的问题，而这种信号在传感器技术中却是非常常见的，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单，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满意，所以对于这方面的研究也一直在进行，国外也有采用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用集成传感器，不利于在低成本领域的应用。表1为几种传统采用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




　　一种新颖的针对远红外信号的处理系统包括： 低压差线性稳压器(LDO)；前置抗混叠滤波器；多速率开关电容滤波器；抽取滤波器。为了处理低频信号，采用了多速率开关电容滤波器来得到大的时间常数，从而避免了大电容的使用。通过采用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下的仿真结果。
　　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。





　　其频率响应近似为 ：




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。采用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。




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：








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。其中输入的频率分量分别为：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)的频率分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
　　系统采用华虹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。