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。

 

 

　　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，采用平方根的方法来实现抽取滤波器。如果输入是频率为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详细系统框图如图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。

　　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。系统采用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，如果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，采用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。