微弱信号检测装置 本文关键词：微弱，装置，信号，检测
微弱信号检测装置 本文简介：微弱信号检测装置（A题）摘要本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路和显示电路完成微小信号的检测和显示在液晶屏上。本系统是
微弱信号检测装置 本文内容：
微弱信号检测装置（A题）
摘要
本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路和显示电路完成微小信号的检测和显示在液晶屏上。本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过比较器产生方波去驱动开关乘法器CD4053，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号，将该直流信号送入单片机处理后，液晶显示出来。经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。
关键词：微弱信号
强噪声
相敏检测
1系统方案
1.1方案论证与比较
1.1.1
微信号检测电路
方案一：采用滤波电路检测微小信号，通过滤波电路将微小信号从强噪声中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，所以该方案不可行。
方案二：采用取样积分电路检测小信号，利用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善倍，但这种方法取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。
方案三：采用锁相放大器检测小信号，锁相放大器由信号通道、参考通道、和相敏检波器等组成，其中相敏检波器（PSD）是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有很好的检波特性。由于该测试信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适合于锁相放大器的工作情况，故选择方案三。
1.1.2移相网络设计
因为检测电路选择了锁相放大器，而移相网络是锁相放大器中的一部分，在此进行分析。
方案一：采用全通滤波器模拟移相电路，一阶全通滤波器的移相范围接近180度，所以通过设计两级滤波则可使移相范围达到360度。
方案二：采用数字移相方法，数字移相可以在4个象限内进行0～89°的调节，合起来即实现了0～360°的移相，由集成芯片控制频率和相位预值，如用CD4046锁相环组成。
方案一与方案二相比，电路简单可靠，且方案二增加了电路的复杂度，成本也很高。
故选择方案一。
1.2总体方案论述
综上所述，本系统总体框图如图1所示，系统由加法器、衰减器、前置放大电路、带通滤波器、同相电路、反相电路、移相器、开关电路和低通滤波器构成；其中由同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，使得信号湮灭在噪声中，然后经过衰减器衰减100倍以上，送到由放大电路、带通滤波、同相、反相、移相、比较和低通滤波器构成微信号检测电路中。本系统以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相电路和比较器输出方波驱动开关管乘法器，输出直流信号然后通过单片机A/D转换，最后在液晶上显示出来。
图1
系统总体框图
2
理论分析与计算
2.1
锁相放大器原理
锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成，是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、同相的噪声分量有响应。所以它能大幅度抑制噪声信号，提取出有用信号。一般锁相放大器具有极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益可达220dB，能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。
由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声能力。它和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。
2.2
相敏检波器分析
相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器，本设计采用开关式乘法器。相敏检波器（PSD）的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波，当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大。其中图2为相敏检波器的基本框图。
图2
PSD基本框图
工作过程如下：设输入信号为。参考输入时幅度为的方波，其周期为，角频率为，根据傅里叶分析的方法，这种周期性函数可以展开为傅里叶级数
可得的傅里叶级数表示式为
上式右边第一项为差频项，第二项为和频项。经过LPF的滤波作用，的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩的差频项为
当方波幅度时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当为时，电子开关的输出连接到；当为时，电子开关的输出连接到，这时LPF的输出为
当经过开关乘法器，角度之差为0时，输出信号最大。
2.3
移相网络
因为输出信号与信号的相位差有关，所以必须加入移相网络。
移相是指两种同频的信号，以其中一路为参考，另一路相对于该参考做超前或滞后的移动，即称为相位的移动。由方案论证得，本设计采用模拟移相电路。模拟移相电路其实就是一个全通滤波电路，它的放大倍数Au=（-1+jwRC）/(1+jwRC)，写成模和相角的形式为：|Au|=1,φ=180°-2arctan（f/f0），其中f0=1/（2πRC）。每个滤波器相移范围均接近180°，所以本设计采用2个一阶全通滤波器串联，使得整个移相电路能做到接近360°的相移范围。
3
电路与程序设计
3.1
电路设计
3.1.1加法器
加法器采用差分放大器INA2134，无需外接电阻，即可做到,电路简单可靠，电路图为附图1。
3.1.2纯电阻分压网络
分压采用直接电阻分压即可获得100倍以上的分压，为了获得较好的分压结果，R1、R2均采用精密电阻，电路图为附图2。
3.1.3前级放大电路模块
为了使微弱检测电路的输入阻抗1MHz，所以它的第一级为同相放大电路，则它的输入阻抗至少大于1MHz，采用两片INA128作为运放放大100倍，INA128的放大倍数，所以第一级放大6倍，第二级放大16倍，选择电阻RG分别为10KΩ，3.3KΩ；INA128外围电路简单，输入阻抗高，并且有效抑制共模干扰，电路图为图3。
图3前置放大器
3.1.4带通滤波器
将低通滤波器与高通滤波器串联，就可以得到带通滤波器，因为输入信号的频率范围为500Hz~2K，所以带通滤波器的通带必须包含这个频率范围，带入参数可得带通滤波器电路为附图3。
3.1.5相敏检波器
带通滤波器的输出同时经过同相和反相跟随器后，输入到开关乘法器CD4053；然后另一路将参考电源先经过移相网络，接着滤掉直流，然后经过用LM311构成的单限过零比较器，得到方波去驱动CD4053，具体电路为图4。
图4
相敏检测电路
3.1.6低通滤波器
CD4053的输出最后经过由OPA4277构成的可调低通滤波器，该滤波器的R=1MHz，C=1u，算出截止频率为1Hz，能够达到滤波的效果，具体电路为图5。
图5低通滤波器
3.2
程序设计
本设计使用TI指定单片机模块Launchpad来完成，该单片机主要是将最后的可调低通滤波器的输出进行A/D采样。
3.2.1
测量结果标定
为了提高测量精度，除了采用多次A/D取平均以外，还使用加权平均和曲线拟合；对于每次测量值乘以加权系数0.8加上前次采样值乘以权值0.2作为本次测量的结果，利用多次测量的结果按方程进行曲线拟合得到标定系数a和b。最终根据得到的标定系数结合加权平均的结果计算出最终的测量值，送到液晶显示，流程图为附图4所示。
4
测试方案与测试结果
4.1测试仪器
任意波形发生器
模拟示波器
万用表
直流电源
4.2
测试方案
4.2.1基本部分测试
（1）经测试得：
B点噪声源输出的有效值输出为1.01V。
C点加法器的波形：无明显失真;带宽：3MHz。
D点衰减系数为：101。
D点的电路输入阻抗为：2.9MΩ。
（2）保持正弦信号的频率为1KHz,幅度值（VPP）改变，检测并显示正弦信号的幅度值，测量结果如下表。
输入信号幅度（VPP）
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.3
1.7
1.9
2.0
显示（VP）
0.098
0.193
0.306
0.402
0.498
0.592
0.640
0.840
0.933
1.041
误差
2%
3.5%
2%
0.5%
0.4%
1.33%
1.5%
1.17%
1.8%
0.4%
4.2.2发挥部分测试
（1）改变输入信号幅度范围（20mVPP-2VPP），输入频率为1KHz，观察显示数，测量结果如下表。
输入信号幅度（mVPP）
20
30
40
50
60
70
80
100
120
140
显示（mVP）
11
16
21
28
37
38
41
49
57
70
误差
10%
6.7%
5%
12%
23.3%
8.5%
2.5%
2%
5%
0%
输入信号幅度（mVPP）
160
180
190
200
显示（mVP）
80
87
91
99
误差
0%
3.33%
4.8%
1%
（2）改变被测信号的频率，检测正弦波的幅度值，测试结果如下表。
输入信号幅度(VPP)
输入信号频率（KHz）
显示值（VP）
误差
0.02
0.8
0.008
20%
1.0
0.085
15%
1.4
0.008
20%
1.8
0.009
10%
2.0
0.008
21%
1
0.5
0.488
2．5%
0.8
0.484
3．2%
1.2
0.488
2．4%
1.5
0.484
3．2%
2.0
0.487
2．7%
2
0.5
0.985
1．5%
0.8
0.971
2．9%
1.2
0.988
1．2%
1.5
0.977
2.3%
2.0
0.989
1.1%
4.3测试结果及分析
由上述测试数据可得，本系统能较好地完成基本部分和大部分发挥部分，当正弦信号频率为1K时，输入信号幅度在200mvpp-2VPP能很好地显示出来，误差在5%范围内，在20mvpp-200mvpp时，电路误差变大。可能是由于各级加法，放大器的线性误差及零飘，MSP430
AD采样的非线性误差等导致的。
5
本系统能够很好地完成基础部分和大部分发挥部分，系统电路中相敏检波器能够工作在信号频率缓慢变化时有效检测出有用信号。但由于时间仓促，没有时间进一步改进系统，不过这三天依然学到了很多东西，我们付出了很多，也收获了不少。
附录
附图1
加法器
附图2
分压网络
附图3
带通滤波器
附图4
软件流程图
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