簡易微弱信號檢測裝置題目方案分析

微弱信號檢測裝置

題目方案匯報(bào)小組成員：電

信

院任務(wù)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(gè)系統(tǒng)的示意圖如下圖所示。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(gè)測試端點(diǎn)。微弱信號檢測裝置示意圖題目要求：1.基本要求（1）噪聲源輸出VN的均方根電壓值固定為1V0.1V；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Ri≥1M。（3）當(dāng)輸入正弦波信號VS的頻率為1kHz、幅度峰峰值在200mV~2V范圍內(nèi)時(shí)，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)揮部分要求

（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(shí)，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）。我們采取的方案：自相關(guān)我們很容易發(fā)現(xiàn)疊加噪聲之后的信號，實(shí)際上是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程：當(dāng)=0時(shí)，自相關(guān)函數(shù)達(dá)到最大值，即

的平均功率，也就是正弦信號的平均功率。要實(shí)現(xiàn)兩路模擬信號相乘，就必須使用模擬乘法器。而模擬乘法器在市場上比較少，很難獲得。為了降低對乘法器的要求，我們將一路信號進(jìn)行波形變換，整成方波，實(shí)現(xiàn)方波與正弦波相乘。只要方波中基波頻率與正弦波相等，就可以進(jìn)行相關(guān)。整體方案方框圖核心電路（乘法器）的具體實(shí)現(xiàn)方法乘法器的實(shí)現(xiàn)。由于我們手里沒有乘法器芯片，我們采用了低成本的電子開關(guān)(二選一)來構(gòu)成這個(gè)乘法器。噪聲與待測信號的混合信號分成兩路，一路同相跟一路反向，用方波來驅(qū)動(dòng)開關(guān)，進(jìn)行相位選擇，從而實(shí)現(xiàn)正弦信號與方波信號相乘。

未加入噪聲，乘法器實(shí)際輸出波形(Vpp=2v)加入噪聲時(shí)，乘法器實(shí)際輸出波形信號幅值較小時(shí)，乘法器實(shí)際輸出波形測試結(jié)果：500Hz2KHz輸入/V輸出/V誤差/%輸出/V誤差/%11.00100.10.98801.20.50.50300.60.49930.140.30.30030.10.29750.830.20.20170.850.198010.10.10060.60.09950.50.050.05081.60.04911.80.040.04010.250.04020.50.030.03041.30.03051.670.0250.02697.60.027610.40.020.025125.50.0250250.010.0244--0.0253--存在的問題：1.輸入信號峰值小于30mV時(shí)，無法進(jìn)行測量，不管你輸入如何變化，檢測出來的值始終在25mV上下波動(dòng)。2.不管輸入多大電壓，檢測出來的值，mV級始終在波動(dòng)。只不過大于30mV的信號波動(dòng)始終在2%誤差范圍內(nèi)。分析：后級積分電路R、C取值分別為910K、10uF，截止頻率達(dá)到0.017Hz。上面問題說明積分之后的信號中還含有一部分低頻噪聲。主要原因：未加高通濾波器音頻噪聲的頻域波形觀察頻域波形可以發(fā)現(xiàn)，噪聲主要集中在0~20KHz的頻率范圍內(nèi)。從理論上來說只需要加入一個(gè)高通濾波器就可以了，高頻噪聲就交給后級的積分電路了。但引入高通濾波器必然會(huì)引起較大的相位變化，相位的變化將嚴(yán)重影響信號的同步。常用的相位處理方法：

移相、補(bǔ)償、矢量正交等。下面我們針對矢量正交法進(jìn)行詳細(xì)的講解。更為理想的方案：正交矢量型鎖相放大器（自由軸法）結(jié)構(gòu)示意圖：其中為待測正弦信號，，為正交的單位方波。

矢量正交圖：MATLAB軟件仿真波形用正交矢量型鎖相放大器就不用考慮待測信號的相位是否與參考信號的相位一致，這樣就可以在待測信號回路中加高通濾波器，濾掉低頻段的噪聲，可以大大改善信噪比。我們查找了一些集成的鎖相放大器芯片，發(fā)現(xiàn)ADI公司的AD630能夠檢測出信噪比在100dB以內(nèi)的弱信號。采用該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)更小的信號檢測?？偨Y(jié)：我們完成了題目的基本要求和大部分發(fā)揮要求，但是目前還存在很多問題，作品