1、 編號 題目 微弱信號檢測裝置 二級學院 電子信息與自動化學院 專 業(yè) 電子信息工程 班 級 111079910 學生姓名 孫林 學號 11107991020 指導教師 楊奕 職稱 副教授 時 間 2015年5月25日 微弱信號檢測裝置（A題）摘要本系統(tǒng)是基于鎖相放大器的微弱信號檢測裝置，用來檢測在強噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號的幅度值。該系統(tǒng)由加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡、微弱信號檢測電路和顯示電路組成。其中加法器和純電阻分壓網(wǎng)絡生成微小信號，微弱信號檢測電路和顯示電路完成微小信號的檢測和顯示在液晶屏上。本系統(tǒng)是以相敏檢波器為核心，將參考信號經(jīng)過移相器后，接著通過比較器產(chǎn)生方波去驅(qū)動開關(guān)乘法

2、器CD4053，最后通過低通濾波器輸出直流信號檢測出微弱信號，將該直流信號送入單片機處理后，液晶顯示出來。經(jīng)最終的測試，本系統(tǒng)能較好地完成微小信號的檢測。 關(guān)鍵詞：微弱信號 強噪聲 相敏檢測 1系統(tǒng)方案1.1方案論證與比較1.1.1 微信號檢測電路方案一：采用濾波電路檢測微小信號，通過濾波電路將微小信號從強噪聲中檢測出來，但濾波電路中心頻率是固定的，而信號的頻率是可變的，無法達到要求，所以該方案不可行。方案二：采用取樣積分電路檢測小信號，利用取樣技術(shù)，在重復信號出現(xiàn)的期間取樣，并重復N次，則測量結(jié)果的信噪比可改善倍，但這種方法取樣效率低，不利于重復頻率的信號恢復。方案三：采用鎖相放大器檢測小信

3、號，鎖相放大器由信號通道、參考通道、和相敏檢波器等組成，其中相敏檢波器（PSD）是鎖相放大器的核心，PSD把從信號通道輸出的被測交流信號進行相敏檢波轉(zhuǎn)換成直流，只有當同頻同相時，輸出電流最大，具有很好的檢波特性。由于該測試信號的頻率是指定的且噪聲強、信號弱，正好適合于鎖相放大器的工作情況，故選擇方案三。1.1.2移相網(wǎng)絡設計因為檢測電路選擇了鎖相放大器，而移相網(wǎng)絡是鎖相放大器中的一部分，在此進行分析。方案一：采用全通濾波器模擬移相電路，一階全通濾波器的移相范圍接近180度，所以通過設計兩級濾波則可使移相范圍達到360度。方案二：采用數(shù)字移相方法，數(shù)字移相可以在4個象限內(nèi)進行089°的

4、調(diào)節(jié)，合起來即實現(xiàn)了0360°的移相，由集成芯片控制頻率和相位預值，如用CD4046鎖相環(huán)組成。方案一與方案二相比，電路簡單可靠，且方案二增加了電路的復雜度，成本也很高。故選擇方案一。1.2總體方案論述綜上所述，本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由加法器、衰減器、前置放大電路、帶通濾波器、同相電路、反相電路、移相器、開關(guān)電路和低通濾波器構(gòu)成；其中由同相放大電路構(gòu)成的加法器將噪聲信號加到待測信號中，使得信號湮滅在噪聲中，然后經(jīng)過衰減器衰減100倍以上，送到由放大電路、帶通濾波、同相、反相、移相、比較和低通濾波器構(gòu)成微信號檢測電路中。本系統(tǒng)以相敏檢波器為核心，將參考信號經(jīng)過移相電路和比較器輸

5、出方波驅(qū)動開關(guān)管乘法器，輸出直流信號然后通過單片機A/D轉(zhuǎn)換，最后在液晶上顯示出來。圖1 系統(tǒng)總體框圖2 理論分析與計算2.1 鎖相放大器原理鎖相放大器由信號通道、參考通道、相敏檢波器以及輸出電路組成，是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻、同相的噪聲分量有響應。所以它能大幅度抑制噪聲信號，提取出有用信號。一般鎖相放大器具有極高的放大倍數(shù)，若有輔助前置放大器，增益可達220dB，能檢測極微弱信號交流輸入、直流輸出，其直流輸出電壓正比于輸入信號幅度及被測信號與參考信號相位差。由此可見，鎖相放大器具有極

6、強的抗噪聲能力。它和一般的帶通放大器不同，輸出信號并不是輸入信號的放大，而是把交流信號放大并變成相應的直流信號。2.2 相敏檢波器分析 相敏檢波器分為模擬乘法器和開關(guān)式乘法器，本設計采用開關(guān)式乘法器。相敏檢波器（PSD）的本質(zhì)其實就是對兩個信號之間的相位進行檢波，當兩個信號同頻同相時，這時相敏檢波器相當于全波整流，檢波的輸出最大。其中圖2為相敏檢波器的基本框圖。圖2 PSD基本框圖工作過程如下：設輸入信號為。參考輸入時幅度為的方波，其周期為，角頻率為，根據(jù)傅里葉分析的方法，這種周期性函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)可得的傅里葉級數(shù)表示式為上式右邊第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過LPF的濾波作用，的

7、差頻項及所有的和頻項均被濾除，只剩的差頻項為當方波幅度時，可以利用電子開關(guān)實現(xiàn)方波信號的相乘過程，即當為時，電子開關(guān)的輸出連接到；當為時，電子開關(guān)的輸出連接到，這時LPF的輸出為當經(jīng)過開關(guān)乘法器，角度之差為0時，輸出信號最大。 2.3 移相網(wǎng)絡因為輸出信號與信號的相位差有關(guān)，所以必須加入移相網(wǎng)絡。移相是指兩種同頻的信號，以其中一路為參考，另一路相對于該參考做超前或滯后的移動，即稱為相位的移動。由方案論證得，本設計采用模擬移相電路。模擬移相電路其實就是一個全通濾波電路，它的放大倍數(shù)Au=（-1+jwRC）/(1+jwRC)，寫成模和相角的形式為：|Au|=1,=180°-2arctan

8、（f/f0），其中f0=1/（2RC）。每個濾波器相移范圍均接近180°，所以本設計采用2個一階全通濾波器串聯(lián)，使得整個移相電路能做到接近360°的相移范圍。3 電路與程序設計3.1 電路設計3.1.1加法器加法器采用差分放大器INA2134，無需外接電阻，即可做到,電路簡單可靠，電路圖為附圖1。3.1.2純電阻分壓網(wǎng)絡 分壓采用直接電阻分壓即可獲得100倍以上的分壓，為了獲得較好的分壓結(jié)果，R1、R2均采用精密電阻，電路圖為附圖2。3.1.3前級放大電路模塊為了使微弱檢測電路的輸入阻抗1MHz，所以它的第一級為同相放大電路，則它的輸入阻抗至少大于1MHz，采用兩片INA1

9、28作為運放放大100倍，INA128的放大倍數(shù)，所以第一級放大6倍，第二級放大16倍，選擇電阻RG分別為10K，3.3K；INA128外圍電路簡單，輸入阻抗高，并且有效抑制共模干擾，電路圖為圖3。圖3前置放大器3.1.4帶通濾波器 將低通濾波器與高通濾波器串聯(lián)，就可以得到帶通濾波器，因為輸入信號的頻率范圍為500Hz2K，所以帶通濾波器的通帶必須包含這個頻率范圍，帶入?yún)?shù)可得帶通濾波器電路為附圖3。3.1.5相敏檢波器帶通濾波器的輸出同時經(jīng)過同相和反相跟隨器后，輸入到開關(guān)乘法器CD4053；然后另一路將參考電源先經(jīng)過移相網(wǎng)絡，接著濾掉直流，然后經(jīng)過用LM311構(gòu)成的單限過零比較器，得到方波去

10、驅(qū)動CD4053，具體電路為圖4。圖4 相敏檢測電路3.1.6低通濾波器CD4053的輸出最后經(jīng)過由OPA4277構(gòu)成的可調(diào)低通濾波器，該濾波器的R=1MHz，C=1u，算出截止頻率為1Hz，能夠達到濾波的效果，具體電路為圖5。圖5低通濾波器3.2 程序設計本設計使用TI指定單片機模塊Launchpad來完成，該單片機主要是將最后的可調(diào)低通濾波器的輸出進行A/D采樣。3.2.1 測量結(jié)果標定為了提高測量精度，除了采用多次A/D取平均以外，還使用加權(quán)平均和曲線擬合；對于每次測量值乘以加權(quán)系數(shù)0.8加上前次采樣值乘以權(quán)值0.2作為本次測量的結(jié)果，利用多次測量的結(jié)果按方程進行曲線擬合得到標定系數(shù)a和

11、b。最終根據(jù)得到的標定系數(shù)結(jié)合加權(quán)平均的結(jié)果計算出最終的測量值，送到液晶顯示，流程圖為附圖4所示。4 測試方案與測試結(jié)果4.1測試儀器任意波形發(fā)生器 模擬示波器 萬用表 直流電源4.2 測試方案4.2.1基本部分測試（1）經(jīng)測試得：B點噪聲源輸出的有效值輸出為1.01V。 C點加法器的波形：無明顯失真;帶寬：3MHz。 D點衰減系數(shù)為：101。 D點的電路輸入阻抗為：2.9M。（2）保持正弦信號的頻率為1KHz,幅度值（VPP）改變，檢測并顯示正弦信號的幅度值，測量結(jié)果如下表。輸入信號幅度（VPP）0.20.40.60.81.01.21.31.71.92.0顯示（VP）0.0980.1930.

12、3060.4020.4980.5920.6400.8400.9331.041誤差2%3.5%2%0.5%0.4%1.33%1.5%1.17%1.8%0.4%4.2.2發(fā)揮部分測試（1）改變輸入信號幅度范圍（20mVPP-2VPP），輸入頻率為1KHz，觀察顯示數(shù)，測量結(jié)果如下表。輸入信號幅度（mVPP）20304050607080100120140顯示（mVP）11162128373841495770誤差10%6.7%5%12%23.3%8.5%2.5%2%5%0%輸入信號幅度（mVPP）160180190200顯示（mVP）80879199誤差0%3.33%4.8%1%（2）改變被測信號的頻

13、率，檢測正弦波的幅度值，測試結(jié)果如下表。輸入信號幅度(VPP)輸入信號頻率（KHz）顯示值（VP）誤差0.020.80.00820%1.00.08515%1.40.00820%1.80.00910%2.00.00821%10.50.48825%0.80.48432%1.20.48824%1.50.48432%2.00.48727%20.50.98515%0.80.97129%1.20.98812%1.50.9772.3%2.00.9891.1%4.3測試結(jié)果及分析 由上述測試數(shù)據(jù)可得，本系統(tǒng)能較好地完成基本部分和大部分發(fā)揮部分，當正弦信號頻率為1K時，輸入信號幅度在200mvpp-2VPP能很好地顯示出來，誤差在5%范圍內(nèi)，在20mvpp-200m