微弱信号检测装置

微弱信号检测装置 Prepared on 24 November 2020

微弱信号检测装置（B题）

2014年520电子设计大赛

参赛选手：朱志炜，周杨灿，朱杏伟

指导老师：姜乃卓

摘要：本微弱信号检测装置信号通道由OPA228为前置放大器，AD707和OP27为主放大器，将微弱小信号放大，然后经过后级的带通滤波器以及GIC滤波器对放大后信号进行滤波，进一步减小噪声的影响；参考通道以LM353为方波发生器，将正弦波化为同频率相位可调的方波，接以CD4046锁相环和D触发器，输出0-270°四个不同相位的方波；信号通道和参考通道的信号会在相关器器中相乘，并把得到的半波积分为直流电平，最终通过ICL7107接数码管显示电平值，并可以调为显示微小信号的值。测试数据表明本设计具有非常高的准确度和极其强大的噪声抑制能力，工作性能稳定，成本低廉，控制方便，是一个优越而实用的设计方案。

关键字：微弱信号；相关检测；噪声抑制；锁相放大器

目录

一、设计目标

1、基本要求

2、发挥部分

二、系统方案

方案一

方案二

三、系统总体框图

四、理论分析与计算

1、前置放大器的噪声分析

2、信号通道的增益计算

3、相关器的理论分析及计算

4、锁相环路的分析计算

5、移相电路的分析计算

五、电路设计

1、信号通道设计

2、参考通道设计

3、相关器设计

4、显示电路设计

六、测试情况

1、测试仪器

2、衰减电路测试数据

3、放大器测试数据

4、带通滤波器及GIC滤波器测试结果

七、总结

八、参考文献

一、设计目标

设计一个微弱信号的检测装置

1、基本要求：

（1）设计和制作两个电压衰减器，要求衰减量分别为20dB和40dB。要求：衰减器的输入阻抗为50，衰减器的输出阻抗为100。衰减器的输入信号频率范围为100Hz-10KHz。

（2）实现对已知频率的微弱正弦输入信号幅度检测，要求：微弱正弦信号输入频率范围为100Hz-10KHz，幅度有效值范围为100uV-500uV，微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。

（3）检测的幅度有效值显示在数码管或者液晶显示屏上，要求显示精度达到小数点后面1位，显示时间不超过1分钟。

（4）设计一个白噪声和衰减后的输入正弦信号相叠加的加法电路，输入信号叠加白噪声后的信噪比在-20dB-0dB范围内连续可调。

信噪比定义：，

正弦信号功率为：其中表示正弦信号的有效值。

白噪声信号功率为：其中表示白噪声信号的有效值。

表示加法电路的输入阻抗。

（5）当微弱正弦信号输入信号的幅度有效值为1mV-5mV，信噪比在-20dB 时，要求对输入微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。

2、发挥部分：

（1）实现对固定频率的微弱正弦输入信号幅度检测，要求：微弱正弦信号输入频率分别为1KHz，5KHz，10KHz时，幅度有效值范围为10uV-50uV时，微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。

（2）当微弱正弦信号输入信号的幅度有效值为100uV-500uV，信噪比在-20dB 时，要求对输入微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。

二、系统方案

对于参考通道和相关器部分，拟采用题目所介绍使用的CD4046和CD4066两款芯片来做，对于信号通道，有不同的可采用方案。

方案一：采用AD707超低噪声运放作为衰减电路的芯片，接以AD8429低噪声运放作为前置放大器，然后用AD707和OP27作为主放大器，放大后的信号经过OP07组成的带通滤波器滤波后输出给相关器。

方案二：采用OPA227超低噪声运放作为衰减电路的芯片，接以OPA228低噪声运放作为前置放大器，然后只要用OPA228作为主放大器，放大后的信号经过LF353组成的带通滤波器滤波后输出给相关器。

比较AD707和OPA227的参数：

AD707：s摆率，闭环带宽，C最大失调电压漂移，稳定时间10us,√Hz噪声OPA227：us摆率，8MHz增益带宽，3nV/√Hz噪声，稳定时间5us

比较OP07和LF353的参数：

OP07：超低偏移：150μV最大。低输入偏置电流：。低失调电压漂移：μV/℃。超稳定，时间：2μV/month最大高电源电压范围： ±3V至±22V；

LF353：典型增益带宽积3MHz，典型电压增益，100dB典型输入噪声电压密度18nV/rtHz。

可以看出OPA227相比于AD707具有更低的噪声，更小的压摆率，而且稳定时间更短，故OPA227来做衰减器和前置放大器会比较好；而LF353的增益带宽积也高于OP07，即用LF353来做滤波器相比于OP07要更加稳定。

故信号通道选择的是方案二。

三、系统总体框图

四、理论分析和计算

1.前置放大器的噪声分析

信号通道中最重要的部分就是低噪声前置放大器，因为进来的信号很微弱，只有uv量级，任何微弱的噪声混入后经过放大都会对后级的检测电路带来麻烦。噪声干扰主要分为两种，一种是周围环境中的各种噪声，特别是50HZ的工频干扰；另一种是电路内部器件本身的噪声，这些都会被引入电路。为了抑制这些噪声的进入，首先要选取低噪声的运放芯片，这个选择尤为重要，放大器采用了差分式放大结构，并且采取了反相放大器，因为反相放大器的输入阻抗小，相比高输入阻抗的同相放大器，反相放大器的热噪声更小。

其次由于实验室提供的直流电压源其实是由交流电整形而来的，肯定会有文波，纹波对电路的稳定性，低噪性会有一定影响，故而最好加上直流稳压器。另外电路中发生高低电平转换时候会有一个很大的脉冲信号，电路的这个状态会对直流电压源产生影响，使之产生波动，故而需要加入电容去耦合电路。电容去耦对低噪声前置放大器极为重要，忽略这一步会使得放大后的波形严重恶化。一般来说电容去耦在离直流电压源很近的地方并联一个小电容，远一点的地方并联一个大电容，这个大电容也可以作为各部分电路公用的去耦电容。

2.信号通道的增益计算

衰减器两级衰减分别衰减20dB和40dB，将信号衰减1000倍，然后低噪声前置放大器有固定30倍的放大，主放大器拥有0-50倍的可调放大倍数，接着带通滤波器有倍的放大，GIC滤波器有倍的信号放大，所以信号通道的放大倍数为80倍至4000倍，增益为72dB。

3.相关器的理论分析计算

假设输入信号是：

（3-1）

本地信号为：

（3-2）

将这两组信号进行相关检测，设计框图如图2-1所示：

图1 互相关检测框图

将3-1式和3-2式带入相关检测器，利用

式，得到互相关函数运算为

（3-3）

以上推导可以看出：互相关接收只有信号与本地信号的相关输出，去掉了噪声项，这就是互相关检测能够消除噪声的核心推导公式。需要注意的是互相