TI杯A题基本方案

1、微弱信号检测装置（A题）【本科组】一、任务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 设计并制作一套微弱信号检测装置，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，统一规定显示峰值。整个系统的示意图如图1所示。正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。图中A、B、C、D和E分别为五个测试端点。图1 微弱信号检测装置示意图二、要求

2、1. 基本要求（1）噪声源输出VN的均方根电压值固定为1V±0.1V；加法器的输出VC =VS+VN，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。（2）微弱信号检测电路的输入阻抗Ri1 MW。（3）当输入正弦波信号VS 的频率为1 kHz、幅度峰峰值在200mV 2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。2. 发挥部分（1）当输入正弦波信号VS 的幅度峰峰值在20mV 2V范围内时， 检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。（2）扩展被测信号VS的频率范围，当信号的频率在500Hz 2kHz范围内，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超

3、过5%。（3）进一步提高检测精度，使检测误差不超过2%。（4）其它（例如，进一步降低VS 的幅度等）。 锁相放大器的原理锁相放大器L队(Lockin Amplifier，简称L队)就是利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪。它是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。在测量中，噪声是一种不希望的扰乱信号，它是限制和影响测量仪器的灵敏度的白噪声和1f噪声的低频噪声。这些噪声是无法用屏蔽等措施消除的。为了减少噪声对有用信号的影响，常用窄带滤波器滤除带外噪声，以提高信号的信噪比。但是，由于一般滤波器的中心频率不稳，而且带宽和中心频率以及滤波器的Q值有关等原因，使它不满足更高的滤除噪声之要求

4、。根据相关原理，通过乘法器和积分器串联，进行相关运算，除去噪声干扰，实现相敏检波，锁相放大器采用互相关接受技术使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级。另外，还可以用斩波技术，把低频以至直流信号变成高频交流信号后进行处理，从而避开了低频噪声的影响。锁相放大器抑制噪声的性能如下：国内外生产的锁相放大器的等效噪声带宽厶在103Hz数量级，少数的可以达到4×104Hz，信号带宽255×106Hz，可见，仪器具有非常窄的信号和噪声带宽，通常带通滤波器由于Q值的定义，常规滤波器很难达到一些性能。而锁相放大器被测信号和参考信号是同步的，它不存在频率稳定性问题，所以可以把它看成为一个“跟踪

5、滤波器"。它的等效Q值由低通滤波器的积分时间常数决定，所以对元件和环境的稳定性要求不高。研究表明，锁相放大器使信噪比提高一万多倍即信噪比提高了80dB以上。这足以表明，采用相关技术设计的锁相放大器具有很强的抑制噪声能力。目前锁相放大器有如下特点：极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益可达101l(即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，满刻度灵敏度达pV、nV甚至于pV量级。由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声性能。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。

6、因此，这实际上不符合常规放大器的功能。在国外常把这类仪器称为锁相放大器。可理解为把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。因此，将锁相放大器称为“锁定检测仪"或“同步检测仪"或许更为确切。但目前国内都称为“锁相放大器"或“锁定放大器"。锁相放大器通常分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器，而两种类型的L队各有优缺点。常用的模拟锁相放大器虽然速度快，但是参数稳定性和灵活性差，且在与微处理器通讯的时候需要转换电路；传统数字锁相放大器一般使用高速ADC对信号进行高速采样，然后使用比较复杂的算法进行锁相运算，这对微处理器的速度要求很高。 为了大幅度提高检测下限

7、和测量灵敏度，不仅要减少测量系统的噪声，而且要能从噪声中提取信号，故采用的新思路，进行相干检测。其基本思想是： 1)首先使测量系统的主要部分，避开噪声功率密度大的地方，从而使输入噪声较小。已知在低频区，闪烁噪声可以比自噪声高出数倍、数十倍、甚至数百倍。因此，要设法使信号不失真的从低频区移出(1F角以外)。2)对不同的频率信号，应该设法将其移频至固定中心频率，这样就可以使用固定中心频率，固定频带的BPF。3)从信号与噪声的特征对比可以看出，信号与多数噪声有频率和相位两个方面的不同。BPF只是利用频率特征的识别。因此，如果再利用相位特征的识别，将可把同频率、不同相位的噪声大量排除。在光学中，对频率

8、和相位都进行区分的方法称为相干法，故这种检测方法叫相干检测，在电子学中，这种检测方法称为锁定相位。把上述三种设想加以实施，而完成频域信号相干检测的系统，称为锁相放大器(LockillAmplifier，简写LIA)。其框图见图2-1所示。各部件的功能是：信号通道把输入信号选频放大(初步滤除噪声)后，输入给相关器：参考通道在触发信号的同步下，输出相位可调节的、与输入信号同频率的参考波形；相关器对两路信号进行运算，然后对结果处理并输出.图2-1 锁相放大器原理框图1、加法器：利用加法器是输入有用信号和噪声信号相加。纯电阻分压网络：采用T型纯电阻分压网络：3.1微弱信号检测电路模块设计 4.1 总体

9、设计输入微弱信号经过开关控制运放OPA2335和OPA132的级联实现选择性放大，经过低通滤波器后滤除部分噪声，与参考信号一同进入相敏检波器进行互相关运算，输出信号经过低通滤波器后将交流信号滤掉，只剩下直流信号经过放大后送入AD采样，单片机处理后输出到显示器；参考信号由单片机控制DDS产生，经过移相电路后进入相敏检波器。低通滤波器放大器输入信号相敏检波器低通滤波器参考信号移相器放大器图4-1 锁相发达器的流程图4.2 硬件设计4.2.1 前置放大器的设计：方案：使用常用运放OPA2335，OPA132的组合通过开关控制实现放大倍数为10，1000,100000的变化，对输入信号范围1uV100

10、mV分别进行不同选择的放大。电路设计和使用都比较简单。两者比较起来，由于后者电路设计和使用都比较简单，所以本设计中采用开关控制对不同信号选择性放大。图4-2-1 前置放大器的设计图 低通滤波器：中心频率为1000HZ,通过频率5002kHz的多路反馈式低通滤波器参考信号产生的方法：参考信号（Reference Signal,RS）,就是常说的“导频”信号，是由发射端提供给接收端用于信道估计或信道探测的一种已知信号。 要用msp430产生正弦波。 4 .2.2 移相电路的设计：方案：模拟移相：模拟移相电路采用阻容式移相电路。优点是电路简单可靠，缺点是相角可调范围只有180°，但是可以通

11、过级联的方式使相移范围达到360°。其中：R3=R4=R5=R6=10k， C2=C31uF，滑动变阻器的最大阻值为10k，运放采用的是一片OPA2335。利用调相电路对msp430产生的参考信号进行调相，使得输入信号的相位和参考信号的相位相同，以便进行锁相。4.2.3 相敏检波器的设计：方案：开关式乘法器：开关式乘法器具有价格低廉，基本无需调试等优点，是一种较为实用的相敏检波器。 具有价格低廉，基本无需调试等优点，所以本设计中采用开关式乘法器。图4-2-3 相敏检波器的设计图如图4-2-3，经过移相处理后的波形通过比较器后将由原来的正弦波变成方波，产生的方波和输入信号一同经过乘法器将会得到正弦波