微弱信号检测装置.pdf

1、实验报告课程名称： 电子系统设计高级实验 指导老师：金心宇周绮敏、李惠忠 成绩：_实验名称： 微弱信号检测装置 实验类型： 设计型 同组学生姓名：_一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求设计并制作一套微弱信号检测装置，用以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，并数字显示出该幅度值。为便于测评比较，统一规定显示峰值。整个系统的示意图如图1所示。正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC机

2、的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。图中A、B、C、D和E分别为五个测试端点。1、基本要求（1）噪声源输出VN的均方根电压值固定为1V0.1V；加法器的输出VC=VS+VN，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。（2）微弱信号检测电路的输入阻抗Ri1M。（3）当输入正弦波信号VS 的频率为1 kHz、幅度峰峰值在200mV 2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。2、发挥部分（1）当输入正弦波信号VS 的幅度峰峰值在20mV 2V范围内时， 检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%

3、。（2）扩展被测信号VS的频率范围，当信号的频率在500Hz 2kHz范围内，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。（3）进一步提高检测精度，使检测误差不超过2%。（4）其它（例如，进一步降低VS的幅度等）。二、实验内容和原理针对微弱信号的检测的方法有很多，比如滤波法、取样积分器、锁相放大器等。下面就针对这几种方法做一简要说明。方案一：滤波法。在大部分的检测仪器中都要用到滤波方法对模拟信号进行一定的处理，例如隔离直流分量，改善信号波形，防止离散化时的波形混叠，克服噪声的不利影响，提高信噪比等。常用的噪声滤波器有：带通、带阻、高通、低通等。但是滤波方法检测信号不能用于信号频谱与噪声频

4、谱重叠的情况，有其局限性。虽然可以对滤波器的通频带进行调节，但其噪声抑制能力有限，同时其准确性与稳定性将大打折扣。专业： 信息与通信工程姓名：李睿、朱晓颖、胡雷斌学号： 3110101516日期： 2014.7.13地点： 外经贸楼 203正弦波信号源 微弱信号检测电路噪声源 VSVN VC Vo纯电阻分压网络 显示电路加法器 ViAB C D E实验名称： 微弱信号检测装置 姓名：_李睿、朱晓颖、胡雷斌_学号： P.1方案二：取样积分器取样积分法是利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便呈现出待测信号的真实波形

5、。由于信号的取样是在多个周期内重复进行的，而噪声在多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的波形。其系统原理图如图1所示。放大器 取样门 积分器脉冲产生与控制( ) ( )S nV t V t( )rV t 图1一个取样积分器的核心组件式是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制RC积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形做同步积累，并将累积的结果保持到下一次取样。取样积分器通常有定点式和扫描式两种工作模式。定点式是测量周期信号的某一瞬态平均值，经过m次取样平均后，其幅值信噪比改善 倍，但这种方法取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延

6、时取样，可用于恢复与记录被测信号的波形，由于其采样过程受到门脉冲宽度的限制，只有在门宽范围内才能被取样。方案三：锁相放大器锁相放大器也称为锁定放大器（Lock-In-Amplifier,LIA）。它主要作为一个极窄的带通滤波器的作用，而非一般的滤波器。它的原理是基于信号与噪声之间相关特性之间的差异。锁相放大器即是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同相位和同频率的被测信号。锁定放大器可在比被测信号强100dB的噪声干扰中检测出有用信号。其原理框图如图2。图2锁相放大器的核心部件是鉴相器，它实现了被测信号与参考信号的互相关运算。它把输入信号

7、与参考信号进行比较，当两个信号相位完全相同时，即相位差为0时，经低通滤波后，输出信号的直流分量达到最大，其正比于输入信号中某一特定频率（参考输入频率）的信号幅值。锁相放大器具有很多优点：信号通过调制后交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检波器实现实验名称： 微弱信号检测装置 姓名：_李睿、朱晓颖、胡雷斌_学号： P.2对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声同频又同相的概率很小；利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做得很窄，并且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大提高。但是值得注意的是适合于锁相放大器的检测信号应该是单频的，或者传导频谱所占频带是较窄的。综合考虑，尤其根

8、据是手头现有器件的情况，我们选择了利用锁相放大器作为本次的检测方案，并达到了预期的效果。设输入信号为：根据傅里叶变换，r(t)可用三角函数的形式表示为：r(t)与x(t)相乘后的结果为： 上式第一项为差频项，第二项为和频项。在通过低通滤波器（LPF）后，所有的和频项与差频项都被滤除。最后滤波器的输出为：上式说明被测信号经过相敏检波器（PSD）和低通滤波器（LPF）后，输出正比于被测信号的幅度，同时正比于参考信号与被测信号的相位差的余弦函数，此时，输出最大，从而实现鉴相与鉴幅。同时，有上式若测得输出电压可以反推得到输入电压的幅值： PSD信号的输出信号由于被测信号与参考信号之间的相位差而产生很大

9、的变化。受此影响，经过低通滤波器后的输出电压也会变化很大。如图3所示。图3通过图3，我们可以看到只有在相位差为时才能很好的检测被测信号的大小。通常，我们在进行测量时需要通过相移网络把参考信号与被测信号之间的相位差调到再输入到PSD。4、总体方案设计本设计系统框图如图4-1所示。系统通过把正弦信号与噪声源通过加法器混合，通过电阻分压网络使噪声衰减到一定程度，模拟淹没在噪声中的有用信号，再通过前置放大电路对信号进行预放大，再通过带通滤波器选择设计所需的通频带，然后通过以AD630为核心器件的锁相放大器，输出电压经过低通滤波器之后得到一个直流电压输出，最后通过MSP430进行AD采样、数据处理后送液

10、晶显示。在整个电路中放置了AE共5个测试点作为调试用。实验名称： 微弱信号检测装置 姓名：_李睿、朱晓颖、胡雷斌_学号： P.3噪声源正弦波信号源 数码管显示移相网络加法器 分压网络 前置放大 带通滤波 低通滤波 单片机处理A/D三、电路模块及其接线图1）仿真部分总体仿真电路如下所示：（1） 加法器电路采用同相加法器，最终输出为 12 13 10 1310 12 11 10 12 11(1 ) (1 )S NR R R RV VR R R R R R = S NV V ，电路图如下所示：实验名称： 微弱信号检测装置 姓名：_李睿、朱晓颖、胡雷斌_学号： P.4（2）纯电阻衰减网络1514 15

11、RA R R = 1101，满足题目要求的纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。（3）前置放大电路采用INA128芯片，放大倍数 50 1 101kA R 。由于Multisim里没有INA128芯片，所以用INA326EA代替做仿真。纯电阻衰减网络 前置放大电路（4）带通滤波电路带通滤波器采用低通和高通滤波器级联而成，前级为低通，截止频率为 18 5 19 91 2c cw fR C R C ，故cf =7.0KHz；后级为高通，截止频率为 20 11 21 121 2c cw fR C R C ，故 cf =200Hz；故通带范围200Hz7.0KHZ，能很好的滤除通带外的噪声。实验名称：

12、 微弱信号检测装置 姓名：_李睿、朱晓颖、胡雷斌_学号： P.5（5）相敏检波电路通过移相比较电路输出的方波控制选通前级带通滤波输出及其反向输出，最终得到均为正电平的半波。U3OP07AH324768 1S1ADG409BN1 of 4 DecoderS1A4S2A5S3A6S4A7S1B13S2B12S3B11S4B10A01 A116EN2DB 9DA 8VDD14GND15 VSS3VCC12.0VVEE-12.0V VCC 12.0VVEE-12.0VR95kVo1Vo2低通前R225k（6）移向比较电路通过R6来控制输出方波的左右移动，R7来控制方波的宽度，使得最终输出的方波与前级带

13、通滤波输出Vo1周期一致。U1ALM358AD32481U1BLM358AD56487R110kR210kR310kR410kC1100nFC2100nFC3100nFU2LM311H23487516R5100kR610kKey=A 0 %R75kKey=A 17 %VCC12.0VVEE -12.0V VCC 12.0VVEE-12.0VR810kVo2Vi实验名称： 微弱信号检测装置 姓名：_李睿、朱晓颖、胡雷斌_学号： P.6（7）低通滤波电路经过相敏检波电路得到半波之后，对信号进行最后一步处理，低通滤波的同时对信号幅度进行改善，调节增益使之与源信号幅度一致。即使f=100Hz,K=2。

14、根据低通滤波器的公式：K=1+R26/R2523 13 24 141 2c cw fR C R C 当R25=R26=R,C1=C2=C时，Wc=1/RC,设计值为：R1=R2=5K, R3=R4=10K, C1=C2=470nF。符合要求。U4BLM358AD56487R235kR245kR2510kR2610kC13470nFC14470nF低通前低通后2）原理图和PCB图见附页。四、下载、调试过程整个实验外围硬件电路较复杂，软件调试较简单。为了调试方便，我们在设计外围电路部分时，放置了很多排针，便于分级调试。电路连接完整后，我们逐级用示波器观察波形发现基本符合预期要求，但是测试到最后一级

15、低通滤波器电路时，发现低通滤波器并没有实现滤波功能，只是简单地实现了同相比例放大的功能。但在Multisim软件中，对该模块仿真时可以很好地实现滤波功能，分析可知，电路逻辑不存在问题，问题应该出现在电路焊接方面。经过电路排查之后，发现时滤波电容接错了，接上的是一个很小的电容，所以滤波带宽变得很大，输入波形的频率处于该带宽以内，所以并没有滤掉高频。将电容更换后，我们发现低通滤波器实现了低通滤波，输出的是一个直流电平，符合预期结果。然后将输出的直流电平输入到单片机中显示，就能得到输入的微小信号的幅值。功能实现。五、测试结果实物电路图：实验名称： 微弱信号检测装置 姓名：_李睿、朱晓颖、胡雷斌_学号

16、： P.7(1)输入信号正弦波（400mVp-p，1KHz） 噪声(1V，100KHz)（2） 加法器输出（3）纯电阻分压网络输出（4）带通滤波器输出实验名称： 微弱信号检测装置 姓名：_李睿、朱晓颖、胡雷斌_学号： P.8（5）移相比较输出（方波）和带通滤波输出（正弦波）（6）相敏检波电路输出（7）低通滤波器输出实验名称： 微弱信号检测装置 姓名：_李睿、朱晓颖、胡雷斌_学号： P.9（8）单片机显示结果信号发生器输入和单片机显示结果如下：输入/mV 输出/mV 误差/% 输入/V 输出/V 误差/%200 200 0 1.00 1.022 2.2300 304 1.33 1.20 1.196 0.3400 394 1.5 1.40 1.410 0.71600 598 0.33 1.60 1.584 1700 708 1.14 2.00 2.008 0.4从显示结果看，误差范围控制在3%范围内，达到了预期要求，输入信号幅度也是在200mV2V范围内变化。功能得到实现。六、讨论、心得本实验的仿真阶段我们花了一整天的时间才选好满意的器件，并产生满意的波形，但是由于器件使用较多，所以只布线以及焊接电路板的时候都比较困难，不过在焊接好之后，电路成功地调试出来了，也很令我们欣慰。