簡(jiǎn)易微弱信號(hào)檢測(cè)裝置題目方案分析

微弱信號(hào)檢測(cè)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(hào)檢測(cè)裝置，用以檢測(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，并數(shù)字顯示出該幅度值。為便于測(cè)評(píng)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(hào)源可以由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來(lái)代替。噪聲源采用給定的標(biāo)準(zhǔn)噪聲（wav文件）來(lái)產(chǎn)生，通過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)播放器的音量來(lái)進(jìn)行控制。圖中A、B、C、D和E分別為五個(gè)測(cè)試端點(diǎn)。微弱信號(hào)檢測(cè)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(hào)檢測(cè)電路的輸入阻抗Ri≥1M。（3）當(dāng)輸入正弦波信號(hào)VS的頻率為1kHz、幅度峰峰值在200mV~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(guò)5%。2.發(fā)揮部分要求

（1）當(dāng)輸入正弦波信號(hào)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(guò)5%。（2）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(guò)5%。（3）進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，使檢測(cè)誤差不超過(guò)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(hào)，實(shí)際上是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)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(hào)的平均功率。要實(shí)現(xiàn)兩路模擬信號(hào)相乘，就必須使用模擬乘法器。而模擬乘法器在市場(chǎng)上比較少，很難獲得。為了降低對(duì)乘法器的要求，我們將一路信號(hào)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(méi)有乘法器芯片，我們采用了低成本的電子開(kāi)關(guān)(二選一)來(lái)構(gòu)成這個(gè)乘法器。噪聲與待測(cè)信號(hào)的混合信號(hào)分成兩路，一路同相跟一路反向，用方波來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)，進(jìn)行相位選擇，從而實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)與方波信號(hào)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(hào)幅值較小時(shí)，乘法器實(shí)際輸出波形測(cè)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(wèn)題：1.輸入信號(hào)峰值小于30mV時(shí)，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量，不管你輸入如何變化，檢測(cè)出來(lái)的值始終在25mV上下波動(dòng)。2.不管輸入多大電壓，檢測(cè)出來(lái)的值，mV級(jí)始終在波動(dòng)。只不過(guò)大于30mV的信號(hào)波動(dòng)始終在2%誤差范圍內(nèi)。分析：后級(jí)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(wèn)題說(shuō)明積分之后的信號(hào)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(lái)說(shuō)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(jí)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(hào)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(duì)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(cè)正弦信號(hào)，，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(cè)信號(hào)的相位是否與參考信號(hào)的相位一致，這樣就可以在待測(cè)信號(hào)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(cè)出信噪比在100dB以內(nèi)的弱信號(hào)。采用該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)更小的信號(hào)檢測(cè)。總結(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(wèn)題，作品