1、1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
2、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N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
3、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 089的调节，合2起来即实现了 0360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
4、 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
5、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
6、用开关式乘法器。相敏检3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，0()cos()xtVt()rtrV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T0/T为傅里叶级数 00011()cossinmmrtatbt可得 的傅里叶级数表示式为()rt 104()()cos(2)nrVt t1 10 02 ()()()s()cos(2)n nsr srp Vutxrt t t g
7、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 2()cosrput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，1rV ()rt1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()xt()rt1x的输出为 2()cosoVut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。4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
8、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：|A u|=1,=180 -2arctan（f/f 0） ，其中 f0=1/（2RC ） 。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0SNV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
9、，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501KGBR10K，3.3K；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 500Hz2K，所以带通滤波器的通带必须包含这
10、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1OUTVCD4053；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REF5LM311 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 Launch
11、pad 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。2OUTV3.2.1 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yaxb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6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
12、源输出 的有效值输出为 1.01V。NVC 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：2.9M。（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
13、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 （
14、KHz） 显示值（VP） 误差0.8 0.008 20%1.0 0.085 15%1.4 0.008 20%1.8 0.009 10%0.022.0 0.008 21%70.5 0.488 25%0.8 0.484 32%1.2 0.488 24%1.5 0.484 32%12.0 0.487 27%0.5 0.985 15%0.8 0.971 29%1.2 0.988 12%1.5 0.977 2.3%22.0 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 总结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8附图 2 分压网络附图 3 带通滤波器附图 4 软件流程图
