微弱信号检测装置——2012年辽宁省TI杯电子大赛一等奖论文

2012辽宁省电子设计竞赛设计报告

微弱信号检测装置设计

摘 要：

根据要求，我们设计了基于锁相放大的微弱信号检测装置。该装置能够对强噪声背景下的微弱信号进行有效的测量，拥有低输入信噪比、宽输入带宽、测量较准确等优点。

该装置由模拟信号叠加背景噪声的加法器模块、模拟信号衰减的纯电阻分压网络模块、基于锁相放大的微弱信号检测电路模块、基于MSP430的幅值检测显示模块共同组成。

其中加法器由OPA2134搭建，符合题目要求的输出及带宽；分压网络由纯电阻搭建，简单快捷，性价比较高；设备的核心锁相放大器由OPA2134搭建的前置放大器、前置滤波器、低通滤波器、移相器，OP07与4052组成的开关型相敏检测器，OPA2340搭建的比较器构成，完成了强噪声背景下的小信号相干检测，准确且稳定；幅值检测显示模块利用高性能MSP430单片机内置的高精度AD转换器进行采样并经12864显示，美观大方。

关键词：

微弱信号检测；锁相放大器；开关型相敏检测器 ；MSP430单片机

目 录

一． 方案选择与论证 .................................................................................................3

1.1方案选择与论证 ............................................ 3 1.2 总体设计思想.............................................. 3

二． 理论分析与计算 .................................................................................................5

2.1加法器单元电路设计 ........................................ 5 2.2纯电阻单元电路设计 ........................................ 5 2.3锁相放大器电路设计 ........................................ 6 1.前置放大与滤波器电路设计................................. 6 2.相敏检测（鉴相器）电路设计............................... 7 3.参考信号电路设计......................................... 8 4.低通滤波器............................................... 9 2.4 MSP430采样与显示 ........................................ 10

三． 实物展示 ........................................................................................................... 12 四． 测试方案与测试结果 ....................................................................................... 13

4.1 检测仪器................................................. 13 4.2 检测方法与结果........................................... 13

结 论 .......................................................................................................................... 15 参考文献 .................................................................................................................... 16 附录 ............................................................................................................................ 17

一． 方案选择与论证

1.1 方案选择与论证

从本题要求整体分析可知，设计的微弱信号检测装置的核心在微弱信号检测电路，因此方案的选择与论证重点考虑该部分电路： 方案1：

带通滤波：滤波器广泛应用于现代信号处理的各个领域，如调制解调、检测处理等等，滤波器包括低通、高通、带通、带阻。其中带通滤波器适合于本题的小信号检测。但是鉴于本题的极低信噪比，故要求滤波器拥有极高的Q值，那是不可能实现的，故放弃此方案。 方案2：

集成模拟乘法器：利用锁相放大的原理对强噪声背景下的小信号进行相干检测，能够实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。锁相放大器的核心器件是相位敏感期器，利用模拟乘法器如MC1496实现鉴相，调试复杂，价格较高，且动态范围小，线性度较差，故放弃。 方案3：

开关式乘法器：采用方案2的对小信号的检测原理，即利用锁相放大器对强噪声背景下的小信号进行相干检测。但是其核心器件相位敏感期器由开关式乘法器搭建，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。 方案选定：

综上，本设计采用方案3，即采用以开关式乘法器为核心的锁相放大器搭建微弱信号检测电路，对本题中的微弱信号进行检测。

1.2

总体设计思路及框图

总体设计思路：

首先正弦波信号源产生的信号与噪声源经OPA2134搭建的加法器相加，保证了输出精度及要求的1MHz带宽；之后经过纯电阻分压网络衰减100倍，进入微弱信号检测电路；微弱信号检测电路包括前置放大器，前置滤波器，鉴相器，低通滤波器以及由移相器和比较器构成的参考通道，由OPA2134、OPA2340、LF317、OP07、4052等芯片具体实现；最后的检测及显示电路由MSP430的内置AD及12864

液晶共同实现。 总体设计框图：

微弱信号检测系统框图

锁相放大器框图

二． 理论分析与计算

衰减网络

纯电阻分压网络衰减系数A不低于100，A= (R1+R2) /R2。测试后电阻R1= 200K,R2=2K，A=101

2.3 锁相放大器电路设计

锁相放大器是以相干检测技术为基础，利用参考信号频率与输入输入信号频率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声中提取出有用信号，使得测量精度大大提高。锁相放大器设计分成四个模块：前置放大与低通滤波、相敏检测器（鉴相器）、参考通道（移相器与比较器）、低通滤波器。

2.3.1前置放大和滤波器

前置滤波器、放大器

通过巴特沃斯低通滤波器的两级放大使增益达到100倍，放大倍数分别都为10倍，（即取K=10）；低通滤波的截止频率fc≥2k,由巴特沃斯低通滤波器公式：

K=1+R4/R3

c

第一级：

1R1R2C1C2

2 fc

取标准值为C1=10nF，C2=1.01nF，R1=84.87K，R2=7.35K ，R3=2.5K,

R4=22.5K。

c

1R1R2C1C2

2 fc

代入数据，R1=84.87k，R2=7.35K ，C1=10nF， C2=1.01nF，算出fc=2001.2Hz,符合要求。代入 R3=2.5K, R4=22.5K.K=1+R4/R3=10，符合要求。 第二级：

取标准值为C1=10nF， C2=1.01nF，R1=190.21K，R2=3.05K，R3=2.5K, R4=22.5K。

2.3.2 鉴相器电路设计

开关型鉴相器

相敏检测器是由乘法器和积分器组成，其中乘法器一般采用开关乘法器，积分器通常由低通滤波器组成，下图给出相敏检测器的构成原理图。

相敏检测器原理图

理论基础：

设待测信号Vs t Vs1 t n t Vscos st s n t ，其中Vs1(t)为待测信号中的有效信号，n t 为噪声。参考信号Vr t Vrcos rt r ，则经乘法器的输出信号为Vi Vs t Vr t ，积分器的输出信号VO为：

1 T

VO limVs1 t n t Vr t dt T 2T T

T1 T

=lim VtVtdt Vs1 t n t dt Rsr Rrn s1r TT 2T T

上式中Rsr 、Rrn 分别是待测有效信号与参考信号及参考信号与噪声之间的相关函数，对于Rrn 项，由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为参

Rrn 考信号与噪声互相独立，它的相关函数Rrn 为零：即经过长时间的积分，

项为零，实际上积分时间不可能无限长，也就是说实际计算中Rrn 不可能为零，它表现为剩余噪声，但噪声对测量结果的影响已经大大降低，对于Rsr 项为：

1T

Rsr limVs1 t Vr t dt

TT 2T

=lim

1

T 2T

1 1

VVcos t VVcos t srsrsrsrsrsr dt T 22

T

由上式可知，积分内的两项是待测有效信号与参考信号的和频 s r 及差频 s r 相关，当 s r时，且噪声相关函数Rrn 为零时，积分器输出的信号VO可表示为：

VO VsVrcos

式中K为低通滤波器的传递系数， 为待测信号与参考信号的相位差，当待测信号与参考信号同频率时，相敏检测器输出的信号与待测有效信号的幅度Vs有关，也与待测信号与参考信号的相位差 有关，调整参考信号的相位 r，当 r= s时，相敏检测器的输出信号与待测信号的幅度成正比。总之，由于输入信号Vs t 中的噪声n t 与参考信号不相关，经积分器积分后，噪声得到了很好的抑制，而有效信号得到了放大，从而提高了测量的精度和信噪比。

2.3.3 参考信号电路设计

参考信号电路由移相器和比较器组成。

移相器

在本部分的设计中要求参考信号的相移是0～360°，通过用一个运放和电阻电容的连接可以实现相角180°的变化，采用两个运放级联的方式使相位可以在360°范围内变化。由于OPA2134有两个通道，所以在本设计中采用OPA2134的两个通道通过级联达到要求。其中：R3=R4=R5=R6=10k， C2=C3＝1uF，滑动变阻器的最大阻值为10k，运放采用的是一片OPA2134。

比较器

经移相后参考信号与待检测小信号同相，将参考信号整形后驱动电子开关实现待测信号的相关运算。其中：R1=5K，R2=5K，运放采用的是一片OPA2340。

2.3.4 低通滤波器

低通滤波器

对信号进行最后一步处理，低通滤波的同时对信号幅度进行改善，调节增益使之与源信号幅度一致。即使f=100Hz,K=2。根据低通滤波器的公式：

K=1+R4/R3

c

1R1R2C1C2

2 fc

。

当R1=R2=R,C1=C2=C时，Wc=1/RC,设计值为：R1=R2=5K, R3=R4=10K, C1=C2=470nf。符合要求。

2.4 MSP430采样与显示

处理信号通过MSP430的AD采样处理之后用LCD显示幅度。

结构框图

程序流程图

三、实物

实物展示

实物测量

四、测试方案与测试结果

4.1 测试仪器：

4.2 调试方法与结果：

信号源分别产生频率为2kHz、1kHz、500Hz，幅度为2.0V、1.0V、660mV、

200mV、50mV

的正弦信号，利用示波器观测各点波形并记录液晶显示数值。

结果分析：

经过测试可得输出与输入电压幅值比较吻合，达到了比较稳定的状态。基本的放大信号及抑制噪声的功能已经具备。最终的直流输出与信号幅值成正比关系，符合预期，但是就精确度而言还有很长的路要走。受器件参数、环境温度、电磁干扰等等众多因素的影响，实际的系数总是需要临时调整。总之，即使噪声信号比有用的信号大很多，只要知道有用信号的频率值，锁相放大器就能较为准确地测量出这个信号的幅值的要求还是可以实现的。

结论

经过2012辽宁省电子设计竞赛A题—微弱信号检测装置的设计，深刻理解了小信号对于现代科技的重要性及锁相放大器对其的完美放大能力。锁相放大器实际上就像是一个高Q的带通滤波器，只有和参考信号相同频率的信号才可以通过锁相放大器，并输出与输入信号及参考信号幅值相关的直流。

本设计中，我们的方案论证从成本，实现难易程度等角度出发，认真选择最适合这次设计的芯片及元器件。由于系统架构设计比较合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，成功的将微小信号的放大。受器件参数、环境温度、电磁干扰等等众多因素的影响，实际的系数总是需要临时调整，拥有符合理论的趋势，但是线性关系有微小畸变。总之，即使噪声信号比有用的信号大很多，只要知道有用信号的频率值，锁相放大器就能较为准确地测量出这个信号的幅值的要求还是可以实现的。

在整个设计的过程中我学到了踏实的态度和心态，明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，同时要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以尝到成功的喜悦。