微弱信号检测

四川省大学生电子设计竞赛报告题目：微弱信号检测装置

微弱信号检测装置

【摘要】：为提取被噪声淹没的微弱信号，在分析了锁相放大器原理的基础上，采用基于AD630设计了一个双相位锁相放大器。实现了正弦信号的检测和显示，由于时间紧迫，AD采样显示的数值误差较大。

【关键词】：锁相放大器正交信号 AD630 MAX7490

一、方案设计与论证

图1 微弱信号检测装置示意图

1.1 微弱信号检测电路设计与方案

微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。常用的微弱信号检测方法有：匹配滤波、锁相放大、取样积分等。

方案1：匹配滤波法。使用窄带滤波器，滤掉带宽噪声只让窄带信号通过；此方案电路简单，但是，由于一般滤波器的中心频率不稳定，不能满足更高的滤除噪声的要求。

方案2：单通道锁相放大法。用AD630平衡调制解调芯片、移相器及低通滤波器构成锁相放大电路，基于信号的互相关原理，移相器输出的信号必须与被测信号同频同相，由于被测信号相位未知，需移相器逐步移相，实现较为复杂。

方案3：双通道锁相放大法。用两个AD630平衡调制解调芯片、两个低通滤波器做成双通道锁相放大器，就是被测信号与两个相互正交的信号分别相乘经低通滤波器再送入AD进行采样，这样不需考虑被测信号的相位。两路正交信号由74LS74构成的分频电路产生或由单片机产生。由于只需要直流分量，低通滤波器的截止频率可以低到几百赫兹。

综合考虑，我们采用方案3。

1.2 加法电路的设计与方案

加法电路要求正弦信号与噪声信号相加，并测量噪声的均方根值；因此加法电路的内部噪声越小越好。

方案1：普通加法器。用低噪声放大器OPA2227做一个普通的加法器，但此电路接有电阻电容，会产生附加噪声。

方案2：高性能加法器。用低噪声仪表放大器INA2134做一个高性能的加法器，有独立的共模抑制能力、增益误差、噪声和失真。

方案2虽然比方案1复杂，但引入的附加噪声比方案1小，因此选用方案2。

1.3 带通滤波器设计与方案

题目中给了一个带宽很宽的强噪声，要想进可能地滤掉噪声，需一个窄带带通滤波器。

方案1：采用OPA2227设计中心频率指定的有源带通滤波器。

方案2：采用OPA2227分别设计低通滤波器和高通滤波器，组成一个带通滤波器。

方案3：用MAX7490做程控带通滤波器，参考官方电路设计。

方案1设计的带通滤波器不满足中心频率在500Hz-2000Hz内变化的设计要求；方案2设计的带通滤波器带宽太宽，引入过多噪声容易造成太大的测量误差；因此采用方案3。

1.4 整体系统电路设计

整体系统框图如下：

图2 整体系统框图

二、理论分析与参数计算

2.1锁相放大器电路中的相关器原理

锁相放大电路中最重要的部分是相关器(PSD)部分，它是锁相放大电路的核心，起着至关重要的作用。相关器是相关函数的物理模型，是一种完成被测信号和参考信号互相关函数运算的电子线路，相关器又叫相敏检波器。

设输入信号：

()

1sin 2s s U E f 1πθ+= （1）

参考信号：

()

2sin 2R R U E f 2πθ+= （2）

则输出信号：

0R S U U U = （3）

()()120121cos 22S R U E E f f t πθθ=

-+--⎡⎤⎣⎦()()12121

cos 22S R E E f f t πθθ+++⎡⎤⎣⎦ （4）

上式表明，相敏检波器的输出包括两部分，前者为输入信号与参考信号的差频分量，后者为和频分量。当被测信号与参考信号同步时，即f1=f2时，差频分量为零，这时差频分量编程相敏直流电压分量，而和频分量为倍频。其物理意义表示信号经过相敏检波以后，信号频谱相对频率做了相对位移，即由原来以f1为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心的两个频谱，经过低通滤波滤除倍频分量，从而使输出变为

()()120121

cos 22S R U E E f f t πθθ=

-+-⎡⎤⎣⎦ （5）

因为f1=f2，设θ=θ1-θ2，则最后经过低通滤波后只有直流分量能通过，其它与时间t 有关的项不能通过低通滤波，所以经过相敏检波的输出信号经过低通滤波后只剩直流分量

1

cos 2S R E E θ。

2.2 程控带通滤波器计算

基于MAX7490的程控滤波器，稳定性高，使用方便，外部进行电容电阻既可方便的设置滤波器中心频率，带宽等，并且滤波效果好。考虑发挥部分的频率由500HZ~2KHZ 的变化，我们需要用单片机给出的时钟信号控制MAX7490，从而改变中心频率。带通滤波器的中心频率计算公式：

0100CLK

f f =

（6）

2.3 最小二乘法分析方法

考查近似函数同所给数据

误差

大小，常用的方法有以下三种：

1、误差

绝对值的最大值

,即误差

向量

的—范数；

2、误差绝对值的和，即误差向量r 的1—范数；

3、误差平方和

的算术平方根，即误差向量r 的2—范数。

前两种方法简单、自然，但不便于微分运算 ，后一种方法相当于考虑 2—范数的平方，

因此在曲线拟合中常采用误差平方和来 度量误差(i=0，1，…，m)的整体大小。数

据拟合的具体作法是：对给定数据

，在取定的函数类中,求

,

使误差

的平方和最小，即

∑=m

i i

r

2

=[]

∑==-m

i i

i

y x p 0

2

min

)(

从几何意义上讲，就是寻求与给定点的距离平方和为最小的曲线。

函数

称为拟合函数或最小二乘解，求拟合函数

的方法称为曲线拟合的最小二乘法。

在曲线拟合中，函数类可有不同的选取方法。

三、软硬件设计 3.1 硬件设计

3.1.1 信号源模块硬件电路设计

该电路由INA2134组成的高性能加法器和纯电阻分压网络组成，实现正弦信号与噪声信号的叠加并将其衰减100倍以上。