微弱信号检测装置(实验报告)
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计
微弱信号检测在许多领域都有着重要的应用，比如无线通信、生物医学、天文测量等。设计一种高效的微弱信号检测装置对于提高信号检测的灵敏度和准确性至关重要。本文将
从硬件设计和信号处理两个方面对微弱信号检测装置进行浅析。
一、硬件设计
1. 低噪声放大器
在微弱信号检测装置中，低噪声放大器是至关重要的组件。由于微弱信号本身具有较
低的能量，因此在信号放大的过程中，放大器的噪声也会对信号检测产生较大的影响。低
噪声放大器可以有效地抑制噪声，并且提高信噪比，从而更好地检测微弱信号。在设计低
噪声放大器时，需要考虑放大器的增益、带宽、输入输出阻抗等参数，同时在电路设计上
采用低噪声元件和优化的布局方式，以尽量减小放大器本身的噪声。
2. 滤波器
在微弱信号检测中，滤波器起着至关重要的作用。由于环境中可能存在各种干扰信号，比如电磁干扰、交流干扰等，因此需要采用滤波器来剔除这些干扰信号，保留下需要检测
的微弱信号。常见的滤波器包括低通滤波器、带通滤波器等，通过合理设计滤波器的参数
和特性，可以有效地滤除不需要的频率成分，提高信号的纯净度。
3. 高精度模拟数字转换器（ADC）
在微弱信号检测装置中，通常需要将模拟信号转换为数字信号进行后续处理。高精度
的模拟数字转换器是必不可少的组件。高精度ADC可以有效地保持信号的原始信息，并且
提高信号的采样精度和分辨率，从而更好地还原微弱信号的细节和特征。
4. 高灵敏度探测器
高灵敏度的探测器对于微弱信号的检测非常重要。在无线通信中，微弱的无线信号可
能需要通过天线进行接收，因此天线的灵敏度直接影响信号的接收效果。在生物医学领域，微弱的生物信号需要通过生物传感器进行检测，因此生物传感器的灵敏度非常重要。在设
微弱信号检测实验报告
软正交矢量型LIA 在微弱信号检测中的应用
摘要：本文利用软件相移技术得到相互正交的参考正弦波信号；通过互相关算法，完成了软正交矢量型LIA 相关器的具体实现；利用该方法实现了对微弱信号幅值和相位的检测，有效地抑制干扰，减少了硬件电路成本。通过Matlab 仿真，验证了该算法具有一定的优越性。 关键词：软件相移；正交；互相关
一、互相关原理
设混有随机噪声的信号：
()()()sin()()s t x t n t A t n t ωθϕ=+=+++
其中：()x t 为有用信号且其重复周期或频率已知，()n t 为随机噪声信号；
参考信号为：
()sin()y t B t ωθ=+，'()cos()y t B t ωθ=+
且()y t 和'()y t 相位差为90︒。
则有：
011
(0)()()d cos()2T xy R s t y t t AB T ϕ=
=⎰ （1） 2011
(0)()()d 2T yy R y t y t t B T ==⎰ （2）
''011
(0)()()d sin()2T xy R s t y t t AB T ϕ==⎰ （3）
求解式(1)式(2)和式(3)可以得到：
B = （4）
'(0)arctan
(0)
yy sy R R ϕ= （5）
2(0)cos()
sy R A B ϕ=
（6）
由上可见，利用互相关原理可以测得被测信号的幅值和相位。同时，因为信
号要经过A/D 采集卡才能存储到计算机中，所以得到的是检测信号序列()s k 和参考序列()y k ，即将上述互相关运算公式离散化，得：
微弱信号检测装置(实验报告)剖析
2012年TI杯四川省大学生电子设计竞赛
微弱信号检测装置（A题）
【本科组】
微弱信号检测装置（A题）
【本科组】
摘要：本设计是在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，采用TI公司提供的LaunchPad MSP430G2553作为系统的数据采集芯片，实现微弱信号的检测并显示正弦信号的幅度值的功能。电路分为加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路、以及数码管显示电路组成。当所要检测到的微弱信号在强噪音环境下，系统同时接收到函数信号发生器产生的正弦信号模拟微弱信号和PC机音频播放器模拟的强噪声，送到音频放大器INA2134，让两个信号相加。再通过由电位器与固定电阻构成的纯电阻分压网络使其衰减系数可调（100倍以上），将衰减后的微弱信号通过微弱信号检测电路，检测电路能实现高输入阻抗、放大、带通滤波以及小信号峰值检测，检测到的电压峰值模拟信号送到MSP430G2553内部的10位AD 转换处理后在数码管上显示出来。本设计的优点在于超低功耗
关键词：微弱信号MSP430G2553 INA2134
一系统方案设计、比较与论证
根据本设计的要求，要完成微弱正弦信号的检测并显示幅度值，输入阻抗达到1MΩ以上，通频带在500Hz~2KHz。为实现此功能，本设计提出的方案如下图所示。其中图1是系统设计总流程图，图2是微弱信号检测电路子流程图。
图1系统设计总流程图
图2微弱信号检测电路子流程图
1 加法器设计的选择
方案一：采用通用的同相/反相加法器。通用的加法器外接较多的电阻，运算繁琐复杂，并且不一定能达到带宽大于1MHz，所以放弃此种方案。
微弱信号检测
微弱信号检测电路实验报告
课程名称：微弱信号检测电路
专业名称：电子与通信工程＿＿＿年级：＿＿＿＿＿＿＿
学生姓名：＿＿＿＿＿＿
学号：＿＿＿＿＿
任课教师：＿＿＿＿＿＿＿
微弱信号检测装置
摘要:本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下，识别出已知频率的微弱正弦波信号，并将其放大。该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路组成.其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路完成微小信号的检测.本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过比较器产生方波去驱动开关乘法器CD4066,最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号。经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。
关键词：微弱信号检测锁相放大器相敏检测强噪声
1系统设计
1.1设计要求
设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。整个系统的示意图如图1所示。正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC 机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。图中A、B、C、D和E分别为五个测试端点.
图1 微弱信号检测装置示意
(1）基本要求
①噪声源输出V N的均方根电压值固定为1V±0。1V；加法器的输出V C =V S+V N，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。
②微弱信号检测电路的输入阻抗R i≥1 MΩ。
③当输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz、幅度峰峰值在200mV ~ 2V范围内时,检测并显示正弦波信号的幅度值,要求误差不超过5%。
微弱信号检测装置(A题)
TI杯电子设计大赛
微弱信号检测装置（A题）
【设计报告】
本科组
摘要
微弱信号是相对于背景噪声而言的，其信号幅度的绝对值很小、信噪比很低的一类信号。微弱信号检测是一门新兴的技术学科它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。
本系统为基于MSP430G2553的一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。它能精确测量电压的频率范围500Hz～2KHz，电压范围20mV～2V。以模拟电路为主，配合加法器模块、降压模块、放大模块、滤波模块、锁相环模块、移相电路、、模块、乘法器模块、有效值转换模块（AD637）、A/D转化模块、显示模块；通过MSP430单片机进行数据处理，在误差允许范围内通过NOKIA_5110显示测量的幅度值。
通过调试与测量检测电路具有高输入阻抗（输入阻抗≥1MΩ）；加法器的输出VC =VS+VN，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100；宽电压范围（200mV～2V）,高精度（电压测量误差±5%的优越性能。可满足多方位的需要。完成了题目的基本部分和全部发挥部分的要求并有自己的创新。关键字：MSP430G2553单片机；高精度；微弱信号检测
目录
1系统方案 (1)
1.1 有效值测量模块的论证与选择 (1)
1.2显示模块的论证与选择 (1)
1.3模拟乘法器的设计方案论证与选择 (2)
2系统理论分析与计算 (2)
2.1 有效值转换的分析 (2)
微弱信号检测装置.
微弱信号检测装置
摘要：
本设计以TI的Launch Pad为核心板，采用锁相放大技术设计并制作了一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率微弱正弦波信号的幅度值，并在液晶屏上数字显示出所测信号相应的幅度值。实验结果显示其抗干扰能力强，测量精度高。
关键词：强噪声；微弱信号；锁相放大；Launch Pad
Abstract:
This design is based on the Launch Pad of TI core board, using a lock-in amplifier technique designed and produced a weak signal detection device, to measure the known frequency sine wave signal amplitude values of the weak in the high noise background, and shows the measured signal amplitude of the corresponding value in the liquid crystal screen. Test results showed that it has high accuracy and strong anti-jamming capability.
Keywords: weak signal detection; lock-in-amplifier; Launch Pad
微弱信号检测技术
微弱信号检测技术
科学技术发展到现阶段，极端条件下的物理实验已成为深化认识自然的重要手段．这些实验中要测量的物理量往往都是一些非常弱的量，如弱光、弱磁、弱声、微小位移、徽温差、微电导及微弱振动等等。由于这些微弱的物理量一般都是通过各种传感器进行电量转换．使检测的弱物理量变换成电学量。但由于弱物理量本身的涨落、传感器的本底和测量仪器的噪声的影响，被测的有用的电信号往往是淹没在数千倍甚至数十万倍的噪声中的微弱信号．为了要得到这一有用的微弱电信号，就产生了微弱信号检测技术。因此．微弱信号检测技术是一种与噪声作斗争的技术．它利用了物理学、电子学和信息论的方法．分析噪声的原因和规律．研究信号的特征及相关性．采用必要的手段和方法将淹没在噪声中有用的微弱信号检测出来．目前．微弱信号检测主要有以下几种方法：‘
1、相干检测
相干检测是频域信号的窄带化处理方法．是一种积分过程的相关测量．它利用信号和外加参考信号的相干特性，而这种特性是随机噪声所不具备的，典型的仪器是以相敏检波器(PSD)为核心的锁相放大器。
2、重复信号的时域平均
这种方法适用于信号波形的恢复测量。利用取样技术．在重复信号出现的期间取样．并重复n次，则测量结果的信噪比可改善n倍。代表性的仪器有Boccar 平均器或称同步(取样)积分器，这类仪器取样效率低，不利低重复率的信号的恢复．随着微型计算机的应用发展．出现了信号多点数字平均技术，可最大限度地抑制噪声和节约时间，并能完成多种模式的平均功能．
3、离散信号的统计处理
在微弱光检测中，由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号的特征．使得利用离散信息处理方法检测微弱光信号成为可能。微弱光检测又分为单道(Single-Channel)和多道(MuIti．-Channel)两类。前者是以具有单电子峰的光电倍增管作传感器，采用脉冲甄别和计数技术的光子计数器；后者是用光导摄象管或光电二极管列阵等多路转换器件作传感嚣．采用多道技术的光学多道分析器(OMA)。OMA具有时间分辨能力，这为动力学过程的研究创造了条件．
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计
微弱信号检测装置是指在环境噪声干扰下，检测并提取出微弱信号的设备。微弱信号的检测在很多领域都有应用，比如医学诊断、环境监测、地震预警等。本文将从信号源、传感器、信号处理以及噪声抑制等方面对微弱信号检测装置的设计进行浅析。
一、信号源
微弱信号的来源非常广泛，可以是生物体内的脉冲信号、地面的微震信号、气体的微弱放电信号等。因此，在设计微弱信号检测装置时，需要根据实际的信号源选取相应的传感器和信号采集器。
二、传感器
选择合适的传感器是微弱信号检测装置设计的第一步。传感器的灵敏度和频率响应是影响检测精度的重要因素。为了检测微弱信号，需要使用灵敏度较高的传感器，比如震动传感器、压电传感器等。此外，传感器的电路设计也非常重要，要尽可能降低传感器自身噪声的影响，保障信号的良好转换。
三、信号处理
对于采集到的微弱信号，需要进行一系列的信号处理，以提高信噪比，减小误差。首先，采用差分放大器，可以排除掉传感器、前级电路产生的共模噪声。另外，在信号放大之前，要进行低通滤波。此外，锁相放大器也是常用的信号处理方法，它可以消除高频噪声和低频漂移，提高信号的稳定性和准确性。
四、噪声抑制
环境噪声对微弱信号的检测非常不利，因此，在微弱信号检测装置设计过程中，噪声抑制也是非常重要的一步。首先，要选择合适的工作环境，尽量远离噪声源。其次，在电路设计时，要采取一系列噪声抑制措施，比如加装屏蔽罩、使用低噪声元器件等，以降低噪声引入的影响。最后，信号采集的时间也非常重要，要尽可能避开环境噪声较高的时间段。
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计
微弱信号检测是许多科学领域和工程领域中的一个重要技术挑战，包括无线通信、雷达、医学诊断和科学研究等领域。微弱信号检测装置是用来检测和测量微弱信号的设备，
它需要具备高灵敏度、低噪声和高分辨率等特性。本文将对微弱信号检测装置的设计原理
和关键技术进行分析和探讨。
一、微弱信号检测装置的原理
微弱信号检测装置的设计原理主要是利用信号放大和滤波技术来增强微弱信号的强度，并通过噪声抑制技术来提高信噪比。一般来说，微弱信号检测装置包括前置放大器、滤波器、增益控制器和信号处理器等部件。
前置放大器是用来放大输入信号的强度，增加信号与噪声的差异，从而提高信噪比。
前置放大器的设计需要考虑到信号的频率范围、输入阻抗和放大倍数等参数。滤波器则是
用来去除输入信号中的杂散噪声和干扰信号，通常采用低通滤波器或带通滤波器来限制输
入信号的频率范围。增益控制器可以根据输入信号的强度来调节放大倍数，以避免过大的
信号被过度放大而导致失真。信号处理器则用来处理放大后的信号，包括采样、滤波、数
字转换和数据分析等功能。
1. 低噪声放大器设计
低噪声放大器是微弱信号检测装置中的关键部件，它需要具备高增益和低噪声的特性。要设计一款低噪声放大器，需要考虑到放大器的噪声系数、输入电阻、输出阻抗和带宽等
参数。通常采用低噪声场效应管和双极晶体管来设计低噪声放大器，同时采用差分放大电
路来提高信噪比。还需要考虑到放大器的线性度和稳定性，以确保信号在放大过程中不会
失真和漂移。
2. 信号滤波技术
信号滤波技术是微弱信号检测装置中的另一个关键技术，它用来去除输入信号中的杂
《微弱信号检测》实验教学大纲
《微弱信号检测》实验教学大纲
实验类别：课内实验实验课程名称：微弱信号检测实验室名称：微纳器件与测试实验室实验课程编号：06060409
实验学时：8
适用专业：微电子学、电子科学与技术
先修课程：模拟电子技术、数字电子技术
一、实验在教学培养计划中的地位、作用
本实验课程是微弱信号检测的补充，可以使学生在学习掌握微弱信号检测基础上，通过本课程的学习，使学生对微弱信号的特点有一定的了解和认识，学习微机电器件信号拾取原理，掌握微弱信号的提取方法及其技术。在此基础上，掌握微弱信号检测方法与检测电路的设计方法，提高学生的实际动手能力和设计能力。
二、实验的内容、基本要求
实验一利用C F变换原理的微电容检测（2学时）
内容：
1、测量微电容的容值。
2、熟悉微小差分电容的检测电路、示波器、电源、万用表。
3、利用微小差分电容的检测电路测试微电容的容值。
基本要求：
1、学会微电容检测方法
2、掌握微电容的测试与检测方法
实验二压阻式力学传感器微弱信号检测（2学时）
内容：
1、惠斯通电桥放大电路连接，调平电桥。
2、利用振动台激励压阻式加速度传感器，同时测试其输出信号。
基本要求：
1、掌握电桥工作原理及应用
2、学习压阻式力学传感器检测电路
实验三压电式加速度传感器检测电路（2学时）
内容：
1、电荷放大电路连接。
2、利用振动台激励压电式加速度传感器，同时测试其输出信号。
基本要求：
1、掌握电荷放大器的工作原理
2、学习压电式加速度传感器的检测电路
实验四 A-V转换的隧道式检测电路（2学时）
内容：
1、A-V转换电路电路连接。
2、利用高精度万用表测试隧道式式加速度传感器输出电流。
微弱信号检测——实验一
实验一
相关器的特性研究
一、实验目的：
(1) 了解相关器的原理
(2) 测量相关器的输出特性
(3) 测量相关器的抑制干扰能力和抑制白噪声能力
二、基本原理：
相关器由相敏检波器与低通滤波器组成，是锁定放大器的核心部件。锁定放大器中的相关器，通常采用图1所示的形式，由一个开关式乘法器与低通滤器组成。
)
sin(ϕω+=t v V A A )
sin(ϕω+=t v V A A )3sin 1(sin 4 ++=t t V ωω
相乘电路不是采用模拟乘法器，而是采用开关电路。参考信号V B可以认为是以频率ωR的单位幅度方波。V A为输入信号，表示为
V A=V A sin(ωt+φ)，当ω= ωR为信号，ω≠ ωR 时为噪声或干扰。V A、V B之间的相位差φ可以由锁定放大器参考通道的相移电路调节，求得图1中V1和Vo为：V1=V A V B
当ω= ωR时。图1各点的波形如图2所示(注：图1中低通滤波器为反相输入，因此，输出直流电压与V1反号，图2中为了更直观起见，画的低通滤波器不倒相。V0与V1中的直流分量同号)。
对(2)式讨论有下列结论：
输出直流电压与相位φ成cos φ关系。(图2中给出了0、90、180、270、V A、V B、V1、V0波形图)。
C．奇次谐波能通过并抑制偶次谐波，传输函数和方波的频谱一样，说明相关器是以参考信号频率为参数的方
波匹配滤波器。因此，能在噪声中或干扰中检测和参考
信号频率相同的方波或正弦波信号。输出V0与f／f R响应
曲线如图3所示。曲线表明在f R的各奇次谐波的向应为基波的1/(2n+1)离开奇次谐波频率很快衰减，形成Q值很高的带通滤波器。
南开大学 近物实验9-9 微弱信号检测
BREAD PPT DESIGN
实验方案与结果
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实验方案与结果
3、调节输出频率为3.067kHZ，置同 步积分器交流放大倍数×10，时间常数置 0.1s。宽带相移器输入由1/n分频送给，将 多功能信号源功能“选择”置分频，置分 频数为1至5。加法器输出（即同步积分器 的输入）信号由Y1观察波形，同步积分器
加求平均，改善了信噪比。
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实验原理
（6）锁相放大器 锁相放大器是利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪， 是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子仪器。其采用互 相接收技术，锁定了信号的频率和相位，而噪声因其频率和相位是 随机量而被衰减，将仪器一直噪声的性能提高了几个数量级。 下图为美国生产的7265DSP锁相放大器的原理图。
大器出现过载。
动态存储=20log (OVL/FS)(dB) 输出动态范围表示仪器能检测的最小相干信号峰值电平为满刻 度读数相干信号峰值电平的多少分之一，反映仪器的内部噪声特性： 输出动态范围=20log(FS/MDS)(dB)
BREAD PPT DESIGN
实验方案与结果
一、相关器及其主要参数测量 1、调节信号源输出频率为1kHz左右，接交流电压表，调节输 出电压至100mV，置相关器直流放大倍数×10，交流放大倍数×1。 调节宽带相移器观察PSD输出波形。
2012TI电子设计大赛——微弱信号检测装置(A题)doc
微弱信号检测装置
四川理工学院刘鹏飞、梁天德、曾学明
摘要：
本设计以TI的Launch Pad为核心板，采用锁相放大技术设计并制作了一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率微弱正弦波信号的幅度值，并在液晶屏上数字显示出所测信号相应的幅度值。实验结果显示其抗干扰能力强，测量精度高。
关键词：强噪声；微弱信号；锁相放大；Launch Pad
Abstract:
This design is based on the Launch Pad of TI core board, using a lock-in amplifier technique designed and produced a weak signal detection device, to measure the known frequency sine wave signal amplitude values of the weak in the high noise background, and shows the measured signal amplitude of the corresponding value in the liquid crystal screen. Test results showed that it has high accuracy and strong anti-jamming capability.
Keywords: weak signal detection; lock-in-amplifier; Launch Pad
微弱信号检测报告书
2012年四川省大学生电子设计TI杯竞赛
设计报告
制作题目：微弱信号检测装置（A题）作者：
日期：
本装置是基于超外差原理对微弱信号进行幅值检测，主要由PGA，低通滤波器，DDS，带通滤波器，高精度A/D，恒增益运算放大器，峰值检波，MSP430-Launchpad组成。其中，由恒增益放大器与单片机进行第一次检测判断并控制PGA放大倍数，再将PGA产生信号与DDS信号进行混频，经带通滤波器后，由峰值检波检测峰值，交由A/D 检测，并由单片机显示结果。
关键词：超外差；微弱信号；幅值检测
Abstract
This device detected the weak signal amplitude based on the superheterodyne principle.It is formed mainly of the PGA,low-pass filter,DDS,band-pass filter,high-precision A/D,fixed-gain operational amplifier peak detector and MSP430-Launchpad.During this prosession,the MCU and fixed-gain operational amplifier detected the signal amplitude at first and determine the magnification of PGA.Next,the signal witch is produced by the mixing of the signal which are formed of DDS and the output of PGA.And,the mixed signal whitch has been dealed byband-pass filter is detected by peak detector to got the number of the st,the MCU display the peak by the detection of A/D.
北航微弱信号处理实验报告
实验 锁相放大器基本使用
1实验目的
通过本实验加深对相关检测原理以及锁相放大器基本组成的认识，掌握锁相放大器的正确使用方法和在检波上的应用。
2 实验原理
2.1 锁相放大器的基本结构
锁相放大器的基本结构如图：
图1 锁相放大器结构图
2.2 锁相放大器信号处理过程
调制过程对信号频谱进行迁移，到0ω处；然后选频放大，放大信号的同时不放大1/f 噪声和低频漂移；相敏检波器(PSD)将频谱迁移到直流(ω=0)；用LPF 滤波。
直流输出
信号输入
参考信号输入
相关器
图2 调制示意图和PSD示意图
锁相放大器基本原理框图如下所示：
参考输入
图3 锁相放大器基本原理框图
其中，各名词释义如下：
信号通道：调制信号交流放大，输入阻抗与输出阻抗匹配；
参考通道：对参考输入放大或衰减，满足PSD的需要；对参考输入进行移相，使不同相移信号的检测结果最佳；
相敏检测：实现频谱迁移，鉴幅鉴相；
低通滤波：保证系统具有较大的SNIR。
3 实验器材
双通道信号发生器、可编程滤波器、锁相放大器、示波器、光纤陀螺
4 实验步骤
4.1微弱信号检测实验
（1）运用双通道信号发生器产生信号和噪声并合成，其中信号为正弦波，频率40kHz，幅度为50mV；噪声为白噪声，幅度为10V。用示波器观察信号，看能否分辨正弦信号。
（2）运用带通、低通滤波器提高该信号的信噪比，并用示波器观察滤波后的信号能否分辨出正弦信号。
（3）运用锁相放大器对微弱正弦信号进行检测，从信号发生器输出与正弦信号同频同相的方波作为锁相放大器的参考信号，从而检测正弦信号的幅度。
4.2 陀螺仪微弱信号检测实验
微弱信号检测装置(国科大电子电路大作业)
目录
摘要 (1)
Abstract (1)
第一章绪论 (2)
1.1 微弱信号检测技术概述 (2)
1.2 信号检测的方法及微弱信号的特点 (2)
1.2.1 常规小信号的检测方法 (2)
1.2.2 微弱信号的检测方法 (4)
1.2.3 微弱信号的特点 (4)
1.3 本文的主要工作 (5)
第二章微弱信号检测装置设计方案选择与论证 (6)
2.1 方案选择与论证 (6)
2.1.1 系统方案的确定 (6)
2.1.2移相网络设计 (9)
2.2总体方案论述 (9)
第三章基于锁相放大的微弱信号检测装置设计 (10)
3.1 锁相放大器原理 (10)
3.2 移相网络 (10)
3.3 相敏检波器原理分析 (11)
3.4 电路设计 (12)
3.4.1加法器 (12)
3.4.2纯电阻分压网络 (12)
3.4.3前级放大电路模块 (13)
3.4.4带通滤波器 (13)
3.4.5相敏检波器 (13)
第四章仿真分析与程序设计 (16)
4.1 仿真分析 (16)
4.1.1 输入信号波形（前置两级放大电路输入波形） (16)
4.1.2 经过前置放大电路和带通滤波器后输出波形 (16)
4.1.3 参考信号输入输出波形 (17)
4.1.4 LM311过零比较器输出波形 (18)
4.1.5 开关乘法器输出波形 (18)
4.1.6 低通滤波输出波形 (19)
4.2 程序设计 (20)
第五章实物展示与测试方案及结果 (21)
5.1 实物展示 (21)
5.2 测试方案与测试结果 (21)
5.2.1 测试仪器 (21)
5.2.2 测试方案 (21)
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微弱信号检测装置
摘要：本设计是在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，采用TI公司提供的LaunchPad MSP430G2553作为系统的数据采集芯片，实现微弱信号的检测并显示正弦信号的幅度值的功能。电路分为加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路、以及数码管显示电路组成。当所要检测到的微弱信号在强噪音环境下，系统同时接收到函数信号发生器产生的正弦信号模拟微弱信号和PC机音频播放器模拟的强噪声，送到音频放大器INA2134，让两个信号相加。再通过由电位器与固定电阻构成的纯电阻分压网络使其衰减系数可调（100倍以上），将衰减后的微弱信号通过微弱信号检测电路，检测电路能实现高输入阻抗、放大、带通滤波以及小信号峰值检测，检测到的电压峰值模拟信号送到MSP430G2553内部的10位AD 转换处理后在数码管上显示出来。本设计的优点在于超低功耗
关键词：微弱信号MSP430G2553 INA2134
一系统方案设计、比较与论证
根据本设计的要求，要完成微弱正弦信号的检测并显示幅度值，输入阻抗达到1MΩ以上，通频带在500Hz~2KHz。为实现此功能，本设计提出的方案如下图所示。其中图1是系统设计总流程图，图2是微弱信号检测电路子流程图。
图1系统设计总流程图
图2微弱信号检测电路子流程图
1 加法器设计的选择
方案一：采用通用的同相/反相加法器。通用的加法器外接较多的电阻，运算繁琐复杂，并且不一定能达到带宽大于1MHz，所以放弃此种方案。
方案二：采用TI公司的提供的INA2134音频放大器。音频放大器内部集成有电阻，可以直接利用，非常方便，并且带宽能够达到本设计要求，因此采用此方案。
2 纯电阻分压网络的方案论证
方案一：由两个固定阻值的电阻按100:1的比例实现分压，通过仿真效果非常好，理论上可以实现，但是用于实际电路中不能达到预想的衰减系数。分析：电阻的标称值与实际值有一定的误差，因此考虑其他的方案。
方案二：由一个电位器和一个固定的电阻组成的分压网络，通过改变电位器的阻值就可以改变其衰减系数。这样就可以避免衰减系数达不到或者更换元器件的情况，因此采用此方案。
3 微弱信号检测电路的方案论证
方案一：将纯电阻分压网络输出的电压通过反相比例放大电路。放大后的信号通过中心频率为1kHz的带通滤波器滤除噪声。再经过小信号峰值电路，检测出正弦信号的峰值。将输出的电压信号送给单片机进行A/D转换。此方案的电路结构相对简单。但是，输入阻抗不能满足大于等于1MΩ的条件，并且被测信号的频率只能限定在1kHz，不能实现500Hz~2KHz 可变的被测信号的检测。故根据题目的要求不采用此方案。
方案二：检测电路可以由电压跟随器、同相比例放大器、带通滤波电路以及小信号峰值检测电路组成。电压跟随器可以提高输入阻抗，输入电阻可以达到1MΩ以上，满足设计所需；采用同相比例放大器是为了放大在分压网络所衰减的放大倍数；带通滤波器为了选择500Hz～2KHz的微弱信号；最后通过小信号峰值检测电路把正弦信号的幅度值检测出来。这种方案满足本设计的要求切实可行，故采用此方案。
4 峰值数据采集芯片的方案论证
方案一：选用宏晶公司的STC89C52单片机作为。优点在于价格便宜，但是对于本设计而言，必须外接AD才能实现，电路复杂。
方案二：采用TI公司提供的MSP430G2553作为控制芯片。由于MSP430G2553资源配置丰富，内部集成了10位AD，可以直接使用，简化电路，程序实现简单。此外还有低功耗，以及性价比高等优点，所以采用该方案。
5 显示电路的方案设计
方案一：采用液晶显示器作为显示电路，液晶显示器显示内容较丰富，可以显示字母数
字。但对于本设计而已，不需要显示字母，只需要显示数字。性价比低，程序设计较为复杂。
方案二：利用数码管作为显示电路，性价比高，程序设计简单，易于实现。 两种显示模块设计相比较，数码管价格便宜，实现简单，所有选择方案二。 二 理论分析与计算 1纯电阻分压网络
纯电阻分压网络一个电位器和一个固定的电阻值串联起来实现分压。将电位器的电阻值调整为100K Ω，固定电阻的阻值为1K Ω。
衰减系数为：221/)(R R R A +=,其中1R =100K Ω,2R =1K Ω，算出衰减系数值为A=101，可以满足设计要求。若因为电阻偏差很大，使得衰减系数小于100，则可以通过调整电位器增大1R 的阻值。 2 微弱信号检测电路 （1）电压跟随器
选用OP2134作为电压跟随器，输入电压等于输出电压。为了满足题目要求输入阻抗大于1MΩ以上，电压跟随器的输入阻抗值极高，可以达到此要求。 （2）同相比例放大电路
由于正弦信号和噪声信号一起叠加以后通过分压网络以后正弦信号峰值衰减到100倍，如果要检测到不失真理想无误差，必须再放大信号。放大器也是采用OP2134，同相比例放大。如右图所示，放大比例为：
f n o n R U U R U /)(/)0(-=- ，
P f o U R R U ⨯+=)/1( .)/1(i f o U R R U ⨯+=⇒
（3）带通滤波器 图3同相比例放大器
为了达到设计要求，要求检测出频率在500Hz ～2KHz 的信号，所以设计带通滤波器。带通滤波器是由低通滤波器和高通滤波器串联构成，对于低通滤波器有上限截止频率即为带通滤波器的上限截止频率，对于高通滤波器有下限截止频率即为带通滤波器的下限截止频率。
在本设计中，采用单个集成运放OP2340构成压控电压源二阶带通滤波电路。二阶带通滤波器电路如图（2.1）所示，电路的传输函数为：
⎪
⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+++=
21
2
32132
1111
)1(1121)(R R C R s A R R R C
s
s
C
R A s A f f
u 2
2o
o
o
uo
s Q
s s
Q
A ωωω++
=
（2.1）