1、 全国大学生电子设计竞赛2012 年 大 学 生 电 子 设 计 TI 杯 竞 赛 论 文设 计 报 告题 目： 微 弱 信 号 检 测 装 置 （ A 题 ） 学 校： * 指 导 老 师： * 参赛队员姓名： * 日 期： 2012 年 8 月 8 号 目 录1 方案论证与选择 11.1 采样方法比较与选择 111.1 加法器方案比较 11.1.2 纯电阻分压网络 11.1.3 微弱信号检测电路 11.1.4 单片机模块的选择 21.2 系统设计 32 系统软件仿真及流程图 42.1 加法器 42.2 纯电阻分压网络 52.3 带通滤波器 52.4 移相电路 52.5 相敏检波器 62.6
2、 低通滤波 62.7 单片机显示与流程图 .73 硬件选择和计算 83.1 加法器 83.2 纯电阻分压网络 .103.3 带通滤波器 103.4 移相电路 113.5 相敏检波器 123.6 低通滤波器 134 系统调试 144.1 测量仪器 154.2 测量结果 175 实验总结 18微弱信号检测装置设计报告成员：* 院校：*摘要：本文介绍了利用锁相放大的方法进行微弱信号检测的电路设计方案。本设计以带通滤波电路、移相电路、相敏检波电路、低通滤波电路实现锁相放大的功能；加法器和电阻分压网络为辅助电路； MSP430G2553 单片机实现信号输出和显示功能。系统主要由五个模块组成：信号发生模块
3、、加法器模块、纯电阻分压网络、锁相环路模块和显示模块。首先将正弦波信号源产生的有用信号和噪声源（MP3输出）产生的噪声信号通入加法器 TL081 中叠加。将其输出的混合信号通入电阻分压网络实现衰减。其次将信号通入高通滤波器和低通滤波器合成的带通滤波器，对信号进行功率放大，并滤除带外噪声。将输出信号和同频同相的参考信号（产生的振荡信号确定频率后通入移相器得到）同时接入相敏检波器进行整流后加低通滤波器进行信号幅度值的提取。最后将信号的幅值通入单片机进行信号的恢复，完成微弱信号提取。最终实现微弱信号的检测装置的设计和调试。关键字： MSP430；锁相放大；相敏检波；带通滤波；低通滤波1 方案论证与选
4、择本设计要求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。根据题意需要制作加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路、显示电路这个部分。现将各部分分别进行比较论证。1.1 采样方法比较与选择11.1 加法器方案比较方案一：采用 NE5532，是一种双电源运放集成。优点是放大倍数可以通过更改负反馈电阻值来实现。但是缺点是它自身没有集成高 低音调节功能，且输出的带宽不能满足要求，因此没采用此方案。方案二：简单的运算放大器 TL084CN，正弦波信号和 1KHz 的噪声信号通过TL084 加法器得到一个混合的信号，该芯片满足输出电压值 VC =VS+VN且有效带宽大于 1M
5、Hz，同时电路设计简单，性能比较好，能实现各部分功能，经过试验经验得到该芯片达到的性能指标较好，所以选择此方案。1.1.2 纯电阻分压网络为了满足题目的基本要求纯电阻分压网络的衰减系数不低于 100，所以我们采用纯电阻分压原理，利用 99:1 的比例电阻构成输出电压是原来的百分之一的衰减电路。通过该电路可使衰减达到 40db。1.1.3 微弱信号检测电路微弱信号检测电路是整个设计的重点。分为带通滤波、相敏检波器(相乘器)和低通滤波构成。（1）带通滤波方案分析：带通滤波器是一个只有在特定频段的频率传递信号衰减这一频段以外的所有信号的同时，其目的是提高增益、放大微弱信号。提取出在 1KHz 范围内
6、的正弦波信号和噪声信号的混合波，得到有效部分。方案一：用 MAX267 设计自适应带通滤波器，MAX267 只有一种工作模式，在这种模式下，带通滤波器的中心频率只与外部输入设置有关，容易控制，但是由于所要提取的基波信息与其谐波分量的频率相隔较远，工作的频率范围内存在干扰信号，且带通滤波器的输出频率低于其中心频率，所以不建议采用此方案.方案二：此方案采用 OP77 芯片，单位增益稳定，性能良好，输出级能驱动负载能力，同时能良好的在 1KHz 范围内得到有用的混合波，达到正弦波信号 Vc 的频率为 1 kHz、幅度峰峰值在 200mV 2V 范围内因此选择使用 OP77。（2）移相电路：方案一：T
7、L062CD 是低功率输入运算放大器，它具有高输入阻抗，低的输入偏置电流和低输入失调电流。先进的设计，但是在相位偏移上有局限，只能在 0-90 度之间调制，即此方案不被采用。方案二：FL353P 这个芯片是一种低成本，高速，具有极低的输入失调电压JFET 输入运算放大器。它需要低供应电流的维持一个大的增益带宽积和快速压摆率。此外，相匹配的高电压 JFET 的输入提供了非常低的的输入偏置和偏置电流，且没有工作温度和存储温度的影响，电路性能好，设计简单，因此采用此方案。（3）相敏检波器: 相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统
8、的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号,有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。模拟乘法器应用电路较简单，对输入信号无特殊要求，其缺点是模拟乘法器为非通用电路，因此价格偏高，且应用时电路调试也比较麻烦。LF353P 芯片为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力。（4）低通滤波：滤波器的作用是滤除合成的交直流信号，得到近直流分量。方案一：无源 LC 低通滤波器电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高，但是通带内的信号有能量损失，且幅度有所衰减。不建议采用方案二：LF353P 滤波器性能良好，且波形输出无
9、失真，所以采用此套方案。1.1.4 单片机模块的选择方案一： 89C51 单片机本身的电源电压是 5v，有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。在掉电状态下，其耗电电流为 3mA，在掉电方式下提供约50mA 的电流。其次，80C51 单片机是 8 位单片机，速度较慢，且不能在线编程。不建议采用方案。方案二： MSP430G 2553 单片机功能齐全，功耗小。能显示数据且能完成补偿，在电压峰值超过时有蜂鸣器进行报警。所以选择 MSP430G2553 最小集成开发板。1.2 系统设计本设计是一套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
10、峰值。如图 1 所示。图 1 微弱信号检测装置示意图图 2 微弱信号检测电路当正弦波信号即是 A 点为 1KHz 和噪声源 VN 在 R 测其频率，经过加法器混和后形成混合信号 VC =VS+VN，且满足基本要求带宽大于 1MHz，得到的混合信号接到纯电阻电路中，即是利用一个可调电阻和一个固定阻值的 1 电阻，形成99:1 的衰弱电路，根据电阻分压可得到新的电压输出是原来的百分之一，因而正弦波信号源微弱信号检测电路噪声源VS VN VC Vo 纯电阻分压网络显示电路加法器Vi A B C D E 满足纯电阻分压网络的衰减系数不低于 100。通过带通滤波提取出在 1KHz 范围内的正弦波信号和噪
11、声信号的混合波。通过分析题目的各项要求，微弱信号检测电路是本设计的重点。首先思考如果欲将 1KHz 信号从噪声中检测出来，可以利用滤波，锁相放大，取样积分等等方法。本设计采用锁相放大的方法实现检测电路的设计。如图 2 所示，包括：用一个高通滤波器级联一个低通滤波器组成一个带通滤波电路同时实现 100 倍的增益。可以滤除 500Hz 2kHz 范围外的噪声输出设为 Vb；然后通过移相器将参考信号 Va（同频同相的相干波）与 Vb通入 LF353P 芯片搭建的相敏检波器得到 Vx信号；然后接入低通滤波滤除频率大于 40Hz 的频率成分，得到检测输出直流分量 Vo输出；最后单片机显示正弦波信号的幅度
12、值。2 系统软件仿真及流程图锁相放大是本设计的重点环节。系统总体框图如图 3 所示。混合电路信号经过带通滤波器时得到在 1KHz 范围内的正弦波和噪声的叠加信号，滤除高频部分。同时参考信号经过移相器后得到相同频率相同幅值的信号，相敏检波器不仅能鉴别相位还能分频，最后经过低通滤波器后把交直流的信号分离开，得到直流分量。图 3 系统总体框图2.1 加法器 当一个 1KHz 的正弦波信号和噪声信号通过加法器后得到一个混合信号，TL081ACD 是一个简单的运算放大电路，性能高。图 4 加法器电路2.2 纯电阻分压网络利用电阻分压过程，电阻的比例关系式 99:1，在输入是时，输出 D 点 Vi 衰减
13、100，V i=1/100 VC。如图 5 所示。图 5 纯电阻电路 2.3 带通滤波器带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时滤除带外噪声的电路。在本电路图中，保留在 1KHz 频率左右的信号（500Hz 2kHz） 。仿真如图 6 所示。Ui UO图 6 带通滤波电路2.4 移相电路如果一个频率为 的正弦信号通过系统后，它的相位落后 D，则该信号被延迟了 D / 的时间。所以我们利用 LF353P 芯片，对相位进行调整。仿真如图 7 所示。图 7 移相原理图2.5 相敏检波器两个同频信号之间的相位进行检波，经过相敏检波后的波形为整流后的波形，频率变成正弦频率的两倍即 2KHz。如图 8 所
14、示。图 8 相敏检波电路2.6 低通滤波从相敏检波器得到的交流信号经过低通滤波器后将被滤除掉（大于 40Hz的频率被滤除） ，得到平稳的直流电压信号（幅值等于输入正弦波的 VS 的幅度） 。仿真电路如图 9 所示。图 9 低通滤波电路2.7 单片机显示与流程图A/D 转换电路利用 MSP430F2012 单片机内部提供的 ADC10 外部模块完成，它是一个逐次逼近型高性能的 10 位模数转换器，使用外部基准参考电压.开始AD 转换数据处理电压值显示刷新显示图 10 单片机程序框编程感想及软件设计注意事项。程序应采用模块化结构，程序代码简洁，具有较高执行效率。对于变量的使用，尽可能多的使用局部变
15、量，尽可能多的使用字符和整形变量。对于具有数据运算的程序，要注意参与运算数据的次序，否则影响运算结果的数据精度。编写程序需要不断的修改、整理、优化，以使程序具有较少的代码量，较高工作效率。3 硬件选择和计算3.1 加法器低通滤波器的上限截止频率，fL是高通滤波器的下限截止频率，Bw是此次设计滤波器的带宽，fo是滤波器的中心频率。输入信号波形见图11所示。图11 输入正弦波波形经过加法器后示波器显示波形，以及实物图见图12.13所示图12 经过加法器后的波形图13 加法器实物图3.2 纯电阻分压网络纯电阻分压网络的衰减系数不低于 100，我们采用纯电阻分压原理，利用99:1 的比例电阻构成输出电
16、压是原来的百分之一的衰减电路。通过该电路可使衰减达到 40db。如图 13 所示。图 13 纯电阻分压网络3.3 带通滤波器带通滤波器是一个只有在特定频段的频率传递信号衰减这一频段以外的所有信号的同时，其目的是提高增益、放大微弱信号。提取出在 1KHz 范围内的正弦波信号和噪声信号的混合波，得到有效部分。见图 14 波形显示。图 14 带通滤波波形图3.4 移相电路移相电路是输出信号和同频同相的信号。见图 15 波形图所示图 1 5 移相后的波形图实物图如图 16 所示图 16 移相实物图3.5 相敏检波器相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的
17、能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。见图 17 波形图所示图 17 经过相敏检波电路后的波形相敏检波器实物图见图 18 所示图 18 相敏检波器实物图3.6 低通滤波器滤波器的作用是滤除合成的交直流信号，得到近直流分量。如图 19 所示经过低通滤波器后的波形图。图 19 经过低通滤波器后的波形实物图见 20 所示图 20 低通滤波器实物图总体实物图如图21所示图21总体实物图4 系统调试4.1 测量仪器杜邦线、插线、显示屏、正弦波发生器 SFG-1013E、示波器 DS1102E、万用表VC97、直流稳压电 UTP3703采用先分别调试再进行整体调试的方法，以提高调试效率。见表一所示测量数据4
18、.2 测量结果表一测量表正弦波峰峰值 50mv 100mv 500mv 1v 1.5v 2v加法器峰峰值 110mv 140mv 550mv 1v 1.5v 2v衰减峰峰值 1.6mv 1.9mv 5mv 10mv 15mv 20mv带通峰峰值 60mv 90mv 450mv 940mv 1.4v 1.6v乘法峰峰值 50mv 50mv 220mv 230mv 660mv 850mv低通峰峰值 25mv 75mv 270mv 530mv 790mv 1v5 实验总结本设计完成了微弱信号检测装置的设计、制作和调试，最后通过单片机进行显示。对于题目要求的基础和发挥部分完成如下：1、用TL084CN
19、进行加法器的设计，得到噪声混叠的正弦信号 VC =VS+VN，带宽大于1MHz；2、用纯电阻分压方式进行衰减系数为100的衰减；3、当输入正弦波信号 VS 的频率为1 kHz、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，并且误差很小。不足之处：由于时间仓促，仅完成对固定信号的测量，当被测信号 VS的频率范围扩展时，设想应采用单片机产生500Hz 2kHz的参考信号（方波）通过正交相乘电路进行自动相位一致，然后与混叠的正弦信号 VC进行步进检测最后进行相敏检波就可以得到原正弦信号 VC。文献参考：1王卫东;高频电子线路（第二版）.北京：电子工业出版社2余孟尝；模电电子线路基础（第三版）.北京：高等教育出版社3（日）冈村迪夫；OP 放大电路设计。科学出版社4谢楷，赵健；MSP 系列单片机系统工程设计与实践。北京：机械工程出版社5李晓明.段清明.王晓光;锁相放大采集系统J;吉林大学学报(信息科学版);2009 年 04 期6中国科学院物理研究所微弱信号检测小组; 微弱信号的检测(下)J;物理;1978 年 01 期7陈佳圭;如何正确使用锁相放大器.J;物理;1982 年 05 期8：廖磊 张晓青 李东 ;北京信息科技大学学报：自然科学版 2010 年 第 4 期 9：唐海 行鸿彦 季鑫源; 现代电子技术 2009 年 第 13 期
