微弱信號檢測 TI杯 三等獎 論文

1、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽 2012年TI杯模擬電子系統(tǒng)專題邀請賽 微弱信號檢測系統(tǒng)中文摘要：本系統(tǒng)微弱信號的檢測以相敏檢波器為核心，完美的實(shí)現(xiàn)了從混雜信號中提取待檢的信號，并且具有兩個突出特點(diǎn)：一是輸出無直流分量，不用補(bǔ)償，不用電平轉(zhuǎn)換：二是全波相檢，輸出靈敏度高，抑制噪聲能力強(qiáng)。當(dāng)噪聲頻率不同于被測信號頻率時，全波相檢輸出的噪聲平均值基本為零。 信號的輸出幅度顯示以TI公司的MSP430launch pad 為核心，采用TI 的超小型,低功耗，16位精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器ads1115來采集輸出端的信號幅度值，該芯片的高編程速率使得采集的數(shù)據(jù)以較小誤差送給12864液晶顯示器，高分辨率帶中文字庫的液晶

2、顯示器最終顯示出結(jié)果，并且用了TI的ads1115，OPA2134，OPA2227，NE5532，MSP430launch pad,實(shí)測信號均達(dá)到基本要求，有些部分達(dá)到發(fā)揮要求。 【關(guān)鍵詞】：鎖定放大，帶通濾波，相敏檢測，參考信號，有源積分1 系統(tǒng)設(shè)計方案論證：根據(jù)周期性微弱信號檢測的方法可以選擇如下方案：1.1 采用同步積分器方案設(shè)計同步積分系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示： 圖2同步積分器系統(tǒng)框圖 圖3旋轉(zhuǎn)電容濾波器原理圖如圖2所示同步積累方法的要點(diǎn)在于將信號多次重復(fù)。將周期信號的每個周期進(jìn)行n等分分配，并分別對每個分配單元進(jìn)行多次重復(fù)積累。由于信號是周期性的重復(fù)，而噪聲是隨機(jī)的，不具有重復(fù)特性，每

3、個周期的信號受到噪聲的干擾不同，只要把這些受到不同干擾的信號多次重復(fù)，互相對照，就可以還原出信號的原形。信號重復(fù)次數(shù)越多，恢復(fù)的信號越接近于原信號，或者說系統(tǒng)抑制噪聲的能力越強(qiáng)。噪聲是隨機(jī)的重復(fù)次數(shù)越多，時間越長，其累積結(jié)果越接近于零。由此可見，這種方法實(shí)際上就是接收設(shè)備中把重復(fù)的周期信號按某種方式累積起來。以延長測量時間為代價，用許多個信號周期恢復(fù)信號的原形。1.2 采用旋轉(zhuǎn)電容濾波器方案設(shè)計旋轉(zhuǎn)電容濾波器設(shè)計系統(tǒng)方案如圖3所示：旋轉(zhuǎn)電容濾波器是一種抗噪聲能力很強(qiáng)的部件。它由一個同步開關(guān)及一個RC積分電路組成，用以實(shí)際被測信號與開關(guān)函數(shù)相乘和積分的功能。因此，它也屬于一種相關(guān)檢測的部件。1.

4、3鎖定放大器方案設(shè)計鎖定放大器方案框圖如圖4所示：圖4 鎖定放大器方案框圖圖4的鎖定放大器，是利用互相關(guān)檢測的原理設(shè)計的一種同步相關(guān)檢測儀。它是一種對檢測信號和參考信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備。在檢測過程中噪聲是一種不希望的擾亂信號，它是限制和影響測量儀器的靈敏度、精確性和重復(fù)性的重要因素。為了消除噪聲的影響，可以用調(diào)制技術(shù)或斬波技術(shù)，把低頻以至直流信號變成高頻交流信號后進(jìn)行處理，從而避開了低頻段的低頻噪聲的影響。1.4方案比較方案一，同步積分器方案設(shè)計，能夠很好的完成設(shè)計要求，并且還能很好的恢復(fù)被測信號的波形，但方案1需要比較龐大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時還要借助于比較強(qiáng)大的計算功能的CPU或者計算

5、機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這在成本和工作量上（3天）很難達(dá)到預(yù)期目的，同時設(shè)計要求也沒有具體到將信號原樣恢復(fù)出來，因此此種設(shè)計方案不可取。方案二，旋轉(zhuǎn)電容濾波器從理論上來講可以完成題設(shè)要求，但在微弱信號檢測方法中一般同步積分器不單獨(dú)作為檢測系統(tǒng)使用，它一般作為一個部件與鎖定放大，多點(diǎn)信號平均，相關(guān)檢測等聯(lián)合一起使用能夠很好的達(dá)到微弱信號檢測的目的。因此此種方案不可取。方案三，鎖定放大器屬于一種相關(guān)檢測，是通過信號的相關(guān)性得到對信號的檢測結(jié)果。它是一種專門的微弱信號檢測裝置，它可以單獨(dú)使用，也可以和旋轉(zhuǎn)電容濾波器、同步積分器等聯(lián)合使用。同時鎖定放大器還具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力，可以說在鎖定放大器中對信號的產(chǎn)

6、生，處理和檢測賦予了更豐富的內(nèi)涵。器主要特點(diǎn)在于：1） 極高的放大倍數(shù)，若有輔助前置放大器，總增益可達(dá) (即280dB)能檢測極微弱信號；2） 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的余弦；滿刻度靈敏度達(dá)到，甚至于數(shù)量級；3） 非相干信號輸入過載電壓可達(dá)60dB以上，即噪聲大于信號數(shù)千倍以上時仍能正常檢測。 由此可知，鎖定放大器具有極強(qiáng)的抗噪聲性能。它和一般的帶通放大器不同，輸出信號并不是輸入信號的簡單濾波放大，而是把交流信號放大并變換成相應(yīng)直流信號。因此，這實(shí)際上不符合常規(guī)放大器的功能。因此本設(shè)計采用鎖定放大器設(shè)計能夠達(dá)到很好的設(shè)計效果。1.4 系統(tǒng)方

7、案設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖5所示，鎖定放大器測量原理框圖。圖5 鎖定放大器測量原理框圖方案描述:本系統(tǒng)首先將噪聲和待測信號經(jīng)過比較器疊加，混有噪聲的信號經(jīng)過純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)交流衰減，使得信號幅度衰減至少為原來的1/100,形成輸入信號。輸入信號經(jīng)過前置交流放大，放大到信號能夠很好的推動預(yù)濾波電路，經(jīng)過中心頻率為1KHz的預(yù)濾波后的信號再次進(jìn)行放大到達(dá)相敏檢測器（PSD）。參考通道信號取自給定的正弦信號作為參考信號的輸入，通過過比較器得到出發(fā)方波信號，方波信號經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行移相后進(jìn)入方波驅(qū)動電路，方波驅(qū)動電路的輸出形成了參考信號R(t)。信號通道的輸出信號與參考信號的輸出信號在相敏檢測器中進(jìn)行相敏檢

8、測，再通過低通濾波，經(jīng)過直流放大器放大后輸出。就可以得到濾除了噪聲之后的輸入信號的值： (1)式1中，為系統(tǒng)的交流增益；，為系統(tǒng)的直流增益；A為輸入信號的幅值；j為輸入信號與參考信號的相位差。 然后通過數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理可以得到滿意的輸出測量結(jié)果。2、理論分析與計算2.1 系統(tǒng)設(shè)計理論依據(jù)與分析、計算被測信號放大后為VA和參考信號VB在乘法器中相乘，兩者之積V1為乘法器的輸出信號。同時也是低通濾波器的輸入信號。低通濾波器是采用運(yùn)算放大器的有源濾波器。VO為低通濾波器的輸出信號。開關(guān)式乘法器可以等效成被測輸入信號與單位幅度的方波相乘的乘法器。若參考信號為對稱方波，VB就能用單位幅度的對稱方波函數(shù)

9、表示（或稱單位幅度開關(guān)函數(shù)記為xk）。因此有： （2）式中為參考信號的角頻率。設(shè)輸入被測信號為信號角頻率，為相位差，為正弦波的振幅。乘法器的輸出為V1可以表示為： 對于低通濾波器，輸入電壓V1，輸出電壓V0滿足大家熟知的微分方程： （3）式（3）為一次微分方程。通解為： （4）C為起始條件，令C=0，把V1三角函數(shù)積化和差后代入可以求得： （5）式中 （6） （7）下面從（5）式出發(fā)，討論鎖定放大器的性能及物理意義。1)鎖定放大器的傳輸特性分析由（5）式對不同頻率進(jìn)行討論,了解鎖定放大器的性能與物理意義。（a）當(dāng)輸入信號頻率等于參考信號頻率。輸出電壓記為，（5）式可寫成： （8）式中分別表示輸

10、入信號頻率為參考信號的基波頻率時的振幅、相位、輸出電壓及對應(yīng)的相位。當(dāng)時，略去（8）式中的小項(xiàng)得： （9）由（9）式可得：（1）時間常數(shù)為低通濾波器的時間常數(shù)，由電容CO和電阻RO決定。（2）當(dāng)時，得到穩(wěn)態(tài)解： （10）輸出為直流電壓，大小正比于輸入信號的振幅，并和信號與參考信號之間的相位差的余弦成正比。為低通濾波器的直流放大倍數(shù)，負(fù)號表示由反相輸入端輸入。（3）時，輸出電壓最大。 時， 時，（與時反相） 時，由此可以決定放大器輸入信號的幅值及相對于參考信號的相位關(guān)系。這些公式是后面鎖定放大器用來進(jìn)行微弱信號測量的基本公式。（b）當(dāng)輸入信號為參考信號的偶次諧波時當(dāng)，并且時間常數(shù)取足夠大，使。由

11、（5）式得： （11）上式表明，當(dāng)參考信號是占空比為1：1的對稱方波時，鎖定放大器能抑制參考信號頻率的偶次諧波。（c）當(dāng)輸入信號為參考信號頻率的奇次諧波時。當(dāng)，同樣，當(dāng)Te較大時，使，略去小項(xiàng)，（5）式得： （12）式（3-119）中分別是輸入信號頻率為參考信號頻率的奇數(shù)倍時的信號振幅、相位和輸出電壓。由式（12）得到： （1）時間常數(shù)Te=R0C0（2）當(dāng)t>>Te時，有： （13）（3）信號頻率為參考信號頻率的奇次諧波時，鎖定放大器的輸出直流電壓幅值為基波頻率處的，如圖6所示，鎖定放大器奇次諧波處直流電壓輸出幅值的頻率響應(yīng)圖。圖6鎖定放大器奇次諧波處直流電壓輸出幅值的頻率響應(yīng)圖

12、（d）當(dāng)輸入頻率偏離奇次諧波一個小量。當(dāng) n = 0,1,2,且，由（3-5-4）式得： （14）式中分別為輸入信號頻率在附近信號幅值、相位、輸出相位和輸出電壓。式（14）表明，這時鎖定放大器的輸出電壓不再是直流電壓，而是以為角頻率的交流電壓，當(dāng)=0時，式（14）即為（13）式。這兩式相比可知，當(dāng)輸入信號頻率偏離奇次諧波一個小量，鎖定放大器的輸出電壓的幅值為同一奇次諧波頻率響應(yīng)電壓的，越大，輸出電壓幅值越小。這一因子是每倍頻程6分貝衰減的低通濾波器傳輸函數(shù)的模。這里的可以為正也可以為負(fù)。表明在這一頻率兩邊都是按每倍頻程6分貝衰減，因此，鎖定放大器在各奇次諧波附近相當(dāng)于帶通濾波器，如圖7所示，鎖

13、定放大器在各奇次諧波處傳輸函數(shù)的幅頻特性。圖7鎖定放大器在各奇次諧波處傳輸函數(shù)的幅頻特性當(dāng)越大，在各奇次諧波處的通帶越窄，就越接近于理想匹配濾波器3、電路設(shè)計與程序設(shè)計3.1系統(tǒng)電路設(shè)計 加法器所采用的運(yùn)放不需要帶寬較大的運(yùn)放，一般的運(yùn)放即可滿足要求，我們選擇了TI片子OPA2134；微弱信號檢測電路中運(yùn)放也只是需要一般的運(yùn)放即可，而二極管和場效應(yīng)管的選擇需要仔細(xì)否者會有影響，綜合考慮我們選擇了AP9和K30A 的管子，在控制充放電的時間上有點(diǎn)遲鈍導(dǎo)致最終電壓變化有點(diǎn)慢，存在誤差。3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計 開始 系統(tǒng)初始化幅值采樣轉(zhuǎn)換液晶顯示4、測試方案與測試結(jié)果4.1 系統(tǒng)功能說明 本系統(tǒng)是一套

14、微弱信號檢測裝置，可以用來檢測在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號的幅度值，并且用數(shù)字顯示出該幅度值。該系統(tǒng)可抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)對正弦信號或調(diào)幅信號進(jìn)行幅值和相位的檢測。而且本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，頻帶可隨選用的有關(guān)電路的元器件性能進(jìn)一步拓寬。通過配備合適的傳感器，恰當(dāng)?shù)恼{(diào)置方法和參考信號，就可以用相敏檢波器對緩變信號或頻域信號進(jìn)行弱信號測量。如我們將它應(yīng)用到為交流電橋微弱溫變測量，微振動信號的測量等，可以滿足測量要求，效果較好。4.2 系統(tǒng)測試方案及測試條件 系統(tǒng)采用逐級測試的方法，每級均正常后再往下疊加，條件如下：（1） 噪聲源輸出VN的均方根電壓值固定為1V±0.1V；（2） 當(dāng)輸入正弦

15、波信號VS 的頻率為1 kHz、幅度峰峰值在200mV 2V范圍內(nèi)時；（3） 所有運(yùn)放供電電壓均為正負(fù)12伏，而且所有電路必須共地。4.3 系統(tǒng)測試方法與儀器 系統(tǒng)采用逐級測試的方法雙路可調(diào)直流穩(wěn)壓電源函數(shù)信號發(fā)生器（0.1Hz20MHz，具有外調(diào)制功能）通用雙蹤示波器4.4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析表1 系統(tǒng)檢測結(jié)果表信號頻率/HZ峰峰值/V示波器檢測結(jié)果/V檢測結(jié)果/V誤差/%1k0.010.0100.00964%1k0.020.0200.0181%1k0.20.2000.1981%1k0.50.5200.4962%1k0.80.8100.8000%1k10.9900.9901%1k1.51.4

16、81.481.5%1k21.961.962%1k2.52.482.480.8%1k33.013.100.33%表2 系統(tǒng)性能完成展示題目要求完成情況基本要求加法器的輸出VC =VS+VN完成帶寬大于1MHz完成純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的衰減系數(shù)不低于100完成檢測電路的輸入阻抗Ri1 MW完成顯示微小信號幅值，誤差小于5%完成發(fā)揮部分VS 的幅度峰峰值在20mV 2V范圍內(nèi)時， 檢測并顯示正弦波信號的幅度值，要求誤差不超過5%。完成擴(kuò)展被測信號VS的頻率范圍，當(dāng)信號的頻率在500Hz 2kHz范圍內(nèi)，檢測并顯示正弦波信號的幅度值，要求誤差不超過5%未做可調(diào)檔積分器，故未設(shè)計頻率擴(kuò)展進(jìn)一步提高檢測精度，使

17、檢測誤差不超過2%基本完成，部分小信號誤差較大進(jìn)一步降低VS 的幅度可實(shí)現(xiàn)0-10V的信號測量4.5 誤差產(chǎn)生原因及改進(jìn)方法 待測信號與噪聲信號疊加后，在進(jìn)入相敏檢波器前經(jīng)過了一個帶通濾波器，此時可能出頻帶太寬，過多的待測信號超遠(yuǎn)范圍的信號通過導(dǎo)致誤差，可以精選運(yùn)放，制做一個頻帶盡量窄低Q值的帶通濾波器以減小誤差；另外信號幅度在經(jīng)過一系列的縮放由于運(yùn)放受溫度或其他因數(shù)的和自身精度的影響導(dǎo)致縮放倍數(shù)不準(zhǔn)引起誤差，采用多次縮放減小誤差。4.6 其它特色 相敏檢波器為核心，完美的實(shí)現(xiàn)了從混雜信號中提取待檢的信號，并且具有兩個突出特點(diǎn)：一是輸出無直流分量，不用補(bǔ)償，不用電平轉(zhuǎn)換：二是全波相檢，輸出靈敏度高，抑制噪聲能力強(qiáng)。5、附錄：附錄1系統(tǒng)原理圖： 圖二：加法器，純電阻分壓網(wǎng)絡(luò) 圖三：微小信號檢測電路反向放大 圖四：微小信號檢測電路PCB圖OPA2134OPA2227NE5532NE5532ADS1115I附錄3 設(shè)計總結(jié)：包括：對設(shè)計的小結(jié)；本次設(shè)計的重點(diǎn)在于相敏檢波器的設(shè)計，相敏檢波器的設(shè)計用到了檢波二極管和K30A場效應(yīng)管，OPA2134等，設(shè)計的時候一定要弄清楚這些東西的用法。設(shè)計收獲體會；本次設(shè)計關(guān)鍵在于一些模擬電路的熟練掌握，一定要把這些電路的原理弄懂才能在搭建電