微弱信號(hào)檢測裝置(實(shí)驗(yàn)報(bào)告)1

1、微弱信號(hào)檢測裝置(實(shí)驗(yàn)報(bào)告)2012年ti杯四川省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽微弱信號(hào)檢測裝置（a題）【本科組】 微弱信號(hào)檢測裝置（a題） 【本科組】摘要：本設(shè)計(jì)是在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號(hào)的幅度值，采用ti公司提供的launchpad msp430g2553作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集芯片，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測并顯示正弦信號(hào)的幅度值的功能。電路分為加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、微弱信號(hào)檢測電路、以及數(shù)碼管顯示電路組成。當(dāng)所要檢測到的微弱信號(hào)在強(qiáng)噪音環(huán)境下，系統(tǒng)同時(shí)接收到函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)模擬微弱信號(hào)和pc機(jī)音頻播放器模擬的強(qiáng)噪聲，送到音頻放大器ina2134，讓兩個(gè)信號(hào)相加。再通過由電位器與固定電

2、阻構(gòu)成的純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)使其衰減系數(shù)可調(diào)（100倍以上），將衰減后的微弱信號(hào)通過微弱信號(hào)檢測電路，檢測電路能實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗、放大、帶通濾波以及小信號(hào)峰值檢測，檢測到的電壓峰值模擬信號(hào)送到msp430g2553內(nèi)部的10位ad 轉(zhuǎn)換處理后在數(shù)碼管上顯示出來。本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于超低功耗關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)msp430g2553 ina2134一系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、比較與論證根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，要完成微弱正弦信號(hào)的檢測并顯示幅度值，輸入阻抗達(dá)到1m以上，通頻帶在500hz2khz。為實(shí)現(xiàn)此功能，本設(shè)計(jì)提出的方案如下圖所示。其中圖1是系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程圖，圖2是微弱信號(hào)檢測電路子流程圖。圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程圖圖2微弱信號(hào)檢

3、測電路子流程圖 1 加法器設(shè)計(jì)的選擇 方案一：采用通用的同相/反相加法器。通用的加法器外接較多的電阻，運(yùn)算繁瑣復(fù)雜，并且不一定能達(dá)到帶寬大于1mhz，所以放棄此種方案。方案二：采用ti公司的提供的ina2134音頻放大器。音頻放大器內(nèi)部集成有電阻，可以直接利用，非常方便，并且?guī)捘軌蜻_(dá)到本設(shè)計(jì)要求，因此采用此方案。2 純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的方案論證方案一：由兩個(gè)固定阻值的電阻按100:1的比例實(shí)現(xiàn)分壓，通過仿真效果非常好，理論上可以實(shí)現(xiàn)，但是用于實(shí)際電路中不能達(dá)到預(yù)想的衰減系數(shù)。分析：電阻的標(biāo)稱值與實(shí)際值有一定的誤差，因此考慮其他的方案。方案二：由一個(gè)電位器和一個(gè)固定的電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，通過改變電

4、位器的阻值就可以改變其衰減系數(shù)。這樣就可以避免衰減系數(shù)達(dá)不到或者更換元器件的情況，因此采用此方案。3 微弱信號(hào)檢測電路的方案論證方案一：將純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓通過反相比例放大電路。放大后的信號(hào)通過中心頻率為1khz的帶通濾波器濾除噪聲。再經(jīng)過小信號(hào)峰值電路，檢測出正弦信號(hào)的峰值。將輸出的電壓信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。此方案的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。但是，輸入阻抗不能滿足大于等于1m的條件，并且被測信號(hào)的頻率只能限定在1khz，不能實(shí)現(xiàn)500hz2khz 可變的被測信號(hào)的檢測。故根據(jù)題目的要求不采用此方案。方案二：檢測電路可以由電壓跟隨器、同相比例放大器、帶通濾波電路以及小信號(hào)峰值檢測電路組成

5、。電壓跟隨器可以提高輸入阻抗，輸入電阻可以達(dá)到1m以上，滿足設(shè)計(jì)所需；采用同相比例放大器是為了放大在分壓網(wǎng)絡(luò)所衰減的放大倍數(shù)；帶通濾波器為了選擇500hz2khz的微弱信號(hào)；最后通過小信號(hào)峰值檢測電路把正弦信號(hào)的幅度值檢測出來。這種方案滿足本設(shè)計(jì)的要求切實(shí)可行，故采用此方案。4 峰值數(shù)據(jù)采集芯片的方案論證方案一：選用宏晶公司的stc89c52單片機(jī)作為。優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格便宜，但是對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，必須外接ad才能實(shí)現(xiàn)，電路復(fù)雜。 方案二：采用ti 公司提供的msp430g2553作為控制芯片。由于msp430g2553資源配置豐富，內(nèi)部集成了10位ad ，可以直接使用，簡化電路，程序?qū)崿F(xiàn)簡單。此外還

6、有低功耗，以及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，所以采用該方案。 5 顯示電路的方案設(shè)計(jì) 方案一：采用液晶顯示器作為顯示電路，液晶顯示器顯示內(nèi)容較豐富，可以顯示字母數(shù)字。但對(duì)于本設(shè)計(jì)而已，不需要顯示字母，只需要顯示數(shù)字。性價(jià)比低，程序設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。方案二：利用數(shù)碼管作為顯示電路，性價(jià)比高，程序設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。 兩種顯示模塊設(shè)計(jì)相比較，數(shù)碼管價(jià)格便宜，實(shí)現(xiàn)簡單，所有選擇方案二。 二 理論分析與計(jì)算 1純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)一個(gè)電位器和一個(gè)固定的電阻值串聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)分壓。將電位器的電阻值調(diào)整為100k ，固定電阻的阻值為1k 。衰減系數(shù)為：221/)(r r r a +=,其中1r =100k ,2r =1

7、k ，算出衰減系數(shù)值為a=101，可以滿足設(shè)計(jì)要求。若因?yàn)殡娮杵詈艽?，使得衰減系數(shù)小于100，則可以通過調(diào)整電位器增大1r 的阻值。 2 微弱信號(hào)檢測電路 （1）電壓跟隨器選用op2134作為電壓跟隨器，輸入電壓等于輸出電壓。為了滿足題目要求輸入阻抗大于1m以上，電壓跟隨器的輸入阻抗值極高，可以達(dá)到此要求。 （2）同相比例放大電路由于正弦信號(hào)和噪聲信號(hào)一起疊加以后通過分壓網(wǎng)絡(luò)以后正弦信號(hào)峰值衰減到100倍，如果要檢測到不失真理想無誤差，必須再放大信號(hào)。放大器也是采用op2134，同相比例放大。如右圖所示，放大比例為：f n o n r u u r u /)(/)0(-=- ， p f o u

8、 r r u ?+=)/1(.)/1(i f o u r r u ?+=?（3）帶通濾波器 圖3同相比例放大器 為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，要求檢測出頻率在500hz 2khz 的信號(hào)，所以設(shè)計(jì)帶通濾波器。帶通濾波器是由低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)構(gòu)成，對(duì)于低通濾波器有上限截止頻率即為帶通濾波器的上限截止頻率，對(duì)于高通濾波器有下限截止頻率即為帶通濾波器的下限截止頻率。 在本設(shè)計(jì)中，采用單個(gè)集成運(yùn)放op2340構(gòu)成壓控電壓源二階帶通濾波電路。二階帶通濾波器電路如圖（2.1）所示，電路的傳輸函數(shù)為：? ?+? ?-+=212321321111)1(1121)(r r c r s a r r r cs scr

9、a s a f fu 22ooouos qs sqa +=（2.1） o =是帶通濾波器的中心角頻率。1、2分別為帶通濾波器的高、低截止角頻率。 中心角頻率：? ?+=2123111r r c r o 或)2/(10c r f *= （2.2） ? ?-+=)1(11212130f a r r r c q （2.3） 中心角頻率o 處的電壓放大倍數(shù)： ?+-+=32111)1(11r a r r r a a f fuo （2.4）式（2.4）中，451r r a f += 圖4帶通濾波電路 通帶帶寬： 12-=bw 或 12f f f -=? ?-+=)1(11212130f a r r r

10、c qbw （2.5） ff bwq ?= 時(shí)）0(hz hz f 150050020000=-=?；通帶中心頻率為hz f 12505002)5002000(0=+-=。 假定下限截止頻率為hz f 5001=，上限截止頻率為khz f 22=，給定的電容的容量為200pf,由此可以算出所需要的電阻阻值。為了方便起見，固定阻值的電阻換成阻值較大的電位器。 高通濾波下限截止頻率求出所需電阻：)1020012/(161-?=r f 由計(jì)算得： =1r 1592356 低通濾波上限截止頻率求出所需電阻：)1020022/(162-?=r f 由計(jì)算得： 2r =398089 （4）小信號(hào)峰值檢測電

11、路 小信號(hào)峰值檢測電路也是一個(gè)放大器與外圍電路構(gòu)成，完成對(duì)信號(hào)幅度值的檢測。 三 電路設(shè)計(jì)與程序框圖 1 主要電路設(shè)計(jì)（1）加法電路與純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)加法電路由ina2134與電容組成，正負(fù)5v 提供電源，電容起到濾除超高頻信號(hào)。純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)0200k 電位器和一個(gè)1k 固定阻值電阻組成，理論上電位器阻值99k 就可以實(shí)現(xiàn)分壓系數(shù)100以上。如圖6、圖7所示： 圖6 加法器電路 圖7 純電阻分壓網(wǎng)絡(luò) （2）電壓跟隨電路與放大電路左半部分是跟隨器，輸入電壓等于輸出電壓，但輸入阻抗可以達(dá)到1m 以上。右半部分由同相比例放大器與電阻電容組成，理想情況下是放大倍數(shù)與衰減系數(shù)相等，才能保證檢測到不

12、失真的微弱信號(hào)的峰值。如圖8所示：圖8電壓跟隨電路與放大電路 （3）帶通濾波電路 帶通濾波電路由音頻放大器opa2340加上外圍的電阻電容組成，實(shí)現(xiàn)選頻500h z2khz。如圖9所示：圖9 帶通濾波電路（4）小信號(hào)峰值檢測電路小信號(hào)峰值檢測電路由一個(gè)放大器與外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)檢測正弦信號(hào)峰值的檢測。如圖10所示：圖10 小信號(hào)峰值檢測電路（5）數(shù)碼管顯示電路?2 程序流程圖從檢測電路輸出的電壓幅度值經(jīng)msp430g2253進(jìn)行a/d數(shù)據(jù)采集，將采集的峰值數(shù)據(jù)信 號(hào)通過處理，最終通過led數(shù)碼管顯示。程序的流程圖如圖11所示： ?四性能指標(biāo)1 測試儀器tds 1002示波器、gps-4303c函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字交流毫伏表、數(shù)字式萬用表2 系統(tǒng)測試方法3 測試性能概述（1）基本要求部分輸入正弦信號(hào)頻率為1khz時(shí),電壓在200mv2v之間變化，測得的數(shù)據(jù)如表1所示:f1khz電壓200mv2v測試結(jié)果表1正弦信號(hào)頻率=（2）發(fā)揮部分輸入正弦信號(hào)頻率固定為1500hz時(shí)，電壓在20mv2v之間變化，測得的數(shù)據(jù)如表二所示:f1500hz，電壓200mv2v測試結(jié)果表二正弦信號(hào)頻率= 輸入正弦信號(hào)的電壓幅度值固定為1v，頻率在500h