微弱信號檢測裝置(實驗)

1、2012年TI杯四川省電子設(shè)計大賽A題（本科）設(shè)計報告 2012年TI杯四川省大學(xué)生電子設(shè)計競賽微弱信號檢測裝置（A題）【本科組】微弱信號檢測裝置（A題）【本科組】摘要：本設(shè)計是在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號的幅度值，采用TI公司提供的LaunchPad MSP430G2553作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集芯片，實現(xiàn)微弱信號的檢測并顯示正弦信號的幅度值的功能。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在強(qiáng)噪音環(huán)境下，系統(tǒng)同時接收到函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號模擬微弱信號和PC機(jī)音頻播放器模擬的強(qiáng)噪聲，送到音頻放大器INA2134，讓兩個信號相加

2、。再通過由電位器與固定電阻構(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通過微弱信號檢測電路，檢測電路能實現(xiàn)高輸入阻抗、放大、帶通濾波以及小信號峰值檢測，檢測到的電壓峰值模擬信號送到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)計的優(yōu)點在于超低功耗關(guān)鍵詞：微弱信號 MSP430G2553 INA2134 一 系統(tǒng)方案設(shè)計、比較與論證根據(jù)本設(shè)計的要求，要完成微弱正弦信號的檢測并顯示幅度值，輸入阻抗達(dá)到1M以上，通頻帶在500Hz2KHz。為實現(xiàn)此功能，本設(shè)計提出的方案如下圖所示。其中圖1是系統(tǒng)設(shè)計總流程圖，圖2是微弱信號檢測電路子流程圖。圖1系

3、統(tǒng)設(shè)計總流程圖圖2微弱信號檢測電路子流程圖1 加法器設(shè)計的選擇方案一：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：由兩個固定阻值的電阻按100:1的比例實現(xiàn)分壓，通過仿真效果非常好，理論上可以實現(xiàn)，但是用于實際電路中不能達(dá)到預(yù)想的衰減系數(shù)。分析：電阻的標(biāo)稱值與實際值有一定的誤差，因此考慮其他的方案。方案二：由一個電位器和一個固定的電阻組

4、成的分壓網(wǎng)絡(luò)，通過改變電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)過小信號峰值電路，檢測出正弦信號的峰值。將輸出的電壓信號送給單片機(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，并且被測信號的頻率只能限定在1kHz，不能實現(xiàn)500Hz2KHz可變的被測信號的檢測。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

5、小信號峰值檢測電路組成。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；最后通過小信號峰值檢測電路把正弦信號的幅度值檢測出來。這種方案滿足本設(shè)計的要求切實可行，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)點在于價格便宜，但是對于本設(shè)計而言，必須外接AD才能實現(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

6、實現(xiàn)簡單。此外還有低功耗，以及性價比高等優(yōu)點，所以采用該方案。5 顯示電路的方案設(shè)計方案一：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。但對于本設(shè)計而已，不需要顯示字母，只需要顯示數(shù)字。性價比低，程序設(shè)計較為復(fù)雜。方案二：利用數(shù)碼管作為顯示電路，性價比高，程序設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)。兩種顯示模塊設(shè)計相比較，數(shù)碼管價格便宜，實現(xiàn)簡單，所有選擇方案二。二 理論分析與計算1純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)一個電位器和一個固定的電阻值串聯(lián)起來實現(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：,其中 =100K, =1K，算出衰減系數(shù)值為A=101，可以滿足

7、設(shè)計要求。若因為電阻偏差很大，使得衰減系數(shù)小于100，則可以通過調(diào)整電位器增大的阻值。2 微弱信號檢測電路（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和噪聲信號一起疊加以后通過分壓網(wǎng)絡(luò)以后正弦信號峰值衰減到100倍，如果要檢測到不失真理想無誤差，必須再放大信號。放大器也是采用OP2134，同相比例放大。如右圖所示，放大比例為：， （3）帶通濾波器 圖3同相比例放大器為了達(dá)到設(shè)計要求，要求檢測出頻率在500Hz2KHz的信號，所以設(shè)計帶通濾波器。帶通濾波器

8、是由低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)構(gòu)成，對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)計中，采用單個集成運放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： （2.1） 是帶通濾波器的中心角頻率。、分別為帶通濾波器的高、低截止角頻率。中心角頻率： 或 （2.2） （2.3）中心角頻率處的電壓放大倍數(shù)： （2.4） 式（2.4）中， 圖4帶通濾波電路通帶帶寬： 或 （2.5） （2.6）本設(shè)計要求設(shè)計的帶通濾波器，指標(biāo)要求為：濾出500Hz2KHz的信號頻率，通頻帶；通帶中

9、心頻率為。 假定下限截止頻率為，上限截止頻率為，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：由計算得： 1592356低通濾波上限截止頻率求出所需電阻：由計算得： =398089（4）小信號峰值檢測電路小信號峰值檢測電路也是一個放大器與外圍電路構(gòu)成，完成對信號幅度值的檢測。三 電路設(shè)計與程序框圖1 主要電路設(shè)計（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。純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)由一個0200K電位器和一個1K固定阻值電阻組成，理論上電位器阻值

10、99K就可以實現(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，才能保證檢測到不失真的微弱信號的峰值。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，實現(xiàn)選頻500Hz2KHz。如圖9所示：圖9 帶通濾波電路（4）小信號峰值檢測電路小信號峰值檢測電路由一個放大器與外圍電路組成，實現(xiàn)檢測正弦信號峰值的檢測。如圖10所示：圖10

11、小信號峰值檢測電路（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頻率為1KHz時,電壓在200mV2V之間變化，測得的數(shù)據(jù)如表1所示:表1正弦信號頻率1KHz電壓200mV2V測試結(jié)果測試次數(shù)/次輸入信號電壓值/mV數(shù)碼管顯示電壓值/V相對誤差/%123456（2）發(fā)揮部分輸入正弦信號頻率固定為1500Hz時，電壓在20mV2V之間變化，測得的數(shù)據(jù)如表二所示:表二正弦信號頻率1500Hz，電壓200mV2V測試結(jié)果測試次數(shù)/次輸入信號電壓值/mV數(shù)碼管顯示電壓值/V相對誤差/%123456輸入正弦信號的電壓幅度值固定為1V，頻率在500Hz2KHz之間變化，測得的數(shù)據(jù)如表三所示：表二正弦信號電壓V=1V，頻率500Hz2KHz測試結(jié)果測試次數(shù)/次輸入