微弱信号的检测方案设计

1、 微弱信号的检测方案设计1、 原理分析 针对微弱信号的检测的方法有很多，比如滤波法、取样积分器、锁相放大器等。下面就针对这几种方法做一简要说明。方案一：滤波法。在大部分的检测仪器中都要用到滤波方法对模拟信号进行一定的处理，例如隔离直流分量，改善信号波形，防止离散化时的波形混叠，克服噪声的不利影响，提高信噪比等。常用的噪声滤波器有：带通、带阻、高通、低通等。但是滤波方法检测信号不能用于信号频谱与噪声频谱重叠的情况，有其局限性。虽然可以对滤波器的通频带进行调节，但其噪声抑制能力有限，同时其准确性与稳定性将大打折扣。方案二：取样积分器取样积分法是利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取

2、样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便呈现出待测信号的真实波形。由于信号的取样是在多个周期内重复进行的，而噪声在多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的波形。其系统原理图如图2-1所示。取样门脉冲产生与控制积分器放大器Vs(t)+Vn(t)Vr(t)Vo(t)一个取样积分器的核心组件式是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制RC积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形做同步积累，并将累积的结果保持到下一次取样。取样积分器通常有定点式和扫描式两种工作模式。定点式是测量周期信号的某一瞬态平均值，经过m次取样平均后，其幅值信噪比改善为；扫描式取样积

3、分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可用于恢复与记录被测信号的波形，由于其采样过程受到门脉冲宽度的限制，只有在门宽范围内才能被取样。方案三：锁相放大器锁相放大器也称为锁定放大器（Lock-In-Amplifier,LIA）。它主要作为一个极窄的带通滤波器的作用，而非一般的滤波器。它的原理是基于信号与噪声之间相关特性之间的差异。锁相放大器即是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同相位和同频率的被测信号。锁定放大器可在比被测信号强100dB的噪声干扰中检测出有用信号。其原理框图如图2-3。 放大器带通滤波鉴相器低通滤波器移相器本地

4、振荡器Vs(t)+Vn(t)Vo锁相放大器的核心部件是鉴相器，它实现了被测信号与参考信号的互相关运算。它把输入信号与参考信号进行比较，当两个信号相位完全相同时，即相位差为0时经低通滤波后，输出信号的直流分量达到最大，其正比于输入信号中某一特定频率（参考输入频率）的信号幅值。锁相放大器具有很多优点：信号通过调制后交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检波器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声同频又同相的概率很小；利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做得很窄，并且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大提高。但是值得注意的是适合于锁相放大器的检测信号应该是单频的，或者传导

5、频谱所占频带是较窄的。综合考虑，尤其根据是手头现有器件的情况，我们选择了利用锁相放大器作为本次的检测方案，并达到了预期的效果。二、总体方案设计本设计系统框图如图4-1所示。系统通过把正弦信号与噪声源通过加法器混合，通过电阻分压网络使噪声衰减到一定程度，模拟淹没在噪声中的有用信号，再通过前置放大电路对信号进行预放大，再通过带通滤波器选择设计所需的通频带，然后通过以AD630为核心器件的锁相放大器，输出电压经过低通滤波器之后得到一个直流电压输出，最后通过MSP430进行AD采样、数据处理后送液晶显示。在整个电路中放置了AE共5个测试点作为调试用。Vi Vo E D&#

6、160;Vc Vn VsCBA正弦波信号源噪声源加法器分压网络前置放大带通滤波AD630低通滤波MSP430处理液晶显示移相网络 三、模块设计及参数分析整个系统的电路顶层设计：包含了电源模块、信号产生电路、前置放大与带通滤波、锁相放大模块、低通滤波器、单片机处理模块这些部分。其中每个模块的电源引脚部分都加入了去耦电容，PCB对电源线也进行了相应的覆铜处理，降低高频干扰。信号产生电路：本电路模块旨在产生一个能够模拟实际中淹没在噪声中的微弱信号。包含加法器与纯电阻分压网络两部分。在实际电路中采用函数信号发生器产生频率为500Hz 2kHz振幅为的200mV 2V正弦信号Vs。同

7、时使用提供的音频信号作为噪声源Vn。首先通过电压跟随器，再经过加法器实现信号的混合，芯片使用AD827来拓宽其频带到1 MHz带宽，可调节音量使正弦信号完全淹没在噪声中。经过混合后的信号再通过一个纯电阻分压电路把信号衰减大约100倍，得到输入信号Vi。电路中取R5=R7=1k，R6=R8=100。其电路原理图如图5-2所示，并在适当位置预留了测试端口： （protel 仿真）前置放大器：该电路用于对信号进行预放大处理，使其输入到后级锁相放大器的信号有个适当的幅度。其电路如图5-3所示。采用TI公司的OPA2227这款低噪声、高精度的运放（后改用AD707，或AD620）。第一级放大倍数为11倍

8、，第二级放大倍数为10倍，所以总共放大约110倍。同时在输入端接入R10=2M，保证输入阻抗Ri1 MW的要求。其电路连接如下图所示。 （ Protel 仿真）带通滤波电路：为满足设计要求，设计了一个带宽为500Hz 2K Hz的带通滤波器，滤除所需频带外的噪声，降低了噪声对信号的干扰。设计选用了二阶低通滤波器与二阶高通滤波器构成二阶带通滤波网络，由TI的滤波器设计软件FilterPro可以设计得到带通滤波器，其中R16=8.2k，R17=15k，C11=2nF，C12=1nF，R18=10k，R19=24k。运放使用TI的OPA2227，其电路如图5-4所示。移相网络：该移相网络用于对参考信

9、号进行移相，其原理是RC相移，通过跳线选择不同的接口，调整可变电阻来实现不同的相移。通过使用一片OPA2227实现对参考信号进行的相移。其中上方为0900的相移，下方的模块实现901800相移。必须在下方的移相模块中加入饱和电阻，否则频率过低时容易出现输出信号饱和。其电路设计如图5-5所示。锁相放大电路：锁相放大电路采用AD630芯片（实验中可能用CD4046代替）作为核心，其电路如图5-6所示。AD630是一款高精度的平衡调制器，具有出色的精度与温度稳定性，非常低的通道串扰，高的共模抑制比和增益调节，同时还可以在外部加入反馈来实现所需增益与开关反馈布局，它可以从100dB噪声中恢复信号，频带

10、宽度达到2MHz。其信号处理应用包括：平衡调制与解调、同步检波、相位检测、正交检波、相敏检测、锁定放大以及方波乘法等。实际上锁相放大器与调制解调有些类似，只不过频率更低。使用本芯片可以减少鉴相器与噪声方面的许多考虑，大大减小开发难度与开发周期。低通滤波电路：本滤波电路采用TI的LF353运放设计，当锁相放大电路输出的信号经过低通滤波器之后可得到一个直流信号，其幅值与输入信号中某一特定频率（参考输入信号的频率）的信号幅值成正比。四：软件部分本设计以TI提供的MSP-EXP430G2 LaunchPad为核心，用MSP430G2553单片机自带的片上外设AD10对数据进行AD转换，并做相应的处理然

11、后送液晶显示。其软件流程图如下：NY开始初始化时钟、LCD、ADC进入低功耗模式CvtCnt = CvtCnt + 1 定时器A0中断开始中断返回 CvtCnt<=64?ADC采集数据数据处理LCD显示结果    五：设计重点和难点 重点：整个电路的关键模块是相关器，相关器的性能决定了整个电路的性能，相关器中乘法部件的选择要尽量增加动态范围，积分电路的设计要尽量提高积分速度。难点：要提高电路的指标，锁相放大和前置滤波两个模块很重要，也是设计的难点。锁相放大的难点在于要使锁相环尽可能地提高锁相范围，以匹配电路的带宽要求，在低频范围锁相环很容易失锁。前置滤波的难点在于滤波的效果对最后测量的精度有很大的影响，要达到Q值尽可能高的滤波器同时要避免自激的产生。六、主要元件列表 LF353（4个），LM311,OPA277(四片），四位拨码开关，CD4046，CD4066，74LS74，MSP-EXP430G2 LaunchPad（已有f6638）7、 电源设计各种电路共用一个电压源，干扰信号会通过电源回路耦合到电路中，在各个电路的电源端加退耦电容，使干扰信号接地。电路模块中有三级放大器，每一级与电源的连接之间都需要去耦，去耦电路拟设计如下：防自激：1：保证电源供电稳定，无纹波,可以加大滤波电容提高稳定，当然有条件的话