微弱信号的电子检测电路设计的研究[1]

２００７年第１期（总第６期）２００７Ｎｏ．１（ＳｅｒｉａｌＮｏ．６）英才高职论坛ＴｈｅＦｏｒｕｍｏｆＹｉｎｇｃａｉＨｉｇｈｅｒＶｏｃａｔｉｏｎａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎ微弱信号的电子检测电路设计的研究王蕴珊（山东英才职业技术学院计算机电子信息工程学院，山东济南２５０１０４）摘要：为了将淹没在低频噪声中的微弱信号提取出来，要求检测电路有很高的灵敏度和分辨率，本文设计了一种实用的锁定放大电路，并进行了实验性研究。

研究结果表明：采用了锁定放大电路ＤＣ微小电流传感器可直接测量微小电流。

所设计的检测电路不仅能测量周期信号，还能测量非周期信号。

关键词：微弱信号；电路；非接触式在生产、科研、电子测量过程中，常需要将淹没在低频噪声中的微弱信号提取出来。

微弱信号检测（ＷｅａｋＳｉｇｎａｌＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）是一门新兴的技术学科，应用范围遍及光、电、磁、声、医学、激光、材料等领域。

其仪器已成为现代科学研究中不可缺少的设备。

微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。

微弱信号检测电路的目的就是从强噪声中提取有用信号［１－３］，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。

锁定放大电路利用相关检测技术，基于互相关原理，使输入待测的微弱周期信号与频率相同的参考信号在相关器中实现互相关，从而将深埋在大量的非相关噪声中的微弱有用信号检测出来，起着检测器和窄带滤波的双重作用。

１．微弱信号检测的原理从信噪比改善来简单地论述一下微弱信号检测的原理［４］。

信噪比改善的定义为：ＳＮＩＲ＝输出功率信噪比／输入功率信噪比。

现在以输入系统的噪声为白噪声（电阻噪声）时来讨论ＳＮＩＲ的表达式。

在图１中设信号处理系统的输入信号电压和输出信号电压分别为Ｖｓｉ和Ｖｓｏ，输入噪声为带宽白噪声，其噪声带宽为Ｂｉ，噪声功率谱密度为Ｓｎｉ，则输入噪声的均方值为，若系统的电压增益为ＫＶ（ｆ），系统的噪声等效带宽为Ｂｅ，则输出噪声的均方值为：其中，于是可得到系统的ＳＮＩＲ为：ＳＮＩＲ＝由上式可以看到，信号处理系统的信噪比改善等于输入（白）噪声带宽与系统的噪声等效带宽之比。

因此，减少系统的噪声等效宽度便可以提高系统的输出信噪比。

对于信噪比小于１的被噪声淹没的信号，只要信号处理系统的噪声等效带宽做得很小，就可以将信号（或信号携带的信息）从噪声中提取出来，这就是通常的微弱信号检测的指导思想之一。

２．微弱信号的检测相关检测技术是应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声，检测出信号的一种技术。

由于信号和噪声是相互独立的过程，根据相关函数和互相关函数的定义，信号只与信号本身相关，与噪声不相关。

而噪声之间一般也不相关。

锁定放大电路检测微弱信号采用了互相关原理，利用参考信号与输入的有用信号具有相关性，而参考信号与噪声互不相关，通过相敏检波及低通滤波完成互相关运算，从而达到抑制噪声的目的。

互相关原理图如图２所示：设输入信号式中：为有用的输入信号，为噪声。

参考信号，则二者的互相关函数为：ÁÁÁB S V •=∫∫+∞+∞••===02220)()(v e ni v ni v ni n K B S df f K S df f K S V ÁÂÁV V K /=ÁÂÁÃÂÄÂÃÂÄÃÂÂÃB B B S K B S K V V V V //)//()/(ÁÁÁÁ==)()()(11t n t s t f +=)(1t s )(t n )()(22t s t f =)()()()()(21lim)()(21lim)()(21lim)(ÁÁÁÁÁÁÁτττττττÁÁÂÁÁÁR R R dt t n t n T dt t s t s Tdt t f t f T R =+=−+−=−=∫∫∫−∞→Γ−∞→Γ−∞→Γ＊收稿日期：２００７－０１－１３作者简介：王蕴珊（１９４８－），男，山东英才职业技术学院计算机电子信息工程学院副院长，教授。

图１ＳＮＩＲ的示意图图２互相关原理图４９由于参考信号与噪声不相关，当τ→＋∞时，，因此，互相关接收的只有输入信号与参考信号的相关输出，去掉了噪声项，提高了输出信噪比［５］。

互相关函数关键是两函数相乘，即ｓ１（ｔ）×ｓ２（ｔ），通常可用锁定放大电路中的相敏检波器来完成。

相敏检波器相当于模拟乘法器，其输出是输入信号和参考信号的乘积。

在锁定放大器中，参考信号只能是和待测信号同步的方波。

设实验研究用的非接触式ＤＣ微小传感器的输出信号为带噪声的调幅正弦波。

（２）式中：为调制频率；为载波频率；为幅值；为噪声。

参考信号的傅氏级数表示式为：（３）（３）式中：为方波的幅值；ｋ＝０，１，２，…；为方波基波频率，相敏检波器的输出为：（４）从式（４）可以看出，相敏检波器的输出项的最后项为零，前４项包含了信号频率与全部方波基频的奇次谐波的和频与差频的大量谐波分量。

在同步的情况下，相敏检波器的谐波响应与谐波数（２ｋ＋１）成反比，当输入信号的载波频率与参考信号频率的基波相等，即。

信号通道由ＡＣ前置放大电路、带通滤波电路及选频放大电路组成。

其作用是将伴有噪声的输入信号放大，并经选频放大对噪声作初步处理．参考通道由方波发生电路和移相电路组成，其作用是提供一个与输入信号同相的方波，调整移相电路使参考信号与有用信号相位一致，从而信噪比改善为最佳［６］。

相敏检波的作用是对输入信号和参考信号完成乘法运算，得到二者的和频与差频的谐波信号，经过低通滤波器滤掉高次谐波和高频信号成分，这时的等效噪声带宽很窄，从而可以提取深埋在噪声中的微弱信号。

精密交直流转换时，分出ｋ＝０次项。

由于载波频率远大于被检测信号的频率，在相敏检波器的输出端接一个低通滤波器ＬＰＦ，可滤掉高次谐波成分和前两项，其输出电压为调制信号。

３．检测电路的设计根据锁定放大电路的工作原理设计电路．锁定放大器可分为３个主要部分：信号通道、参考通道、相敏检波及低通滤波器ＬＰＦ，其框图如图２。

电路将低通滤波器输出的交流信号转换为直流电压，便于测量和与计算机接口。

根据检测放大电路的工作原理及组成，针对非接触式基于多磁场涡流效应的ＤＣ微小电流传感器［２］，设计了相应的测量电路，并进行了实验性研究．该传感器的测量电路方框图如图３所示。

正弦波发生电路采用高稳定性的ＲＣ振荡电路［７］，它们产生的调制信号ｆｍ和载波信号ｆ０同时加在模拟乘法器ＭＣ１４９６的输入端，该乘法器输出的调幅波电流信号经功率放大器ＴＤＡ２０３０放大后直接加在非接触式基于多磁场涡流效应ＤＣ微小电流传感器的激励绕组上。

选择载波频率ｆ０＝３９１０Ｈｚ，调制频率ｆｍ＝３９１Ｈｚ。

传感器的输出为如式（２）所示带噪声调幅波。

调制信号的幅值与被测ＤＣ微小电流存在正比例的关系，只要检测出被调制信号的幅值，便可得到被测的ＤＣ微小电流大小，从而达到测量的目的。

前置放大器选择高精度自稳零斩波集成运算放大器ＩＣＬ７６５０，其共模抑制比、电压抑制比、上升速度和开环增益均很高，外接元件少，使用较灵活，适宜对微弱信号进行放大。

晶振和分频电路采用２Ｍ石英晶振与分频器ＣＣ４０２０，产生方波信号，如式（３）所示，方波频率为７８１２ｋＨｚ，与载波频率相等。

０°－１８０°的移相电路使方波信号可在１８０°的范围内改变相位，与调幅波同相，使输出信噪比最大。

相敏检波器采用高精度同步解调器ＡＤ６３０。

ＡＤ６３０相当于一个模拟乘法器，将传感器的输出电压和参考的方波电压相乘，适用于从含有干扰噪声的调幅波中精密检出被调制的信号。

ＡＤ６３０的输出电压如式（４）。

精密交－直流转换电路由全波整流电路和滤波电容组成，其作用是将低通滤波器输出的交流信号转换为直流信号，既便于用高精度的数字万用表进行直接测量，也便于对微弱信号的智能化测量。

４．实验结果及分析表１是将上述电路应用到非接触式基于多磁场涡流效应的ＤＣ微小电流传感器上进行实验性研究所得到的实验结果。

实验结果表明：该传感器的灵敏度可达２０ｍＶ／ｍＡ，精度为０．０５％。

由此可见，这是一种高精度、实用的检测放大电路。

表１检测电路的实验结果５．结论随着技术的发展，应用范围的拓宽，微弱信号检测的理论在不断更新，方法在不断改进和增多。

锁定放大电路具有0)(=τÁR )()cos()cos(cos cos )(ÁÂÁÂÁt n t E t E t t E t V ÁÂÂÂÂ++++==ωωωωωω])12cos[(1214Át k k E V Áωπ++=∑∞=ωωE )(t n E 1ω)(])12cos[()12(4))12(cos()12())12(cos()12())12(cos()12())12(cos()12(ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁt n t k k E t k k E E tk k E E tk k E E tk k E E V V V ÁÂÁÃÂÁÃÂÁÃÂÁÃÂÂ∑∑∑∑∑∞=∞=∞=∞=∞=++++−−++++−+++−+++++++==ωπωωωπωωωπωωωπωωωπ),(00m m ωωωω−+1ωÁωω=0ωm ωÁV 被测微小电流（ｍＡ）检测电路输出电压（ｍＶ）１２０．１２３６２．５０５１００．３０图３检测电路框图５０极强的抗噪声性能，它和一般的交流放大电路不同，输出的信号并不是对待测信号的简单放大，而是把待测信号中与参考信号同步的那部分信号放大检测出来，并变成相应的直流信号。

该电路主要用来测量周期性电压或电流信号，对于非周期性的电压或电流信号，可通过调制方法将其调制成周期信号再进行测量。

该电路还适用于其他一些微弱信号传感器。

参考文献：［１］曾庆勇．微弱信号检测［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，１９９４．４７－１０５２．［２］唐洪宾．同步积分器－噪声中提取微弱信号的一种方法［Ｊ］．南京：南京大学学报（自然科学版），１９７９，（１）．［３］陈佳圭．微弱信号检测［Ｍ］．北京：中央广播电视大学出版社，１９８７．［４］秦积荣．光电检测原理及应用（上册）［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８５．［５］刘红丽，李昌禧．一种测量微弱信号的锁定放大电路设计［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００２，５（２６）：６１９－６２１．［６］刘红丽．一种非接触式ＤＣ微小电流传感器的研究［Ｊ］．武汉交通科技大学学报，１９９８，２２（３）：２９８－３００．［７］李瑞麟．高稳定性的ＲＣ振荡电路［Ｊ］．电测与仪表，１９９２，（９）：３７－３８．ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｅａｓｕｒｉｎｇＣｉｒｃｕｉｔｏｆＷｅａｋＳｉｇｎａｌＷＡＮＧＹｕｎｓｈａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＹｉｎｇｃａｉＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎａｎ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２５０１０４）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｄｒａｗｏｕｔｔｈｅｆａｉｎｔｓｉｇｎａｌｆｌｏｏｄｅｄｉｎｔｈｅｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｎｏｉｓｅ，ｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｒａｔｉｏａｒｅｄｅｍａｎｄｅｄｉｎｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｋｉｎｄｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌｌｏｃｋｉｎｇｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｓｏｍｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｅｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｎ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｍａｌｌｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔｃａｎｂｅｍｅａｓｕｒｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅｌｏｃｋｅｄＤＣｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｅｄｃａｎｍｅａｓｕｒｅｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｃｙｃｌｅｓｉｇｍａｌ，ｂｕｔａｌｓｏｔｈｅｎｏｎ－ｐｅｒｉｏｄｉｃｓｉｇｎａｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅａｋｓｉｇｎａｌ；ｌｏｃｋ－ｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔｔｙｐｅ制策略检验的作法，而由短时间内ＡＧＣ控制的结果难以得到有说服力的结论，长时间范围内控制策略上的差异不容易得到充分反映。