TI杯A題基本方案

1、微弱信號檢測裝置（A題）【本科組】一、任務(wù)正弦波信號源微弱信號檢測電路噪聲源VS VN VC Vo 純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)顯示電路加法器Vi A B C D E 設(shè)計(jì)并制作一套微弱信號檢測裝置，用以檢測在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號的幅度值，并數(shù)字顯示出該幅度值。為便于測評比較，統(tǒng)一規(guī)定顯示峰值。整個系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。正弦波信號源可以由函數(shù)信號發(fā)生器來代替。噪聲源采用給定的標(biāo)準(zhǔn)噪聲（wav文件）來產(chǎn)生，通過PC機(jī)的音頻播放器或MP3播放噪聲文件，從音頻輸出端口獲得噪聲源，噪聲幅度通過調(diào)節(jié)播放器的音量來進(jìn)行控制。圖中A、B、C、D和E分別為五個測試端點(diǎn)。圖1 微弱信號檢測裝置示意圖二、要求

2、1. 基本要求（1）噪聲源輸出VN的均方根電壓值固定為1V±0.1V；加法器的輸出VC =VS+VN，帶寬大于1MHz；純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的衰減系數(shù)不低于100。（2）微弱信號檢測電路的輸入阻抗Ri1 MW。（3）當(dāng)輸入正弦波信號VS 的頻率為1 kHz、幅度峰峰值在200mV 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%。2. 發(fā)揮部分（1）當(dāng)輸入正弦波信號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%。（2）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

3、過5%。（3）進(jìn)一步提高檢測精度，使檢測誤差不超過2%。（4）其它（例如，進(jìn)一步降低VS 的幅度等）。 鎖相放大器的原理鎖相放大器L隊(duì)(Lockin Amplifier，簡稱L隊(duì))就是利用互相關(guān)的原理設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測儀。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。在測量中，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的白噪聲和1f噪聲的低頻噪聲。這些噪聲是無法用屏蔽等措施消除的。為了減少噪聲對有用信號的影響，常用窄帶濾波器濾除帶外噪聲，以提高信號的信噪比。但是，由于一般濾波器的中心頻率不穩(wěn)，而且?guī)捄椭行念l率以及濾波器的Q值有關(guān)等原因，使它不滿足更高的濾除噪聲之要求

4、。根據(jù)相關(guān)原理，通過乘法器和積分器串聯(lián)，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，除去噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)相敏檢波，鎖相放大器采用互相關(guān)接受技術(shù)使儀器抑制噪聲的性能提高了好幾個數(shù)量級。另外，還可以用斬波技術(shù)，把低頻以至直流信號變成高頻交流信號后進(jìn)行處理，從而避開了低頻噪聲的影響。鎖相放大器抑制噪聲的性能如下：國內(nèi)外生產(chǎn)的鎖相放大器的等效噪聲帶寬厶在103Hz數(shù)量級，少數(shù)的可以達(dá)到4×104Hz，信號帶寬255×106Hz，可見，儀器具有非常窄的信號和噪聲帶寬，通常帶通濾波器由于Q值的定義，常規(guī)濾波器很難達(dá)到一些性能。而鎖相放大器被測信號和參考信號是同步的，它不存在頻率穩(wěn)定性問題，所以可以把它看成為一個“跟蹤

5、濾波器"。它的等效Q值由低通濾波器的積分時間常數(shù)決定，所以對元件和環(huán)境的穩(wěn)定性要求不高。研究表明，鎖相放大器使信噪比提高一萬多倍即信噪比提高了80dB以上。這足以表明，采用相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的鎖相放大器具有很強(qiáng)的抑制噪聲能力。目前鎖相放大器有如下特點(diǎn)：極高的放大倍數(shù)，若有輔助前置放大器，增益可達(dá)101l(即220dB)，能檢測極微弱信號交流輸入、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，滿刻度靈敏度達(dá)pV、nV甚至于pV量級。由此可見，鎖相放大器具有極強(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放大，而是把交流信號放大并變成相應(yīng)的直流信號。

6、因此，這實(shí)際上不符合常規(guī)放大器的功能。在國外常把這類儀器稱為鎖相放大器?？衫斫鉃榘汛郎y信號中與參考信號同步的信號放大并檢測出來。因此，將鎖相放大器稱為“鎖定檢測儀"或“同步檢測儀"或許更為確切。但目前國內(nèi)都稱為“鎖相放大器"或“鎖定放大器"。鎖相放大器通常分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器，而兩種類型的L隊(duì)各有優(yōu)缺點(diǎn)。常用的模擬鎖相放大器雖然速度快，但是參數(shù)穩(wěn)定性和靈活性差，且在與微處理器通訊的時候需要轉(zhuǎn)換電路；傳統(tǒng)數(shù)字鎖相放大器一般使用高速ADC對信號進(jìn)行高速采樣，然后使用比較復(fù)雜的算法進(jìn)行鎖相運(yùn)算，這對微處理器的速度要求很高。 為了大幅度提高檢測下限

7、和測量靈敏度，不僅要減少測量系統(tǒng)的噪聲，而且要能從噪聲中提取信號，故采用的新思路，進(jìn)行相干檢測。其基本思想是： 1)首先使測量系統(tǒng)的主要部分，避開噪聲功率密度大的地方，從而使輸入噪聲較小。已知在低頻區(qū)，閃爍噪聲可以比自噪聲高出數(shù)倍、數(shù)十倍、甚至數(shù)百倍。因此，要設(shè)法使信號不失真的從低頻區(qū)移出(1F角以外)。2)對不同的頻率信號，應(yīng)該設(shè)法將其移頻至固定中心頻率，這樣就可以使用固定中心頻率，固定頻帶的BPF。3)從信號與噪聲的特征對比可以看出，信號與多數(shù)噪聲有頻率和相位兩個方面的不同。BPF只是利用頻率特征的識別。因此，如果再利用相位特征的識別，將可把同頻率、不同相位的噪聲大量排除。在光學(xué)中，對頻率

8、和相位都進(jìn)行區(qū)分的方法稱為相干法，故這種檢測方法叫相干檢測，在電子學(xué)中，這種檢測方法稱為鎖定相位。把上述三種設(shè)想加以實(shí)施，而完成頻域信號相干檢測的系統(tǒng)，稱為鎖相放大器(LockillAmplifier，簡寫LIA)。其框圖見圖2-1所示。各部件的功能是：信號通道把輸入信號選頻放大(初步濾除噪聲)后，輸入給相關(guān)器：參考通道在觸發(fā)信號的同步下，輸出相位可調(diào)節(jié)的、與輸入信號同頻率的參考波形；相關(guān)器對兩路信號進(jìn)行運(yùn)算，然后對結(jié)果處理并輸出.圖2-1 鎖相放大器原理框圖1、加法器：利用加法器是輸入有用信號和噪聲信號相加。純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)：采用T型純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)：3.1微弱信號檢測電路模塊設(shè)計(jì) 4.1 總體

9、設(shè)計(jì)輸入微弱信號經(jīng)過開關(guān)控制運(yùn)放OPA2335和OPA132的級聯(lián)實(shí)現(xiàn)選擇性放大，經(jīng)過低通濾波器后濾除部分噪聲，與參考信號一同進(jìn)入相敏檢波器進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，輸出信號經(jīng)過低通濾波器后將交流信號濾掉，只剩下直流信號經(jīng)過放大后送入AD采樣，單片機(jī)處理后輸出到顯示器；參考信號由單片機(jī)控制DDS產(chǎn)生，經(jīng)過移相電路后進(jìn)入相敏檢波器。低通濾波器放大器輸入信號相敏檢波器低通濾波器參考信號移相器放大器圖4-1 鎖相發(fā)達(dá)器的流程圖4.2 硬件設(shè)計(jì)4.2.1 前置放大器的設(shè)計(jì)：方案：使用常用運(yùn)放OPA2335，OPA132的組合通過開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)為10，1000,100000的變化，對輸入信號范圍1uV100

10、mV分別進(jìn)行不同選擇的放大。電路設(shè)計(jì)和使用都比較簡單。兩者比較起來，由于后者電路設(shè)計(jì)和使用都比較簡單，所以本設(shè)計(jì)中采用開關(guān)控制對不同信號選擇性放大。圖4-2-1 前置放大器的設(shè)計(jì)圖 低通濾波器：中心頻率為1000HZ,通過頻率5002kHz的多路反饋式低通濾波器參考信號產(chǎn)生的方法：參考信號（Reference Signal,RS）,就是常說的“導(dǎo)頻”信號，是由發(fā)射端提供給接收端用于信道估計(jì)或信道探測的一種已知信號。 要用msp430產(chǎn)生正弦波。 4 .2.2 移相電路的設(shè)計(jì)：方案：模擬移相：模擬移相電路采用阻容式移相電路。優(yōu)點(diǎn)是電路簡單可靠，缺點(diǎn)是相角可調(diào)范圍只有180°，但是可以通

11、過級聯(lián)的方式使相移范圍達(dá)到360°。其中：R3=R4=R5=R6=10k， C2=C31uF，滑動變阻器的最大阻值為10k，運(yùn)放采用的是一片OPA2335。利用調(diào)相電路對msp430產(chǎn)生的參考信號進(jìn)行調(diào)相，使得輸入信號的相位和參考信號的相位相同，以便進(jìn)行鎖相。4.2.3 相敏檢波器的設(shè)計(jì)：方案：開關(guān)式乘法器：開關(guān)式乘法器具有價格低廉，基本無需調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為實(shí)用的相敏檢波器。 具有價格低廉，基本無需調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)中采用開關(guān)式乘法器。圖4-2-3 相敏檢波器的設(shè)計(jì)圖如圖4-2-3，經(jīng)過移相處理后的波形通過比較器后將由原來的正弦波變成方波，產(chǎn)生的方波和輸入信號一同經(jīng)過乘法器將會得到正弦波