微弱信号检测装置设计

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1、河北工程大学毕业设计摘 要“微弱信号”不仅意味着信号的幅度很小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，微弱是相对于噪声而言的。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号, 或用一些新技术和新仪器来提高检测系统输出信号的信噪比。微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比。由于被测量的信号微弱，传感器、放大电路和测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅度大的多，放大被测信号的同时也放大了噪声，而且必然会附加一些额外的噪声，因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。本文研究了一套微弱信号检测的装置。AD524作为前置放大电路对信号进行初步放大，再利用MAX267程控滤波器对信号进行滤波以获取有用信

2、号，TLC2652作为二次放大；然后再经模数转换器转换为数字信号，同时使用增强型8051 内核的USB 控制器CY7C68013A作为主控器，将采集数据通过USB2.0接口与PC机实现高速实时传输，还设计了电源模块和单片机扩展模块。在背景噪声中检测有用信号的仪器，为现代科学技术和工农业生产提供了强有力的测试手段，应用范围遍及几乎所有的科学领域，已成为现代科技必备的常用仪器。关键词：微弱信号，噪声，信噪比，检测装置Abstract Weak signal means not only signal amplitude is small, and refers to the flooded sig

3、nal by noise,weak signal is relative to noise.The purpose of the weak signal detection extracted useful signal from strong noise,or with some new technology and new instruments to improve the SNR of output signal detection system. Primary mission of weak signal detection is to improve SNR. Due to th

4、e measured weak signal is small, sensors,amplifying circuit and the inherent noise of measurement instrument and outside disturbance noise are larger than the useful signal amplitude of the often.Enlarging the measured signal means also enlarging noises and will add some extra noise,so only by the a

5、mplifier can not detection the weak signal.Only in effective noise conditions suppressing amplitude of weak signal can extract useful signal. This paper studies a set device of weak signal detection. AD524 as preamplifier is primarily to amplifier signal, then uses MAX267 to filter signal to get the

6、 useful signal, and uses TLC2652 as second to amplifier; Then the adc converts a analogue signal to a digital signal, also uses the USB controller CY7C68013A of enhanced 8051 kernel as the main controller and collected data will transmit through USB2.0 implementing high-speed real-time with the PC;

7、And devises a power supply module and microcomputer expansion module. Detection equipment of useful signal in the background noise,which provides a strong means testing for modern science and technology, and the industry and agriculture production, application scope is throughout almost all the fiel

8、ds of science.It has become the common instrument for modern science and technology.Keywords: weak signal，noise,signal-to-noise ratio,detection device目 录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1 微弱信号检测装置研究的意义11.2 国内外发展概况21.2.1 国内检测仪器的发展21.2.2 国外检测仪器的发展21.3设计内容3第2章 噪声概述42.1 噪声种类及其特性42.2 干扰的抑制方法5第3章 微弱信号检测的原理和常用检测理论83

9、.1 微弱信号检测的原理83.2 微弱信号检测的方法8第4章 检测电路总体设计124.1 信号调理模块124.2 数据采集模块134.3 检测电路图13第5章 微弱信号的采集与调理155.1 信号拾取和低噪声前置放大器155.2 程控滤波器175.3 TLC2652放大器20第6章 基于USB2.0协议的数据采集装置236.1 A/D转换器的选择236.2 USB 20特点276.3 CY7C68013A单片机286.4 CY7C68013A单片机的外部扩展电路306.5 单片机软件编程356.6 电源的设计376.6.1 稳压电源设计376.6.2 各器件的电源39第7章 CY7C68013

10、A与上位机的通信417.1 CY7C68013A固件程序417.2 USB驱动程序417.3 动态链接库DLL427.4 LabVIEW界面应用程序42第8章 结 语44参考文献45致 谢4646河北工程大学毕业设计第1章 绪 论微弱信号检测是测量技术中的一个综合性的技术分支，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。微弱信号检测技术研究的重点是如何从强噪声中提取有用信号，探索采用新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。微弱信号检测理论的研究是探索新的微弱信号检测方法。分析噪声产生的原因和规律,以及被测信

11、号的特征,采用适当的技术手段和方法,把有用信号从噪声中提取出来,即研究其检测方法1。1.1 微弱信号检测装置研究的意义微弱信号处理主要是解决伴有噪声信号的检测，降噪和分离等问题。在我们日常生活中，噪声干扰随处可见，它常常与有用信号共存，并且普通方法难以将分离，从而严重影响系统的运行和目标信号的正常检测。因此在信号处理领域，是想方设法去除干扰噪声以获取有用信号。而在目前一些科学研究和工程实践中，我们经常会遇到噪声很强的情况，就是在强噪声中检测微弱信号(毫微伏数量级的问题，这无疑更增加了信号检测的难度，比如测定材料分析时测量荧光光强、震的波形和波速、红外探测以及生物电信号测量、卫星信号的接收等，这

12、些问题归结为噪声中微弱信号的检测2。所以微弱信号主要是指被强噪声淹没的小幅度号，微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法提高检测系统输出信号的信噪比。微弱信号检测作为一门新兴的技术学科，应用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、力学、地质、环保、医学、激光、材料等领域，对微弱信号检测理论的研究探索新的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是当今检测技术领域的个热点。目前，微弱信号检测技术主要采用电子学、信息论、计算机及物理学的段，分析噪声产生的原因和统计特性，研究被测信号的特点与相关性，从而检测噪声淹没的微弱有用信号。常用的检测方法有窄带滤波、取样积分、相关检测、重相

13、关匹配、随机共振、浑沌振子、小波变换等方法，其宗旨都是研究如何从强声中提取有用信号，任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术，从而其应用于各个学科领域当中3。在本文所涉及的自动化测量控制领域中，各种参数的测量将直接关系到工业产的质量，尤其对超精密仪器仪表的测量，测量精度的要求非常严格。如果测量装置工作在电源变压器或输电线路附近，采集信号往往会受到工频电磁场及其谐波的干扰，从而增加了获取精准信号的难度。传统传感器测量技术的噪声抑制能力和温度特性相对都比较差，不能满足高精度测量对抗干扰能力的要求。因此，在对低频微弱信号的智能数据采集中，具有抗工频干扰的微弱信号检测系统也成为关键技术之一。1

14、.2 国内外发展概况仪器科技产品的发展趋势是微型化、数字化、智能化、集成化和网络化进一步向纵深发展，并在产品性能上向高精度、高可靠性、高环境适用性目标前进，在人机界面上更便于人的操作、使用，以及与人类生活、健康有关的各类仪器科技产品有望得到较大的发展并进入家庭，通过家庭、社区、医院联网使保健、疾病诊治从医院象社区、家庭发展。 1.2.1 国内检测仪器的发展要提高信号的信噪比，这就需要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研究和技术发展的需要。微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感原理、相应的信号转换电路和

15、仪表的实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。为此，人们开始研究新的检测理论、方法和设备，以满足现代科学技术研究之需。微弱信号检测这门新兴的信号检测与处理的技术科学就是在这种情况下产生并得到迅速发展。自60年代初到现在已取得重大进展，应用范围很广，其仪器已成为现代科学研究中不可缺少的设备了。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。对微弱信号检测理论的研究，探索信的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一个热点。根据微弱信号检测理论，许多机构研制出了微弱信号检测仪。

16、目前常见的微弱信号检测设备有低噪声放大器、滤波器和锁相放大器等。低噪声放大器对于微弱信号检测仪器或设备，低噪声放大器是引入噪声的主要部件之一。根据多年的经验和公式推导，整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数。因此，仪器可检测的最小信号主要取决于低噪声放大器的噪声。低噪声放大器是任何一个微弱信号检测仪器及装置中的关键部件之一。随着半导体工艺与技术的发展，低噪声放大器的性能得到了极大的提升。锁相放大器完成正弦信号幅度及相位检测的相关检测装置，自1962年第一台仪器问世后，在科学研究的各个领域有很广泛的用途。目前，这种仪器是微弱信号检测仪器中一个十分重要的品种。已经有很多厂家生产这种仪

17、器，并在世界各地得到广泛应用。 1.2.2 国外检测仪器的发展发达国家为了保持产品在国际上的竞争力，都十分重视产品开发，各企业都设有试验研究、设计结构，有相应的实验室。大型公司还有试制车间，对新开发的产品精益求精，力求投入市场的新产品能为客户所信赖。为了加快产品更新换代，企业非常重视科技进步，尽量在新产品中采用各种高新技术及其形成的新型传感器、新型器件（特别是超大规模集成专用电路）及新材料，并采用计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）以缩短新产品开发周期。微弱信号检测仪器科技产品的微型化发展趋势，主要依托于微机电系统(MEMS）微米/纳米制造技术和微电子IC制造技术，使仪器科技产品

18、集机械、传感、测控等部件于一个芯片上，并能按微电子IC批量加工工艺制造。微弱信号检测仪器科技产品的数字化、智能化发展趋势，随着微电子技术、计算机技术、人工智能技术的发展而进步，它使仪器科技产品与数字处理器，超大规模专用集成电路、PC技术、人工智能技术进一步融合在一起。国际上目前先进的数字化、智能化仪器仪表系统构成，以数字信号处理系统（DSPS）为代表，它以DSP为核心，配合先进的混合信号电路，专用系统集成电路、元件及开发工具等组成对整个应用系统的完整解决方案。在数字化和智能化发展的趋势中，硬件和软件处于同样重要的地位，旦硬件是基础，仪器使用新器件、新工艺，特别是超大规模集成的新器件，能使原来不

19、能实现的指标成为可能，因此新器件的采用能成为产品竞争的重要筹码。另一方面软件在智能仪表的发展中起着越来越重的作用，现代仪器仪表设计中软件工作量已占到70%80%，这在某种程度上决定着仪器的功能和性能。软件能完成性能指标补偿、自动测试，自检、自诊断、数据采集、控制、传输、显示等功能。有的如计算机、光盘等的评估测试，主要由软件完成。软件将成为今后智能仪表发展的重要方向。未来10年，更高程度的智能化应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能，是数值、逻辑与知识的结合分析结果，智能化的标志是知识的表达与应用。微弱信号检测仪器科技产品的集成化、网络化发展趋势，以总线技术、仪表及其模块开放式互联标准及通信技

20、术为基础，包括测试软件的规范化、标准化，使自动测试系统的构成向大生产领域和军事工程领域扩展，并能提供所需要测试的系统方案或系统集成力。微弱信号检测仪器科技产品在生物、环保、医学等有关人的生存、发展领域的应用日新月异，现代高科技军事方面的发展也促进了仪器科技产品的应用拓展，灵敏、准确的现场毒物检测、生命保障任务也大大扩大了仪器科技产品的应用领域。1.3设计内容（1）研究噪声特点和常用微弱信号检测理论。（2）设计针对不同目标的微弱信号拾取探头。（3）系统总体结构及硬件电路设计。包含电源电路、前置放大电路、二次放大电路、陷波电路、光电隔离电路。（4）确定数据采集系统总体方案。数据采集系统硬件设计：

21、USB2.0接口模块设计，A/D转换模块设计，数字I/O模块设计，复杂大规模可编程集成电路(CPLD)设计，电源设计等。数据采集系统软件设计：Firmware固件设计，驱动程序设计，应用程序设计。第2章 噪声概述论文中分两种噪声讨论，电路内部的固有噪声和外部的干扰噪声5。由组成检测电路的元件产生的内部噪声称之为固有噪声，它是由电荷载体的随机运动所产生的。例如，散弹噪声就是流过势垒（如半导体PN结）的电流的随机部分，它是由载流子随机越过势垒所造成的。热力引起的载流子的随机运动是热噪声的根源，其幅度取决于温度，也与导体的电阻值有关，即使没有电流流过导体，热噪声依然存在。固有噪声包括电阻的热噪声，P

22、N结的散弹噪声，1/f噪声和爆裂噪声。（1/f噪声是由两种导体的接触点电导的随机涨落引起的凡是有导体接触不理想的期间都存在1/f噪声，所以1/f噪声又叫接触噪声）。外部干扰噪声的种类很多，例如，音频系统中的50Hz及其谐波交流声，就是经过电源线和音频线之间的互感或分布电容引入到音频通道中的，这是一种确定性的干扰噪声。另一个例子是部分电路可能扮演天线的角色，从而接受广播信号。在这两个例子中，在一个电路中有用的信号，如果引入到其他电路中就成为噪声。2.1 噪声种类及其特性干扰噪声种类有很多种，它可能是电子噪声，通过电场，磁场，电磁场或直接的电气连接耦合到敏感的检测电路，这些都是电磁兼容性所涉及的领

23、域；干扰噪声的本源也可能是机械性的，例如，通过压电效应，机械振动会导致电噪声；甚至温度的随机波动也可能导致随机的热电势噪声。工频噪声是影响电路的主要噪声, 通常可通过电路的电源传递到电路中。为了减少这种影响,在电路设计时应在连接电源处增加旁路电容,隔离电源的交流噪声。除了这些措施外,为了滤除50Hz 的工频干扰,还可以在模数转换时采用具有50Hz陷波的模数转换器。另外, 数字电路部分与模拟电路部分分别接地, 尽量减少模拟电路的接地点同时采用画圈接地的方法都可以有效的隔离噪下声。下面列举出常见的噪声源：（1） 电力线噪声随着工业电气化的发展，工频（50Hz）电源几乎无处不在，因此工频电力线干扰也

24、普遍存在。电力线干扰噪声主要表现在以下几个方面： 尖峰脉冲：由于电网中大功率开关的通断，电机，变压器和其他大功率设备的启停以及电焊机等的原因，工频电网中频繁出现干扰脉冲。这种尖峰脉冲的幅度可能是几伏，几百伏有时甚至是几千伏，持续时间一般较短，多数在微妙数量级。这种尖峰干扰脉冲的高次谐波分量很丰富，而且出现得频繁，幅度高，是污染低压工频电网的一种主要噪声，对交流供电的电子系统会带来很多不利的影响。多数检测仪表都是由工频电路线供给能源，电网的尖峰脉冲干扰一般是通过电源系统引入到检测电路中。如果不采取适当的措施抑制电源的饿尖峰脉冲干扰，就有可能导致检测波形的畸变，严重时甚至会导致信号处理计算机的程序

25、跑飞和死机。工频电磁场：在由工频电力线供电的实验室，工厂车间和其他生产现场，工频电磁场几乎是无处不在。在高电压，小电流的工频设备附近，存在着较强的工频电场；在低电压，大电流的工频设备附近，存在着较强的工频磁场；即使在一般的电器设备和供电线的相当距离之内，都会存在一定强度的50Hz电磁辐射波。工频电压的波动就有可能串入到检测信号中。随着电力工业的发展和供电设备还有可能产生射频噪声。（2） 电气设备噪声电气设备必然产生工频电磁场，而且在开关时还会在电网中产生尖峰脉冲。某些特殊的电气设备还有可能产生射频噪声，例如高频加热电器和逆变电源。此外，某些电气设备还会产生放电干扰，包括辉光放电，弧光放电，火花

26、放电和电晕放电。2.2 干扰的抑制方法外部干扰源产生的噪声影响到检测系统的正常工作，是经由某种传播途径被耦合到了检测系统之中。抑制干扰噪声有3种方法：消除或削弱干扰源；设法使检测电路对干扰噪声不敏感；使噪声传输通道的耦合作用最小化。在多数情况下，对于产生噪声的外部干扰源很难采取有效措施将其消除或隔离，但是如果能够切断或削弱干扰耦合途径的传播作用，则可以有效地削弱干扰噪声对检测系统的不利影响。在各种干扰耦合途径中，场耦合是最普遍的耦合方式，也是最难于计算的一种耦合方式。通常，载有时变电流的电路总要向外部发射电场和磁场，其强度可以利用麦克斯韦方程来计算。从理论上来说，给定发射源电流的特性，并给定敏

27、感接受电路以及与其相耦合的电路结构，利用麦克斯韦方程可以计算出接收电路各部分的感生电压和电流。但是实际上，即使是在简单的情况下，边界条件往往是非常复杂的，为了把实际问题转换为可以求解的问题，总要进行一些粗略的简化。除了场耦合方式外，常见的干扰噪声耦合方式还有传导耦合和公共阻抗耦合方式。此外，检测电路的供电电源有可能将工频电网上的各种噪声耦合到检测电路中。 噪声源和检测电路之间的电气连接是噪声耦合的直接途经，人们也许会认为这种耦合很容易避免，而事实上并非如此。在很多实践情况中，对噪声敏感的检测电路与噪声源的连接又是必要的。解决传导耦合的一种方法是使信号线尽量远离噪声源，另一种方法是在干扰噪声传导

28、检测系统之前，采取有效的去耦和滤波措施。电路接地方法，设计检测设备的接地系统基于3个目的：一是减少多个电路的电流经公共阻抗产生的噪声电压；二是减缩信号回路感应电磁噪声的感应面积；三是减除地电位差对信号回路的不利影响。（1）50HZ限波器的设计滤波的目的是从所要测量的信号中除去干扰信号。在实际应用中，几乎所有的数据采集系统都会不同程度地受到来自电源线的5OHz的噪声干扰。50Hz的工频电源干扰经过信号放大后，其幅度也相对较大。因此，该模块对抑制50Hz的工频干扰尤其重要。滤除工频干扰的主要方法是使用Sinc3型FIR滤波器，其主要优点是它具有陷波特性，因此可以将Sinc3的陷波点设定在工频附近抑

29、制干扰。本系统中Sinc3型数字滤波器的频率响应取决于一型AD7718芯片的采样速率fADC(32.768KHz)和寄存器设置SF。它们决定了ADC的更新速率厂ADC(通道转换时间的倒数)，频率响应中的陷波位置和ADC的转换噪声。陷波位置直接相关于ADC的更新速率fADC。AD7718芯片的工作方式有斩波(CHOP)和非斩波两种，在非斩波方式时Sinc3滤波器的频率响应公式为: （2-1） 此时ADC的更新速率为 （2-2）通道转换的稳定时间三倍于通道转换时间，即 （2-3）通过公式(2-1)，(2-2)，(2-3)，我们就可以计算特定的SF值与陷波点频率以及稳定时间的关系。表l所示为AD77

30、18芯片陷波频率、稳定时间与50Hz、60Hz频率抑制的关系。当陷波点设在50Hz时，稳定时间t=3/50Hz=60ms。因此若采用Sinc3滤波器，则当输入信道改变后，最先采样输出的3个数据不能使用，应该抛弃；只有从第4个输出数据开始才是可用的，这一点在实际应用中至关重要。当工作在斩波方式时，AD转换器具有非常低的偏移误差和漂移，此时各项性能都趋于最佳。频率响应公式为(2-4)，(2-5)所示: （2-4） （2-5）在寄存器设置的SF值相等时，ADC的更新速率是非斩波时的1/3，稳定时间为2个输出数据的转换时间。如表4-1所示，分别设置SF=82或68时，对率的抑制会大于1O0dB。（2）

31、光电隔离的设计信号采集系统通常是模拟电路和数字电路的混合体，其中模数变换是不可缺少的。从信号通路来说，AD变换之前是模拟电路，之后是数字电路。模拟电路和模数转换电路决定了硬件系统输出信号的信噪比。为了提高信噪比，要想办法抑制系统中噪声对模拟电路和数据采集卡的干扰。在各种噪声当中，由数字电路产生并串入模拟及AD电路的噪声普遍存在且较难克服。数字电平上下跳变时集成电路耗电发生突变，引起电源产生毛刺。数字电路越复杂，数据速率越高，高频干扰分量越多。而普通印刷电路的分布电感较大，使地线不能完全吸收逻辑电平跳变产生的电流高频分量，产生电压的毛刺，而这种毛刺进入地线后就不能靠旁路电容吸收，而且还会通过共同

32、的地线干扰模拟电路和数据采集卡中的模数转换电路，从而影响了数据采集卡准确地进行数据采集。因此，这种情况下需要使用光电隔离电路将输入和输出电路进行隔离，以有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰。设计可选用响应速度较快的光电隔离芯片6N137。 表4-1 SF既定后陷波频率、稳定时间与50Hz、60Hz频率抑制的关系第3章 微弱信号检测的原理和常用检测理论3.1 微弱信号检测的原理下面我从信号处理系统的信噪比改善来简单地论述一下微弱信号检测的原理。信噪比改善的定义为: SNIR=SNRo/ SNRi。现在以输入系统的噪声为白噪声( 电阻噪声) 时来讨论SNIR 的表达式。 图3-1推导SNIR 的

33、示意图在图3-1中设信号处理系统的输入信号电压和输出信号电压分别为Vsi 和Vso,输入噪声为带宽白噪声,其噪声带宽为Bi,噪声功率谱密度为Sni,则输入噪声的均方值为V2ni= SniBi,若系统的电压增益为Kv(f),系统的噪声等效带宽为Be,则输出噪声的均方值为其中, 于是可得到系统的SNIR 为:由上式可以看到,信号处理系统的信噪比改善等于输入(白)噪声带宽与系统的噪声等效带宽之比。因此,减少系统的噪声等效宽度便可以提高系统的输出信噪比。对于信噪比小于1的被噪声淹没的信号, 只要信号处理系统的噪声等效带宽做得很小,就可以将信号(或信号携带的信息)从噪声中提取出来。3.2 微弱信号检测的

34、方法 要检测种类繁多的信号,只有根据不同信号、不同的要求、不同的条件采用不同的检测方法,这才是一种正确的选择。下面我们给出几种方法6。（1） 窄带滤波法使用窄带滤波器,滤掉宽带噪声只让窄带宽信号通过(仅有极少量窄带噪声通过)。白噪声上面已分析,下面我对1/f噪声的情况进行简单分析。设1/f噪声通过一个带宽B= f2- f1的滤波器后。1/f噪声的功率谱密度为K01/f,则输出噪声电压均方值:上式可看出B越小,即通频带愈窄,噪声电压均方值愈小,抑制噪声能力愈强。可把信号检测出来,对于任何单个脉冲信号(方波、正弦波等) 可认为它的带宽为t,为了检测单次信号,滤波器Bf =1/t, 且信噪比改善SN

35、IRfmt(fm为噪声带宽) 。窄带滤波法能减少噪声对有用信号的影响。滤除掉通频带以外噪声, 提高信号的信噪比。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。(2）双路消噪声由于信号与噪声性能完全不同,信号一般为一些变化规律已知的量, 而噪声是一些随机量满足统计规律。根据这个条件我们设计出了一种双路消噪法的原理图,如图3-2 。当随机性的噪声从两路到达加法器时, 极性正好相反,经过加法器相加后把噪声消掉。只有少数强噪声才通过阀值电路而产生本底计数,根据统计规律。本底计数时间较长时为恒定值。故可以先测出它,然后从总计数中把它减掉得到信号计数。这种方法只能检测到微弱的正弦信

36、号是否存在,而不能复现信号波形。图3-2 双路消噪法的原理图（3）同步累积法 利用信号的重复性,噪声的随机性,对信号进行重复累积(几次), 使SNIR 提高,但需耗费时间。下面给出详细的分析:重复累积几次后输出信号与噪声分别为噪声: 信号: 则 由上式可知,累计次数n越大,则SNIR 越大。下面给出同步累积器的原理框图,如图3-3。图3-3 同步累积法的原理图（4）锁定接收法( 频域分析法)锁定检测法是利用互相关原理,使输入待测的周期信号与频率相同的参考相关器中实现互相关,从而将深埋在噪声中的周期信号携的信息检测出来,它的原理框图如图4-4。 图3-4 锁定接收法原理图考虑最简单情况,只有信号

37、无噪声 输入信号: 参考信号: 令, 则乘法: 积分: 积分时间常数为T=RC;令T=P/X, 则，输出是直流量。 只有噪声输入时 设 Q(t),U(t)均为随机变量，则，T, Vn0(t) = 0 当输入为信号与噪声之和时, 可将上面的结果相加起来, 可以将积分时间取的较长, 就可将噪声抑制, 将信号检测出来。（5） 相关检测法 相关检测技术是应用信号周期性和噪声随机性的特点, 通过自相关或互相关运算, 达到去除噪声检测出信号的一种技术。 由于信号和噪声是相互独立的过程, 根据相关函数和互相关函数的定义, 信号只与信号本身相关与噪声不相关。而噪声之间一般也是不相关。 自相关检测法如图3-5图

38、3-5 自相关检测法原理图则输出的 ,根据互相关函数的性质,由于信号s(t)与噪声n(t)不相关, 并且噪声的平均值为零,得到Rsn=0,Rns=0,则,随S的增大,Rnn(S)0则对充分大的S,可得Rxx(S)=Rss(S)就得到了信号S(t)的自相关函数Rss(S),它将包含着S(t)所携带的某些信息。 互相关检测图6是实现互相关检测的原理框图4-6。设输入x(t)为: x(t)=s(t)+n(t)图3-6 互相关检测原理图s(t)为待测信号,n(t)为信号s(t)中混入的噪声,y(t)为已知参考信号,则互相关输出Rxy(S)为: 如果参考信号y(t)与信号s(t)有某种相关性,而y(t)

39、与噪声n(t)没有相关性,且噪声的平均值为零,则:Rxy(S)=Rsy(S),Rsy(S)中包含了信号S(t)所携带的信号,这样就把待测的信号S(t) 检测出来。（6)取样积分法(时域分析法) 工作原理,取样积分器原理框图(图4-8)。图3-8 取样积分法原理图取样积分(或信号平均)法是将待测的重复信号逐点多次取样并进行同步积累,从而达到从噪声中恢复信号波形的方法。取样积分也采用同步相关检测的原理和方法,实现从噪声中提取信号,但它的参考信号只在窗口持续期间与被测信相关,每周相关时间很短,此外它的相移也是在很慢的变化。第4章 检测电路总体设计由于信号与噪声之和往往比较微弱，所以需要对信号和噪声进

40、行放大调理。系统从整体上可由信号调理模块、数据采集模块和显示执行模块构成。系统框图4-1如下所示:图4-1系统组成框图4.1 信号调理模块信号调理模块主要完成信号的前置放大、滤波、50Hz陷波电路、二次放大及光电隔离的功能。由于微弱信号幅度很小，所以信号调理电路必须具有一些必备的性能。首先，电路必须具有很高的共模抑制比，能抑制工频干扰以及其它可能的干扰。从数字平均法的原理知，若微弱信号受到外界周期性的外界干扰，那么将严重地影响信号波形的复原，所以，滤波环节、抑制共模干扰非常重要。同时电路的输入阻抗也是一个很重要的参数。高输入阻抗可以有效地减小信号源内阻的影响，这就要求设计的电路的输入阻抗较大。

41、此外，调理电路的低噪声、低漂移等指标也是极为重要的因素。前置放大采用AD524，滤波器采用两片MAX267构成的8阶滤波器，二级放大采用TLC2652放大器。（1） 前置放大器的设计前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备，例如置于光盘播放机与高级音响系统功率放大器之间的音频前置放大器。前置放大器是专为接收来自信源的微弱电压信号而设计的，已接收的信号先以较小的增益放大，有时甚至在传送到功率放大器级之前便先行加以调节或修正。无论为家庭音响系统还是PDA 设计前置放大器，都要面对一个十分头疼的问题。本文采用AD524作为前置放大器，由于它集成电路体积小巧、性能卓越，精度高，共模抑制比高

42、、非线性误差小、输入阻抗高、低噪声、低失调电压和失调电压漂移，并带差动输入，可变增益输出。（2） 滤波器的设计集总低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基础，各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特性推导出来的。正因如此，才使得滤波器的设计得以简化，精度得以提高。 “巴特沃斯响应”带通滤波器具有平坦的响应特性，而“切比雪夫响应”带通滤波器却具有更陡的衰减特性。所以具体选用何种特性，需要根据电路或系统的具体要求而定。但是，“切比雪夫响应”滤波器对于元件的变化最不敏感，而且兼具良好的选择性与很好的驻波特性（位于通带的中部），所以在本文中使用“切比雪夫响应”滤波器。滤波器的阶数是指在滤波器

43、的传递函数中有几个极点，阶数同时也决定了转折区的下降速度，一般每增加一阶(一个极点)，就会增加-20dBDec(-20dB每十倍频程)。综上所述：本文采用MAX267程控带通“切比雪夫响应”，两片MAX267并联的8阶滤波器。（3） 主放大电路的设计TLC2652具有优异的直流特性，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小，TLC2652非常适合用于微信号的放大。4.2 数据采集模块数据采集分为三个模块：10通道一型模数转换模块、CY7C68013A单片机控制模块、USB接口模块、数字显示、键盘和电源模块。模数转换器采用AD7718是一个5对差分输入

44、24bits分辨率的数据采集芯片。应用比较简单，模拟输入可直接与传感器相连，数字接口（标准的SPI 接口）直接与单片机相连。 CY7C68013A单片机功能强大，包含增强型8051内核和智能USB接口优良的性价比，价格便宜；开发简单，CYPRESS公司提供了完整开发方案，如调试界面和固件框架；真正体现USB2.0传输速度，增强型8051的指令周期只有4时钟周期。 USB2.0是一种高效、快速、价格低廉、体积小的新型串行通信接口，其最大的特点是支持热插拔，可以在不重新启动计算机的情况下直接将USB外部设备连接到计算机并开始通信。在单片机系统中，通常用LED数码显示器来显示各种数字或符号，由于它具

45、有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的LED7显示器有七段和“米”字段之分，有小数点位的7段显示器的字形码为八位二进制，正好一个字节，“米”字显示器有15个发光二极管，所以其字形码需两个字节。本文数字显示部分采用了七段数码管显示，循环动态显示6位字符。键盘采用44键盘输入，按键数目较少，可根据实际情况灵活编码。直流稳压电源是常用的电子设备，它能保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳定的电压。在此次设计中，我们采用的电源通过市电电网的交流电经变压，整流，滤波，稳压后得到系统所需的直流电源。电源部分采用W78，W79

46、系列的稳压器。基于W78，W79系列设计了个元器件所需电源。4.3 检测电路图 检测电路图（如图4-2）图4-2 系统总电路图第5章 微弱信号的采集与调理信号调理的基本流程：将传感器采集到的信号通过前置放大，程控滤波后，再进行最终放大。5.1 信号拾取和低噪声前置放大器对于微弱信号检测仪器或设备，前置放大器是引入噪声的主要部件之一。根据弗里斯公式，整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数。因此，仪器可检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声7。 设计低噪声前置放大器的内容包括选择低噪声半导体器件，确定电路级数和电路组态，确定低噪声工作点，进行噪声匹配等工作。在实现噪声指标的基础上

47、，还要根据放大器要求的总增益，频率响应，输入输出阻抗，动态范围，稳定性等指标，确定整体电路的级数，组态，反馈和频率补偿方法等。此外，低噪声设计还要确定抑制外来干扰的技术措施，这对于前置放大器尤其重要。所以要求前置放大电路不仅要有较大的输入阻抗，高的共模抑制比，而且噪音要低，并满足检测频带宽度，具有一定的放大倍数。（1）AD524及其特点仪表放大器是一种闭环增益组件，它具有一对差分输入和一个单端输出。它与运算放大器相比，不同点是运算放大器的闭环增益是由其反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则是由与输入隔离的内部反馈电阻决定。仪表放大器两个输入端的阻抗完全匹配，而且数值很高，典型

48、值为109-1013。如果在它的两个差分输入端输入信号时，则增益既可以由内部预置，也可以由用户通过引脚内部设置或通过与输入信号隔离的外部增益电阻设置。由于仪表放大器是一种经过优化处理，专门设计的精密差分电压放大器，所以它具有很多优点，如共模抑制比高、非线性误差小、输入阻抗高、低噪声、低失调电压和失调电压漂移，并带差动输入，可变增益输出。从仪表放大器的特点来看，非常适合对微弱的电压信号进行放大，因此本文利用仪表放大器来放大微弱电信号。通过比较，我们选用美国AD公司的精密仪表放大器AD524作为前置放大。AD524采用双电源供电，供电电压最高可达士15V9。它具有低的增益误差和高的共模抑制比，当增

49、益为1时，共模抑制比大于90dB，增益误差最大为0.05%；当增益为1000时，共模抑制比可达120dB，且增益误差最大为士2%。 AD524的非线性误差在士0.01%之内(增益为1000)；输入失调电压50V,输入失调电压漂移士0.5V/。AD524两个差动输入端的阻抗完全匹配，而且数值很高，典型值为109，既可以差动输入也可以单端输入。AD524内置输入电源保护电路，适应上电和掉电时各种恶劣的工作环境。同时，它还提供较宽的增益带宽、高的输出转换速率和低的阶跃响应建立时间等优越的动态待性。AD524可以通过改变外围接线来设置增益，增益倍数分别为1,10,100，1000。当需要归至1到100

50、0之间其它增益时，可通过外接电阻来设置所需增益。AD524的引脚图如图5-1所示图5-1 引脚图各引脚的功能：1输入负，2输入正，4、5输入零，6基准电压，7电源负，8电源正，9输出，10检测，11、12、13 G是设计增益短接到RG2，14、15输出零。将毫伏级电压信号接到仪表放大器AD524的差动输入端，这里选取设置片内增益的方法，将3脚与12脚短接，选取增益倍数为100。输入偏置电流和输入失调电流是引起输入误差的来源之一8。尽管仪表放大器采用差动输入，仍需在输入端和地之间为偏置电流提供一条直流通路，避免偏置电流通过寄生电容引起输出的不可控漂移或饱和现象。本文通过在两个输入端接入阻值相同的

51、接地电阻，消除了偏置电流的影响，见图5-2。 图5-2 AD524的电路图5.2 程控滤波器滤波是信号处理、数据传送和抑制干扰等领域必不可少甚至是至关重要的环节。最常用的滤波器是RC有源滤波器,它是由电阻、电容以及运算放大器构成，并通过模拟开关选取不同的R，C的值来改变滤波器的频率特性。对于高阶有源滤波器，由于所需模拟开关很多，电路复杂，分布参数较大，截止频率精度不高。而采用频率特性可变的程控开关电容滤波器，用程控方法对带宽大的信号进行滤波的方法可以克服以上的缺点。由于MAXIM公司生产的开关电容程控滤波器性价比较高，且易于程控，本文在微弱信号检测系统中采用了MAX267带通有源滤波器。(1)

52、 MAX267概述10 MAX267是一种应用非常广泛的4阶开关电容滤波器。这款芯片不需要外部元件就能做成契比雪夫、巴特沃斯、贝塞尔等带通滤波器。所设计滤波器的中心频率与Q值均可通过芯片引脚方便地选择。芯片有外部时钟的输入引脚，可精确地设定滤波器的中心频率与截止频率的比值。MAX267部有2个二阶滤波器，每个滤波器均由开关电容网络组成，性能相同，参数也相同，可以级联成4阶、6阶或8阶等更高级的滤波器使用。在芯片的外部增加电阻和电容可组成多级反馈带通滤波器。MAX267的内部结构如图l，其时钟信号的频率范围为40Hz4MHz，中心频率的选择范围为0.4Hz40kHz，时钟频率与中心频率之比由芯片

53、引脚F0F4决定，Q值由芯片引脚QOQ6决定。MAX267的结构主要由两个独立的滤波单元、分频单元、f0 逻辑单元、Q逻辑单元及模式设置单元等电路组成。主要特性描述如下: 滤波器设计软件化；中心频率32阶可控；Q值128阶可控；Q值与f0独立可编程；f0可达140kHz；支持正负5V供电方式。MAX267内部含有2个独立的二阶开关电容带通滤波器，它有12个可编程输入端，其中5个用来设置滤波器中心频率，另外7个用来设置滤波器的品质因数Q。因此，不需要外加任何元件，仅需要外部时钟就可以实现带通滤波功能，使用极为方便。MAX267采用24脚窄DIP封装，各主要引脚功能如图5-3所示。图5-3 MAX

54、267引脚图INa，INb(5,1)分别为两路带通滤波器的信号输入端；BPa,BPb(2,24)分别为两路带通滤波器的信号输出端；Q0Q6(13,14,19,20,23,6,7)为品质因数设置输入端，分别接低电平或高电平,可以在 0.564之间设置滤波器的品质因数； F0F4(22,15,21,10,9)为滤波器中心频率设置输入端，分别接低电平或高电平， 可以将中心频率设置为时钟频率的1/197.921/100.53；CLKa,CLKb(11,12)分别为两路带通滤波器的时钟输入端；OSC OUT(18)连接至晶振，当使用外部时钟时，该端子悬空；OP IN(4)为片上独立运放的反相输入端，同相

55、输入端内部连接至地；OP OUT(3)为独立运放的输出端。(2) 带通滤波器的设计契比雪夫型滤波器与贝塞尔型和巴特沃斯型滤波器相比，其通带边界下降较快，与椭圆型滤波器相比具有较平的通带幅频特性。根据所需信号的处理要求，确定滤波器的类型，据此可以确定滤波参数F及Q值。将F值和Q值转化为滤波芯片所需要的数字系数，进而确定芯片的F系列引脚与Q系列引脚的输入。用外部电阻和电容将滤波器级联起来，形成所需要的8阶滤波器。(3) MAX264原理及设计。对M0、M1两个管脚编程可使芯片工作于模式1、2、3、4几种方式,对应的功能如表1所示,时钟与中心频率比值与编码对应。模式2用于实现全极点低通和带通滤波器,

56、该模式下fclk/f0是模式1的2倍，这样就延宽了截止频率。MAX267只有在这种模式下，带通滤波器的中心频率只与外部输入时钟及F0F4的设置有关，因此，中心频率的控制十分方便。其中心频率处的增益(G0 )仅由品质因数Q决定，品质因数由引脚Q0-Q6设置。(4) 例如： 8阶契比雪夫带通滤波器设计信号需要进行的截止频率定为fp1=0.4Hz、fp2=l5Hz的带通滤波。确定滤波输入信号需要进行4阶以上契比雪夫带通滤波，为确保信号正确性，系统采用8阶契比雪夫带通滤波。 8阶契比雪夫带通滤波器设计根据设计要求进行计算11：带宽：BW=fp2-fp1 =15-0.4=14.6Hz；中心频率：f0=f

57、p1fp2=15x0.4=2.4495；取时钟输入频率fclk为400 Hz，则：fclk:f0 =400: 2.4495=163.3通过查芯片的数据手册确定芯片的F系列引脚,F0F4的值为o0101；品质因数为：Q=f0:BW=2.4495:14.6=0.1678系统采用的是8阶契比雪夫带通滤波，带通波纹取1.0dB，查MAX267芯片的数据手册， KQ=4.1981；K0=O.1869；K2=O.2038；K3=0.6840；K4=0.3002；修正由4个2阶滤波器所构成的8阶滤波器的品质因数Q=QKQ=0.16784.1981=0.7044；另外,MAX267只能用于模式1，所以由芯片数

58、据手册可确定芯片的Q系列引脚Q0Q6的值为1010010。8阶带通滤波的反馈电路如图2，取Rf为10K，R0 决定滤波器的总增益。R0=K0Rf(Qr/2)M M=(滤波器的阶数)/2,RN=KNRf(Qr/2)N 所以M=8/2=4，计算R0=O.186910(0.7044/2)41000=28.67,取R0为30R2=0.203810(0.7044/2)21000=252.8,取R2为250R3=0.684010(0.7044/2)31000=298.8,取R3为300R4=0.300210(0.7044/2)4l000=46.2,取R4为51,C2C4取3pF。基于以上参数，设计的8阶带

59、通滤波器原理如图5-4。CLK输入是DSP产生的400Hz的PWM波，VIN是采集的信号，VOUT是滤波以后的信号。采用开关电容滤波器MAX267设计和制作的契比雪夫高阶带通滤波器，其结构简单，易于设计，性能可靠，避免了传统高阶滤波器电子元件多、不宜调节的缺点。值得提出的是：由于高阶滤波器滤波节数多，因而不可避免地会带来一些高噪声；另外，模拟滤波器在通带范围内还会产生一定的相移。这些都是实际操作过程中需要考虑的因素。图5-4 MAX267带通滤波器原理图5.3 TLC2652放大器TLC2652是德州仪器公司使用先进的LinCMOS工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。斩波稳零的工作方式使TLC

60、2652具有优异的直流特性，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小，TLC2652非常适合用于微信号的放大。 在微弱信号的测量中，常常需要放大微伏级的电信号。这时，普通的运算放大器已无法使用了，因为它们的输入失调电压一般在数百微伏以上，而失调电压的温度系数在零点几微伏以上。固然输入失调电压可以被调零，但其漂移则是难以消除的。德州仪器公司生产的斩波稳零型运算放大器提供了一种解决微信号放大问题的廉价方案。 (1)TLC2652的内部结构 下面对TLC2652的内部功能单元作一简单介绍： 主放大器。它与一般的运算放大器不同之处在于，它有三个输入端。除引出

61、芯片外部的同相和反相输入端外，其在芯片内部还有一个用于校零的同相输入端。 校零放大器。它也有三个输入端，但与主放大器相反，在芯片内部的输入端是反相输入端。 时钟和开关电路。内部时钟产生时钟信号，控制各开关按一定的时序闭合与断开。在14和20引脚的芯片中时钟信号还可从外部引入。 补偿网络。它使电路在较宽的频带内有平坦的响应。在TLC2652中，电路的高频响应主要由主放大器决定。 箝位电路（CLAMP）。它实际上是一个当输出与电源电压相差接近1V时动作的开关，把CLAMP与运放的反相输入端短接，则其引入的深度负反馈可使电路在过载时的增益大大下降以防止饱和。它可以加速电路在过载后的恢复。(2)斩波稳

62、零的工作原理TLC2652芯片上的控制逻辑产生两个主要的时钟周期：校零周期和放大周期。主放大器一直与电路的输入端和输出端相连，而校零放大器则在两个周期内分别对自己和主放大器校零。 在校零周期内，开关A闭合，使校零放大器的两个输入端短路，通过自身的反馈，校零放大器的失调电压被减到最小。同时，外接记忆电容CXA 中储存了这一失调电压，在放大周期内，开关B闭合，把校零放大器的输出与主放大器的同相输入端连接起来，使主放大器被校零。同时，外接记忆电容CXB 中储存了校零电压，使主放大器在下一个校零周期内仍保持校零。 图4-5 TLC2652的简化框图 在TLC2652中，内部时钟使放大器以450Hz的频

63、率校零。在这种连续校零的机制下，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小。由于低频信号经过两个放大器放大，电路可以获得极高的增益，这在需要精密高增益放大的电路中是十分有用的。由于使用了LinCMOS工艺和低噪声的MOSFET，输入噪声被大大减小。 (3)TLC2652的主要技术性能； 极低的输入失调电压：0.5V（典型值），1V（最大值）； 极低的失调电压漂移：0.003V/（典型值），失调电压长期漂移为0.003V/月 低输入偏置电流：4pA（典型值），60pA（最大值）； 低输入失调电流：2pA（典型值），60pA（最大值），500pA（T=-55 至125最大值） 开环电压增益：135dB（最小值），150d