微弱信號(hào)檢測(cè) TI杯 三等獎(jiǎng) 論文

1、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 2012年TI杯模擬電子系統(tǒng)專題邀請(qǐng)賽 微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中文摘要：本系統(tǒng)微弱信號(hào)的檢測(cè)以相敏檢波器為核心，完美的實(shí)現(xiàn)了從混雜信號(hào)中提取待檢的信號(hào)，并且具有兩個(gè)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(cè)信號(hào)頻率時(shí)，全波相檢輸出的噪聲平均值基本為零。 信號(hào)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(hào)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(cè)信號(hào)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(cè)，參考信號(hào)，有源積分1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證：根據(jù)周期性微弱信號(hào)檢測(cè)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(jì)同步積分系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)多次重復(fù)。將周期信號(hào)的每個(gè)周期進(jìn)行n等分分配，并分別對(duì)每個(gè)分配單元進(jìn)行多次重復(fù)積累。由于信號(hào)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(gè)周期的信號(hào)受到噪聲的干擾不同，只要把這些受到不同干擾的信號(hào)多次重復(fù)，互相對(duì)照，就可以還原出信號(hào)的原形。信號(hào)重復(fù)次數(shù)越多，恢復(fù)的信號(hào)越接近于原信號(hào)，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(shí)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(hào)按某種方式累積起來。以延長測(cè)量時(shí)間為代價(jià)，用許多個(gè)信號(hào)周期恢復(fù)信號(hào)的原形。1.2 采用旋轉(zhuǎn)電容濾波器方案設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)電容濾波器設(shè)計(jì)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(gè)同步開關(guān)及一個(gè)RC積分電路組成，用以實(shí)際被測(cè)信號(hào)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(cè)的部件。1.

4、3鎖定放大器方案設(shè)計(jì)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(cè)的原理設(shè)計(jì)的一種同步相關(guān)檢測(cè)儀。它是一種對(duì)檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備。在檢測(cè)過程中噪聲是一種不希望的擾亂信號(hào)，它是限制和影響測(cè)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(hào)變成高頻交流信號(hào)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(jì)，能夠很好的完成設(shè)計(jì)要求，并且還能很好的恢復(fù)被測(cè)信號(hào)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(shí)還要借助于比較強(qiáng)大的計(jì)算功能的CPU或者計(jì)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(shí)設(shè)計(jì)要求也沒有具體到將信號(hào)原樣恢復(fù)出來，因此此種設(shè)計(jì)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(hào)檢測(cè)方法中一般同步積分器不單獨(dú)作為檢測(cè)系統(tǒng)使用，它一般作為一個(gè)部件與鎖定放大，多點(diǎn)信號(hào)平均，相關(guān)檢測(cè)等聯(lián)合一起使用能夠很好的達(dá)到微弱信號(hào)檢測(cè)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(cè)，是通過信號(hào)的相關(guān)性得到對(duì)信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果。它是一種專門的微弱信號(hào)檢測(cè)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(shí)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(duì)信號(hào)的產(chǎn)

6、生，處理和檢測(cè)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(cè)極微弱信號(hào)；2） 交流輸入、直流輸出，其直流輸出電壓正比于輸入信號(hào)幅度及被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相位差的余弦；滿刻度靈敏度達(dá)到，甚至于數(shù)量級(jí)；3） 非相干信號(hào)輸入過載電壓可達(dá)60dB以上，即噪聲大于信號(hào)數(shù)千倍以上時(shí)仍能正常檢測(cè)。 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(hào)并不是輸入信號(hào)的簡(jiǎn)單濾波放大，而是把交流信號(hào)放大并變換成相應(yīng)直流信號(hào)。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(jì)采用鎖定放大器設(shè)計(jì)能夠達(dá)到很好的設(shè)計(jì)效果。1.4 系統(tǒng)方

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

8、測(cè)，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(hào)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(hào)的幅值；j為輸入信號(hào)與參考信號(hào)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(cè)量結(jié)果。2、理論分析與計(jì)算2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論依據(jù)與分析、計(jì)算被測(cè)信號(hào)放大后為VA和參考信號(hào)VB在乘法器中相乘，兩者之積V1為乘法器的輸出信號(hào)。同時(shí)也是低通濾波器的輸入信號(hào)。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(hào)。開關(guān)式乘法器可以等效成被測(cè)輸入信號(hào)與單位幅度的方波相乘的乘法器。若參考信號(hào)為對(duì)稱方波，VB就能用單位幅度的對(duì)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(hào)的角頻率。設(shè)輸入被測(cè)信號(hào)為信號(hào)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(duì)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(duì)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(hào)頻率等于參考信號(hào)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(hào)頻率為參考信號(hào)的基波頻率時(shí)的振幅、相位、輸出電壓及對(duì)應(yīng)的相位。當(dāng)時(shí)，略去（8）式中的小項(xiàng)得： （9）由（9）式可得：（1）時(shí)間常數(shù)為低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，由電容CO和電阻RO決定。（2）當(dāng)時(shí)，得到穩(wěn)態(tài)解： （10）輸出為直流電壓，大小正比于輸入信號(hào)的振幅，并和信號(hào)與參考信號(hào)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(hào)表示由反相輸入端輸入。（3）時(shí)，輸出電壓最大。 時(shí)， 時(shí)，（與時(shí)反相） 時(shí)，由此可以決定放大器輸入信號(hào)的幅值及相對(duì)于參考信號(hào)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(hào)測(cè)量的基本公式。（b）當(dāng)輸入信號(hào)為參考信號(hào)的偶次諧波時(shí)當(dāng)，并且時(shí)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(hào)是占空比為1：1的對(duì)稱方波時(shí)，鎖定放大器能抑制參考信號(hào)頻率的偶次諧波。（c）當(dāng)輸入信號(hào)為參考信號(hào)頻率的奇次諧波時(shí)。當(dāng)，同樣，當(dāng)Te較大時(shí)，使，略去小項(xiàng)，（5）式得： （12）式（3-119）中分別是輸入信號(hào)頻率為參考信號(hào)頻率的奇數(shù)倍時(shí)的信號(hào)振幅、相位和輸出電壓。由式（12）得到： （1）時(shí)間常數(shù)Te=R0C0（2）當(dāng)t>>Te時(shí)，有： （13）（3）信號(hào)頻率為參考信號(hào)頻率的奇次諧波時(shí)，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(gè)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(hào)頻率在附近信號(hào)幅值、相位、輸出相位和輸出電壓。式（14）表明，這時(shí)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(shí)，式（14）即為（13）式。這兩式相比可知，當(dāng)輸入信號(hào)頻率偏離奇次諧波一個(gè)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(jì)與程序設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 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(hào)檢測(cè)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(chǎng)效應(yīng)管的選擇需要仔細(xì)否者會(huì)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(shí)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(jì) 開始 系統(tǒng)初始化幅值采樣轉(zhuǎn)換液晶顯示4、測(cè)試方案與測(cè)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(hào)檢測(cè)裝置，可以用來檢測(cè)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，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(duì)正弦信號(hào)或調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行幅值和相位的檢測(cè)。而且本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)，就可以用相敏檢波器對(duì)緩變信號(hào)或頻域信號(hào)進(jìn)行弱信號(hào)測(cè)量。如我們將它應(yīng)用到為交流電橋微弱溫變測(cè)量，微振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量等，可以滿足測(cè)量要求，效果較好。4.2 系統(tǒng)測(cè)試方案及測(cè)試條件 系統(tǒng)采用逐級(jí)測(cè)試的方法，每級(jí)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(hào)VS 的頻率為1 kHz、幅度峰峰值在200mV 2V范圍內(nèi)時(shí)；（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(cè)試方法與儀器 系統(tǒng)采用逐級(jí)測(cè)試的方法雙路可調(diào)直流穩(wěn)壓電源函數(shù)信號(hào)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(cè)試結(jié)果與分析表1 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果表信號(hào)頻率/HZ峰峰值/V示波器檢測(cè)結(jié)果/V檢測(cè)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(cè)電路的輸入阻抗Ri1 MW完成顯示微小信號(hào)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(shí)， 檢測(cè)并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，要求誤差不超過5%。完成擴(kuò)展被測(cè)信號(hào)VS的頻率范圍，當(dāng)信號(hào)的頻率在500Hz 2kHz范圍內(nèi)，檢測(cè)并顯示正弦波信號(hào)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(jì)頻率擴(kuò)展進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，使

17、檢測(cè)誤差不超過2%基本完成，部分小信號(hào)誤差較大進(jìn)一步降低VS 的幅度可實(shí)現(xiàn)0-10V的信號(hào)測(cè)量4.5 誤差產(chǎn)生原因及改進(jìn)方法 待測(cè)信號(hào)與噪聲信號(hào)疊加后，在進(jìn)入相敏檢波器前經(jīng)過了一個(gè)帶通濾波器，此時(shí)可能出頻帶太寬，過多的待測(cè)信號(hào)超遠(yuǎn)范圍的信號(hào)通過導(dǎo)致誤差，可以精選運(yùn)放，制做一個(gè)頻帶盡量窄低Q值的帶通濾波器以減小誤差；另外信號(hào)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(hào)中提取待檢的信號(hào)，并且具有兩個(gè)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(hào)檢測(cè)電路反向放大 圖四：微小信號(hào)檢測(cè)電路PCB圖OPA2134OPA2227NE5532NE5532ADS1115I附錄3 設(shè)計(jì)總結(jié)：包括：對(duì)設(shè)計(jì)的小結(jié)；本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于相敏檢波器的設(shè)計(jì)，相敏檢波器的設(shè)計(jì)用到了檢波二極管和K30A場(chǎng)效應(yīng)管，OPA2134等，設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要弄清楚這些東西的用法。設(shè)計(jì)收獲體會(huì)；本次設(shè)計(jì)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