微弱信号检测装置——2012年辽宁省TI杯电子大赛一等奖论文

R sr lim 1 T Vs1 t Vr t dt T T 2T
= lim
1 T 2T

T
T
1 1 Vs Vr cos s r t s r Vs Vr cos s r t s r dt 2 2
由上式可知， 积分内的两项是待测有效信号与参考信号的和频 s r 及差 频 s r 相关，当 s r 时，且噪声相关函数 R rn 为零时，积分器输出的 信号 VO 可表示为：
VO Vs Vr cos
式中 K 为低通滤波器的传递系数， 为待测信号与参考信号的相位差，当待测信 号与参考信号同频率时，相敏检测器输出的信号与待测有效信号的幅度 V s 有 关， 也与待测信号与参考信号的相位差 有关， 调整参考信号的相位 r ， 当 r = s 时， 相敏检测器的输出信号与待测信号的幅度成正比。 总之， 由于输入信号 Vs t 中的噪声 n t 与参考信号不相关，经积分器积分后，噪声得到了很好的抑制，而 有效信号得到了放大，从而提高了测量的精度和信噪比。
2.3.1 前置放大和滤波器
前置滤波器、放大器 通过巴特沃斯低通滤波器的两级放大使增益达到 100 倍， 放大倍数分别都为 10 倍， （即取 K=10） ； 低通滤波的截止频率 fc≥2k,由巴特沃斯低通滤波器公式：
K=1+R4/R3
c
第一级：
1 R1 R2 C1C 2
2f c
取 标 准 值 为 C1=10nF ， C2=1.01nF ， R1=84.87K ， R2=7.35K ， R3=2.5K,
1.2
总体设计思路及框图
总体设计思路： 首先正弦波信号源产生的信号与噪声源经 OPA2134 搭建的加法器相加， 保证 了输出精度及要求的 1MHz 带宽；之后经过纯电阻分压网络衰减 100 倍，进入微 弱信号检测电路；微弱信号检测电路包括前置放大器，前置滤波器，鉴相器，低 通滤波器以及由移相器和比较器构成的参考通道， 由 OPA2134、 OPA2340、 LF317、 OP07、 4052 等芯片具体实现； 最后的检测及显示电路由 MSP430 的内置 AD 及 12864
2012 辽宁省电子设计竞赛设计报告
微弱信号检测装置设计
摘 要：
根据要求，我们设计了基于锁相放大的微弱信号检测装置。该装置能够对强 噪声背景下的微弱信号进行有效的测量，拥有低输入信噪比、宽输入带宽、测量 较准确等优点。 该装置由模拟信号叠加背景噪声的加法器模块、 模拟信号衰减的纯电阻分压 网络模块、基于锁相放大的微弱信号检测电路模块、基于 MSP430 的幅值检测显 示模块共同组成。 其中加法器由 OPA2134 搭建，符合题目要求的输出及带宽；分压网络由纯电 阻搭建，简单快捷，性价比较高；设备的核心锁相放大器由 OPA2134 搭建的前置 放大器、前置滤波器、低通滤波器、移相器，OP07 与 4052 组成的开关型相敏检 测器，OPA2340 搭建的比较器构成，完成了强噪声背景下的小信号相干检测，准 确且稳定； 幅值检测显示模块利用高性能 MSP430 单片机内置的高精度 AD 转换器 进行采样并经 12864 显示，美观大方。
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1 T V t n t Vr t dt T 2T T s1 T 1 T = lim Vs1 t Vr t dt Vs1 t n t dt R sr R rn T T 2T T VO lim
上式中 R sr 、 R rn 分别是待测有效信号与参考信号及参考信号与噪声之 间的相关函数，对于 R rn 项，由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为参
R rn 考信号与噪声互相独立， 它的相关函数 R rn 为零： 即经过长时间的积分，
项为零， 实际上积分时间不可能无限长， 也就是说实际计算中 R rn 不可能为零， 它表现为剩余噪声，但噪声对测量结果的影响已经大大降低，对于 R sr 项为：
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一． 方案选择与论证
1.1
方案选择与论证
从本题要求整体分析可知， 设计的微弱信号检测装置的核心在微弱信号检测 电路，因此方案的选择与论证重点考虑该部分电路： 方案 1： 带通滤波：滤波器广泛应用于现代信号处理的各个领域，如调制解调、检测 处理等等，滤波器包括低通、高通、带通、带阻。其中带通滤波器适合于本题的 小信号检测。但是鉴于本题的极低信噪比，故要求滤波器拥有极高的 Q 值，那是 不可能实现的，故放弃此方案。 方案 2： 集成模拟乘法器： 利用锁相放大的原理对强噪声背景下的小信号进行相干检 测，能够实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟 踪。锁相放大器的核心器件是相位敏感期器，利用模拟乘法器如 MC1496 实现鉴 相，调试复杂，价格较高，且动态范围小，线性度较差，故放弃。 方案 3： 开关式乘法器： 采用方案 2 的对小信号的检测原理，即利用锁相放大器对强 噪声背景下的小信号进行相干检测。 但是其核心器件相位敏感期器由开关式乘法 器搭建，具有价格低廉，基本无需调试等优点，是一种较为实用的相敏检波器。 方案选定： 综上，本设计采用方案 3，即采用以开关式乘法器为核心的锁相放大器搭建 微弱信号检测电路，对本题中的微弱信号进行检测。
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3
液晶共同实现。 总体设计框图：
微弱信号检测系统框图
锁相放大器框图
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二． 理论分析与计算
2.1 加法器单元电;Ui2 ，Ui1 为正弦波信号，Ui2 为噪声 源信号，由同相加法器的输出公式：
U2 R U o R Rf
2.2 纯电阻单元电路设计
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衰减网络 纯电阻分压网络衰减系数 A 不低于 100 ， A= (R1+R2) /R2 。测试后电阻 R1= 200K,R2=2K，A=101
2.3 锁相放大器电路设计
锁相放大器是以相干检测技术为基础， 利用参考信号频率与输入输入信号频 率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声中提取出有用信号，使得测量精 度大大提高。锁相放大器设计分成四个模块：前置放大与低通滤波、相敏检测器 （鉴相器）、参考通道（移相器与比较器）、低通滤波器。
2.3.2 鉴相器电路设计
开关型鉴相器 相敏检测器是由乘法器和积分器组成，其中乘法器一般采用开关乘法器，积 分器通常由低通滤波器组成，下图给出相敏检测器的构成原理图。
待测信号
带通滤波器
VS1
相敏检测器
Vo
参考信号
VR
相敏检测器原理图 理论基础： 设待测信号 Vs t Vs1 t n t Vs coss t s n t ，其中 Vs1 ( t ) 为待测信 号中的有效信号，n t 为噪声。参考信号 Vr t Vr cos r t r ，则经乘法器的 输出信号为 Vi Vs t Vr t ，积分器的输出信号 VO 为：
关键词：
微弱信号检测；锁相放大器；开关型相敏检测器 ；MSP430 单片机
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目 录
一． 方案选择与论证 .................................................................................................3 1.1 方案选择与论证 ............................................ 3 1.2 总体设计思想.............................................. 3 二． 理论分析与计算 .................................................................................................5 2.1 加法器单元电路设计 ........................................ 5 2.2 纯电阻单元电路设计 ........................................ 5 2.3 锁相放大器电路设计 ........................................ 6 1.前置放大与滤波器电路设计................................. 6 2.相敏检测（鉴相器）电路设计............................... 7 3.参考信号电路设计......................................... 8 4.低通滤波器............................................... 9 2.4 MSP430 采样与显示 ........................................ 10 三． 实物展示 ........................................................................................................... 12 四． 测试方案与测试结果 ....................................................................................... 13 4.1 检测仪器................................................. 13 4.2 检测方法与结果........................................... 13 结 论 .......................................................................................................................... 15 参考文献 .................................................................................................................... 16 附录 ............................................................................................................................ 17