微弱信号检测

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1、四川省大学生电子设计竞赛报告微弱信号检测装置 2012-08 四川省大学生电子设计竞赛报告题 目： 微弱信号检测装置 12微弱信号检测装置【摘 要】：为提取被噪声淹没的微弱信号，在分析了锁相放大器原理的基础上，采用基于AD630设计了一个双相位锁相放大器。实现了正弦信号的检测和显示，由于时间紧迫，AD采样显示的数值误差较大。【关键词】：锁相放大器 正交信号 AD630 MAX7490 一、方案设计与论证图1 微弱信号检测装置示意图1.1 微弱信号检测电路设计与方案微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。常用的微弱信号检测方法有：匹配滤波、锁相放大、取样积分等。方案1：匹配滤波法。使用窄带滤波器

2、，滤掉带宽噪声只让窄带信号通过；此方案电路简单，但是，由于一般滤波器的中心频率不稳定，不能满足更高的滤除噪声的要求。方案2：单通道锁相放大法。用AD630平衡调制解调芯片、移相器及低通滤波器构成锁相放大电路，基于信号的互相关原理，移相器输出的信号必须与被测信号同频同相，由于被测信号相位未知，需移相器逐步移相，实现较为复杂。方案3：双通道锁相放大法。用两个AD630平衡调制解调芯片、两个低通滤波器做成双通道锁相放大器，就是被测信号与两个相互正交的信号分别相乘经低通滤波器再送入AD进行采样，这样不需考虑被测信号的相位。两路正交信号由74LS74构成的分频电路产生或由单片机产生。由于只需要直流分量，

3、低通滤波器的截止频率可以低到几百赫兹。综合考虑，我们采用方案3。1.2 加法电路的设计与方案加法电路要求正弦信号与噪声信号相加，并测量噪声的均方根值；因此加法电路的内部噪声越小越好。方案1：普通加法器。用低噪声放大器OPA2227做一个普通的加法器，但此电路接有电阻电容，会产生附加噪声。方案2：高性能加法器。用低噪声仪表放大器INA2134做一个高性能的加法器，有独立的共模抑制能力、增益误差、噪声和失真。方案2虽然比方案1复杂，但引入的附加噪声比方案1小，因此选用方案2。1.3 带通滤波器设计与方案题目中给了一个带宽很宽的强噪声，要想进可能地滤掉噪声，需一个窄带带通滤波器。方案1：采用OPA2

4、227设计中心频率指定的有源带通滤波器。方案2：采用OPA2227分别设计低通滤波器和高通滤波器，组成一个带通滤波器。方案3：用MAX7490做程控带通滤波器，参考官方电路设计。方案1设计的带通滤波器不满足中心频率在500Hz-2000Hz内变化的设计要求；方案2设计的带通滤波器带宽太宽，引入过多噪声容易造成太大的测量误差；因此采用方案3。1.4 整体系统电路设计整体系统框图如下：图2 整体系统框图二、理论分析与参数计算2.1锁相放大器电路中的相关器原理锁相放大电路中最重要的部分是相关器(PSD)部分，它是锁相放大电路的核心，起着至关重要的作用。相关器是相关函数的物理模型，是一种完成被测信号和

5、参考信号互相关函数运算的电子线路，相关器又叫相敏检波器。设输入信号： （1）参考信号： （2）则输出信号： （3） （4）上式表明，相敏检波器的输出包括两部分，前者为输入信号与参考信号的差频分量，后者为和频分量。当被测信号与参考信号同步时，即f1=f2时，差频分量为零，这时差频分量编程相敏直流电压分量，而和频分量为倍频。其物理意义表示信号经过相敏检波以后，信号频谱相对频率做了相对位移，即由原来以f1为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心的两个频谱，经过低通滤波滤除倍频分量，从而使输出变为 （5）因为f1=f2，设=1-2，则最后经过低通滤波后只有直流分量能通过，其它与时间t有关的项不能通过低通滤

6、波，所以经过相敏检波的输出信号经过低通滤波后只剩直流分量。2.2 程控带通滤波器计算基于MAX7490的程控滤波器，稳定性高，使用方便，外部进行电容电阻既可方便的设置滤波器中心频率，带宽等，并且滤波效果好。考虑发挥部分的频率由500HZ2KHZ的变化，我们需要用单片机给出的时钟信号控制MAX7490，从而改变中心频率。带通滤波器的中心频率计算公式： （6）2.3 最小二乘法分析方法考查近似函数p(x)同所给数据(xi,yi)(i=0,1,.,m)误差ri=pxi-yi(i=0,1,.m)的大小，常用的方法有以下三种：1、误差ri=pxi-yi(i=0,1,.m)绝对值的最大值0immax|ri

7、|,即误差 向量r=(r0,r1,.rm)的范数；2、误差绝对值的和i-0m|ri|，即误差向量r的1范数；3、误差平方和i-0mri2的算术平方根，即误差向量r的2范数。前两种方法简单、自然，但不便于微分运算 ，后一种方法相当于考虑 2范数的平方，因此在曲线拟合中常采用误差平方和i-0mri2来 度量误差ri(i=0，1，m)的整体大小。数据拟合的具体作法是：对给定数据 (xi,yi)(i=0,1,.,m)，在取定的函数类中,求p(x),使误差ri=pxi-yi(i=0,1,.m)的平方和最小，即 =从几何意义上讲，就是寻求与给定点(xi,yi)(i=0,1,.,m)的距离平方和为最小的曲线

8、。函数p(x)称为拟合函数或最小二乘解，求拟合函数p(x)的方法称为曲线拟合的最小二乘法。在曲线拟合中，函数类可有不同的选取方法。三、软硬件设计3.1 硬件设计3.1.1 信号源模块硬件电路设计该电路由INA2134组成的高性能加法器和纯电阻分压网络组成，实现正弦信号与噪声信号的叠加并将其衰减100倍以上。图3信号源电路图3.1.2 微弱信号检测模块硬件电路设计根据系统设计要求，设计整体框图如下：图4 微弱信号检测模块框图题目要求微弱检测模块的输入阻抗大于1M，我们采用OPA2227做正向前置放大，后接MAX7490构成的程控带通滤波，中心频率500HZ-2000HZ可调，因为测量峰值小到20

9、mv，所以设计了一个可调放大器。图5 信号输入通道电路AD630和TL084组成锁相放大电路提取微弱正弦信号，两路相互正交的参考信号由74LS74分频再经过单双极性变化进入乘法器。图6 双相锁相放大器3.1.3 参考信号电路设计采用MSP430单片机输出指定频率的参考信号，由于设计要求2路正交的参考信号，采用移相电路，将一路信号移相输出二路正交信号。电路设计如图7:图7正交信号发生电路图同时由于MSP430单片机输出的信号是单极性，设计一个将单极性信号变成双极性信号的电路，电路设计如图8:图8 极性变换电路图3.2 软件设计系统设计要求使用TI 的Launchpad（MSP430小开发板）来完

10、成，经过分析采用并口LCD显示电路后，单片机的控制引脚不够使用。由于设计时间关系，只能放弃使用串行LCD的方案，改为采用双单片机实现控制和显示功能。3.2.1 主机程序设计双单片机系统中的主机完成A/D采样、输出参考信号的功能，可通过按键值修改参考信号频率，实现系统对500Hz2KHz信号的检测，同时将测量到的值及修改后的参数送从机显示。图 9双机模式主机主程序流程图3.2.2 从机程序设计双单片机系统中的从机接收主机信号，完成测量结果的显示，同时根据主机发送的参数控制程控滤波器。图 双机模式从机主程序流程图图10 双机模式从机通信子程序流程图四、系统测试与结果4.1 系统使用的主要芯片作品采

11、用的TI器件包括：INA2134 OPA2227 TL084 Launchpad（MSP430小开发板）。4.2 测试仪器表1. 测试仪器仪器名称型号规格数字万用表DT-9208A+RIGOL双踪示波器DS1062C 60MHz 400Msa/sRIGOL函数信号发生器20MHz 100Msa/s直流稳压器DF1731SLL3A记录下测试电压（电流）和现实电阻以及频率，与理论电压（电流）和理论显示电阻、频率进行比较。4.3 基本要求测试1、噪声均方根、加法器输出测试输入正弦波信号VS 的频率为1 kHz，示波器接在测量点B，测噪声均方根VN(rms)。示波器接在测量点C，测加法器输出VC =V

12、S+VN。如表2所示：表2. 噪声均方根、加法器输出测试结果正弦波信号Vs200mV1.0V2.0V噪声均方根VN(rms)1.18Vrms1.08Vrms1.11Vrms加法器输出Vc1.19V1.2V1.36V2、加法器带宽测试测量点A输入正弦波信号VS 的峰峰值为1.0V，频率为1Hz1.5MHz；测量点B不输入信号，示波器接在测量点A及测量点C，测量加法器输入输出信号幅值。如表3所示：表3. 加法器带宽测试结果正弦波信号频率（Hz）1010010001000001500000正弦波信号输入电压（V）11111正弦波信号输出电压（V）0.1940.9281.04mV1.27V1.66V加

13、法器带宽3、纯电阻网络衰减系数测试测试点A输入正弦波信号VS 的频率为1 kHz，幅值为2V峰峰值，示波器接在测试点D，测纯电阻网络的输出信号幅值。如表4所示：表4. 纯电阻网络衰减系数测试结果正弦波信号频率（Hz）1 kHz正弦波信号输入电压（Vpp）2.0V纯电阻网络输出电压（Vpp）10mV衰减系数2004、微弱信号检测电路的输入阻抗由于微弱信号检测电路的前置放大电路基于同相输入的运算放大器进行设计，同向放大器的输入阻抗和运放的输入阻抗相等，接近无穷大。前置放大电路如图5所示： 5、微弱信号测量测试点A输入正弦波信号Vs ，频率fs =1 kHz，幅度Vs (p-p)=200 mV 2V

14、，在测试点E用示波器显示测试信号，并在显示电路上显示输入正弦信号Vpp测试值。表5.微弱信号检测装置误差测试结果正弦波信号输入电压Vs（V）0.20.51.01.52显示值(V)0.250.60.91.351.88相对误差（%）25%20%10%10%6%图5. 前置放大器电路图4.5 结论本系统以双相锁相放大为核心，精确设计电路板，但实验结果不理想，精度达不到题目要求，可能是由于单片机输出的参考信号不能与正弦信号完全同频，或者电路设计还是不够稳定。 五、设计总结及体会通过对信号源模块、锁相放大模块及电源模块电路的设计和MSP430F149单片机软件算法设计，以及系统误差的分析，我们对MSP4

15、30单片机和MAX7490、AD630等芯片的工作原理和其应用有了比较深刻的了解。为抗各种干扰，保证系统的稳定性和精度，对硬件的设计要求很高，要求PCB板的布局合理。通过这次比赛，我们发现一个细小的的问题将导致整个系统无法实现，因此在设计电路时需要我们的细心。同时，我们也积累了很多经验，学到了很多知识。参考文献1 高晋占. 微弱信号检测.北京：清华大学出版社，2005.82 曾庆勇. 微弱信号检测.浙江：浙江大学出版社，19943 唐鸿宾. 现代模拟电路实验.南京：南京大学出版社，20084 黄智伟等. 全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京 ：北京航空航天大学出版社，20065 谭博学等. 集成电路原理及应用（第2版）.北京：电子工业出版社，20076 簧争. 德州仪器高性能模拟单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南.德州仪器（上海）有限公司大学计划部，2012