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微弱信号检测装置(A题)


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

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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 N 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。

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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 x(t ) ? Vs cos(?0t ? ? ) 。参考输入 r (t ) 时幅度为 ?Vr 的方波, 其周期为 T ,角频率为 ?0 ? 2? / T ,根据傅里叶分析的方法,这种周期性函数可以展开
3

为傅里叶级数
r (t ) ? a0 ? ? am cos m?0t ? ? bm sin ?0t
m ?1 m ?1 ? ?

可得 r (t ) 的傅里叶级数表示式为

r (t ) ?
2VsVr
?

4Vr

(?1)n?1 cos[(2n ? 1)?0t ] ? ? n?1 2n ? 1
?

u p (t ) ? x(t )gr (t ) ?

?

2V V (?1)n?1 cos[(2n ? 2)?0t ? ? ] ? s r ? ? n ?1 2n ? 1

(?1)n?1 cos(2n?0t ? ? ) ? n ?1 2n ? 1
?

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, n ? 1 的差频项及 所有的和频项均被滤除,只剩 n ? 1 的差频项为 2V V u p (t ) ? s r cos ? ? 当方波幅度 Vr ? 1 时,可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程,即当 r (t ) 为 ?1时, 电子开关的输出连接到 x(t ) ;当 r (t ) 为 ?1时,电子开关的输出连接到 ? x (t ) ,这时 LPF 的输出为
cos ? ? 当经过开关乘法器,角度之差为 0 时,输出信号最大。 uo (t ) ? 2Vs

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/(2π RC) 。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 V0 ? VS ? VN ,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。
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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 50 K 数 GB ? 1 ? ,所以第一级放大 6 倍,第二级放大 16 倍,选择电阻 RG 分别为 10K RG Ω ,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 VOUT 1 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 VREF 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
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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 VOUT 2 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 y ? ax ? b 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 万用表 模拟示波器 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 VN 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) 显示(VP) 0.2 0.098 0.4 0.193 0.6 0.306 0.8 0.402 1.0 0.498 1.2 0.592 1.3 0.640 1.7 0.84 1.9 0.933
6

2.0 1.041

0 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) 显示(mVP) 误差 输入信号幅度 (mVPP) 显示(mVP) 误差 20 11 10% 160 80 0% 30 16 6.7% 180 87 3.33% 40 21 5% 190 91 4.8% 50 28 12% 200 99 1% 60 37 23.3% 70 38 8.5% 80 41 2.5% 100 49 2% 120 57 5% 140 70 0%

(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) 0.8 1.0 0.02 1.4 1.8 2.0 0.5 0.8 1 1.2 1.5 2.0 0.5 0.8 2 1.2 1.5 2.0 显示值(VP) 0.008 0.085 0.008 0.009 0.008 0.488 0.484 0.488 0.484 0.487 0.985 0.971 0.988 0.977 0.989 误差 20% 15% 20% 10% 21% 2.5% 3.2% 2.4% 3.2% 2.7% 1.5% 2.9% 1.2% 2.3% 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。
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附录

附图 1 加法器

附图 2 分压网络

附图 3 带通滤波器

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附图 4 软件流程图

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