2010年长春理工大学电子设计竞赛校赛——低频小信号检测存储及远端信号重放系统.doc

题目名称：低频小信号检测存储及远端信号回放系统（第三题） 带队老师：李洋 队员：张永立 李景恒 潘卫标目录 1、摘要 2、任务要求 3、系统设计 4、硬件设计 4.1放大电路的设计 4.2低通滤波电路及带阻滤波器的设计 4.3工频50Hz的带阻滤波器设计 4.4单片机A/D采样和D/A输出 4.5调制和解调电路 4.6电源设计 5、软件设计 5.1 程序流程图. 5.2 程序 6、参赛感想1、摘要：本系统采用一片运放芯片AD603与一片运放芯片AD811相级联组成一个小信号放大电路，级联可实现1000倍以上的放大，放大后的信号通过80HZ低通滤波器和工频50Hz的陷波电路，其中低通滤波器采用的是巴特沃斯低通滤波器，50HZ的带阻滤波器采用切比雪夫带阻滤波器，两个滤波器均用OP07运放芯片设计。然后单片机通过A/D采集滤波后的信号，其中单片机的有信息采集，信息回放，即采即显3种工作模式。D/A输出信号通过锁相环芯片调制和解调实现远端信号回放。显示波形可以通过单片机控制液晶屏显示。2、设计要求：（1）设计一个放大器，将信号频率0.05HZ35HZ，幅值为01mv的正弦波信号放大。（2）将放大后的模拟信号放在存储器中，采样频率为400HZ，存储时间为5秒。（3）存储的信号输出后，由信息传输模块以声音信号形式输出信号。（4）信息接收部分解调信号将信号还原成幅度变化范围为12V信号。 发挥部分：（1）在放大器后加一低通滤波器，截止频率为80HZ，在阻带区衰斜率为 40DB/十倍频程。（2）在放大器后增加50HZ带阻滤波器电路，以滤除市电的干扰，不能影响原放大的带宽。（3）制作显示输入信号波形装置。3、系统设计：电路设计主要是由五部分构成: 1、放大电路。其中前置放大器是硬件电路的关键所在，设计的好坏直接影响信号的质量； 2、80HZ低通滤波电路和工频50Hz的陷波电路。低通滤波器采用的是巴特沃斯低通滤波器，50HZ的带阻滤波器本设计采用了双T带阻滤波电路，采用切比雪夫带阻滤波器，其过度带比较窄，用它能有效选择而对电源工频产生的50Hz的噪声进行滤除； 3、用单片机对通过滤波器后的信号进行AD转换和D/A输出 4调制和解调电路。 5电源模块设计。4、硬件设计4.1放大电路的设计： 图1 AD603和AD811来设计的两级放大电路 在自动化程度要求较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11+30dB时的带宽为90Mhz，增益在+9+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。 AD603的特点、内部结构和工作原理： （1）AD603的特点 AD603是美国AD公司继AD600后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控VGA芯片。 （2）ad603引脚排列如图2所示图2 AD603引脚图 （3）AD603内部结构及原理 AD603内部结构图如图3所示。AD603由一个可通过外部反馈电路设置固定增益GF（31.0751.07）的放大器、0-42.14dB的宽带压控精密无源衰减器和40dB/V的线性增益控制电路构成。图3 AD603内部结构图4.2低通滤波电路及带阻滤波器的设计4.21 80HZ低通滤波器的设计由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定的频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的（如图4虚线）。只能用实际的滤波器的幅频特性去逼近理想的特性。常用的方法是巴特沃斯（Butterworth）逼近和切比雪夫（Chebysher）逼近，为保证信号原形，采用较平坦的巴特沃思有源滤波。如图所示，滤波器的阶数N越高，幅频特性衰减的速度越快，就越接近于理想幅频特性。图4 巴特沃斯幅频特性图5 实用二阶低通巴特沃思滤波器参数选择：如图5中各元件的标注，R1=R2,C1=2C7,其截止频率为=80Hz。时间常数电路为一阶无源高通，主要抑制极化电压。 图6 时间常数电路参数选择：如图6，截止频率为=0.044HZ。4.22 工频50Hz的带阻滤波器设计电路带阻滤波器电路是用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过。K=R4/R3+R4=0.9引入负反馈改善选频作用。实际实验时发现，R4取1.7K，R3取75OK效果更好一些。图7 50HZ双T陷波电路 参数选择：实验中选用陷波效果很好的经验参数。即R1、R2取30 K，R3通过电位器调至2 K左右，R4在148 K左右，R5取15 K。C1、C2取0.1uF，C3取0.2uF。4.3单片机A/D采样和D/A输出 单片机控制系统电路图如下所示：图8 DA和按键图9 AVR单片机最小系统通过按键可对系统选择不同的工作方式：按键1：信号采集键，对输入信号采集5秒。按键2：信号回放键，对5秒内的信息回放。按键3；信号即采即回放键，单片机不断对信号进行A/D转换和D/A转换。按键4：退出键 单片机不断地刷新液晶屏，对输入信号不断地显示。4.4调制和解调电路 由CD4046锁相环芯片构成频率调制与解调电路：图 10 FM调制解调电路原理图 当从9脚输入正弦信号时，从4端可输出受输入正弦信号调制的调频信号。电路上图所示，由于调频时要求vco有一定的频率范围(频偏)，所以不用r2收缩频带，即r2为无穷大(12脚空置)仅用r1和c1确定vco的中心频率f0即可。设计参数时，只需由f0查下图(电源电压vdd为9v时的曲线，横坐标为c1取值)求出c1与r1即可。图11 CD4046在不同外部元件参数下的特性曲线当从14脚输入一被正弦信号调制的(中心频率与cd4046的vco的中心频率相同)调频信号，则相位比较器输出端将输出一个与音频信号具有相同变化频率的包络信号，经低通滤波器滤去载波后，即剩下调频信号解调后的正弦信号了。一般使用pci，这时仅由r1和c1确定vco的中心频率f0，而不用r2来收缩频率范围(其为无穷大)。同样，由图11查图求r1与c1。无调频信号输入时，vco工作在f0上。解调电路如图10(b)所示。4.5电源设计本设计为交流供电，具体电源设计如下图。图12 电源模块5、软件设计5.1 程序流程图5.2 程序（略）6、参赛感想调试4046锁相环芯片用的时间最长！主要是开始对这芯片没有完全了解前，只知道大概工作原理的时候我们就开始焊电路，尝试电路是否能正常工作。信号的调制电路完成得比较顺利，但解调电路却一直不能实现其功能，连续几十个小时还没有得到正确的调试结果的时候，我们在老师的建议下去图书馆专门借了本锁相环PLL的书，从书中我们分析到为什么我们一直调试不出来，原来4046芯片压控振荡器VOC模块的线性度不好，是由于电压源转换成电流源得不到线性的转换！然后我们又尝试使用外部电路补偿其线性度，但最终还是没有成功，原因还是模电基础知识不够扎实。虽然发现了原因，